CN102901798A

CN102901798A - 一种测定堆肥样品生物有效态重金属含量的方法

Info

Publication number: CN102901798A
Application number: CN2012103937799A
Authority: CN
Inventors: 席北斗; 李丹; 何小松; 魏自民; 赵国鹏
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102901798B

Abstract

一种测定堆肥样品中生物有效态重金属含量的方法，其主要步骤为：A)将堆肥样品加入不同比例的纯水，分别将上清液过滤，收集滤液，得到一系列不同加水量的滤液；B)将薄膜扩散梯度装置分别放入各滤液中，置于磁力搅拌器上进行吸附反应，取出薄膜扩散梯度装置的结合相，加入HNO3溶液，使结合相全部浸没；浸提后测定溶液中重金属浓度；C)计算结合相和薄膜扩散梯度装置中累积的重金属浓度。本发明具有精确度高、重复稳定性好的特点，对天然降雨状态下堆肥样品中生物有效态重金属浓度可以准确定量分析。

Description

一种测定堆肥样品生物有效态重金属含量的方法

技术领域

本发明属于固体有机废弃物处理与资源化应用领域，具体涉及一种采用薄膜扩散梯度技术(DGT技术)富集堆肥样品中生物有效态重金属，并计算其有效态浓度，进而评价堆肥样品中生物有效态重金属含量的方法。

背景技术

城市污水厂污泥和畜禽粪便均含有一定量的重金属：前者主要来自污水中本来存在的重金属，以及污水处理过程中加入的铝盐和铁盐；后者主要来自为防治畜禽疾病和促进生长发育而在饲料和添加剂中加入的重金属。城市污泥和畜禽粪便因均含有丰富的有机质和N、P、K等养分而被堆肥后用于农业生产。重金属是环境中一类危害性较大的毒性物质，常常与蛋白质结合而影响微生物活性，同时，重金属由于难迁移、易富集、危害大，导致城市污泥和畜禽粪便堆肥产品的农业应用效果大打折扣，成为固体废弃物无害化处理和直接土地农用的主要限制和影响因素。

城市污泥和畜禽粪便堆肥产品中重金属的存在必然会对植物及周边生态环境造成不利影响。然而，并非所有的重金属都能被利用，只有溶解于水，被作物吸收利用的重金属才是对环境有危害的。重金属的有效态对于研究其生物可利用性是至关重要的，此处定义的有效态是指能够迅速交换到溶液中的重金属形态，并且能够通过扩散方式供给植物吸收的形态，因此其毒害性主要是通过能够被吸收的有效态含量，即重金属的生物有效性体现。薄膜扩散梯度技术(Diffusive Gradients in Thin Films Technique，DGT)是近年来应用于水体、沉积物及土壤中有效态(非稳态)重金属生物有效性研究的一项新技术。相对于传统的化学方法，具有不改变重金属形态并直观反映有效浓度的优势而多见于国内外对水体、沉积物及土壤中重金属生物有效性的测定，但将DGT技术应用到测定或评价堆肥中重金属的生物有效性还鲜有报道。

DGT技术所测量的重金属有效态是由结合相的结合能力决定的。有效态通常包括游离金属离子、金属无机配合物、部分金属有机配合物，对于一些以配合物形式存在于自然环境中的稳定态重金属，DGT结合相不能对其有效富集，因此可有效区分混合体系中不同生物有效性的重金属。采用DGT技术，选取恰当地结合相吸附重金属，能定量累积并测量其有效态浓度，DGT装置中重金属的累积量随放置时间的延长而增大，且呈明显线性关系，同时在配制的标准水溶液中DGT装置的测量值与本体溶液的实际值的比值均在95％以上，分析结果重复性好，稳定性强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定堆肥样品生物有效态重金属含量的方法，通过DGT技术测定淋出的生物有效态重金属含量。

为实现上述目的，本发明提供的测定堆肥样品中生物有效态重金属含量的方法，其主要步骤为：

A)将堆肥样品加入不同比例的纯水，分别将上清液过滤，收集滤液，得到一系列不同加水量的滤液；

B)将薄膜扩散梯度装置分别放入各滤液中，置于磁力搅拌器上进行吸附反应，取出薄膜扩散梯度装置的结合相，加入HNO₃溶液，使结合相全部浸没；浸提后测定溶液中重金属浓度；

C)计算结合相和薄膜扩散梯度装置中累积的重金属浓度。

所述的方法中，步骤A中的滤液稀释20-100倍。

所述的方法中，步骤A和B的过程中记录薄膜扩散梯度装置周围的环境温度。

所述的方法中，步骤B中加入的HNO₃溶液浓度为1mol/L。

所述的方法中，步骤C中结合相的重金属浓度的计算采用公式(1)

M＝Ce(V_HNO3+Vgel)/fe (1)

式(1)中：M为结合相中的重金属浓度；

Ce为1mol/L HNO₃中重金属的浓度(μg/L)；

V_HNO3为加入HNO₃的体积；

Vgel为结合相的体积；

fe为重金属的洗脱因数。

所述的方法中，步骤C中薄膜扩散梯度装置的重金属浓度的计算采用公式(2)

C_DGT＝MΔg/(D tA) (2)

式(2)中：C_DGT为薄膜扩散梯度装置中的重金属浓度；

Δg为水凝胶扩散层厚度与半透膜厚度之和；

D为重金属在水凝胶扩散层中的扩散系数；

t为吸附时间(s)；

A为接触面积。

本发明利用淋溶方法模拟天然降雨状态下堆肥本底中重金属的淋出，并通过DGT技术测定淋出的生物有效态重金属含量，建立一种测定或评价堆肥样品生物有效态重金属含量的新方法。本发明具有精确度高、重复稳定性好的特点，对天然降雨状态下堆肥样品中生物有效态重金属浓度可更为准确的定量。

附图说明

图1是本发明所采用的DGT装置剖面示意图。

图2是采用DGT装置富集吸附测得的有效态重金属浓度与ICP-OES直接测定的堆肥滤液中重金属浓度线性关系示意图。

具体实施方式

本发明利用淋溶方法模拟天然降雨状态下堆肥中重金属的淋出，通过DGT技术测定淋出的生物有效态重金属含量，建立一种测定和评价堆肥样品生物有效态重金属含量的新方法。

本发明的主要操作步骤包括：

采集堆肥样品，充分磨碎后加入不同比例的纯水(较佳地是加入超纯水)，用以模拟不同降雨量的大小，为模拟不同的降雨强度，设定堆肥样品与水的质量体积固液比(g/ml)为1∶3-1∶25，将纯水加入堆肥样品后，200rpm/min震荡24h后获得淋出液，淋出液经12000rpm/min，4℃低温离心20min获得离心上清液，将离心上清液过0.45μm混合纤维滤膜，制得滤液。采用ICP-OES测定所提取的堆肥滤液中可溶态重金属浓度。

将提取的堆肥DOM样品进行适当的稀释，防止堆肥样品中有机物和其他物质含量过高影响ICP-OES对重金属的测定以及DGT装置对重金属的富集和吸附，稀释20-100倍后使其介于DGT技术的检出限即吸附凝胶的最大吸附容量之内。为了确保顺利达到吸附平衡的最大吸附量，用NaOH和HNO3溶液调节滤液pH＝6±0.5。

将处理好的DGT装置(由于本发明采用的DGT装置为公知技术，因此只给出该装置的结构图以有助于理解本发明的技术方案，而不对该装置的结构作详细描述)用滤纸轻轻地吸取装置窗口表面水分，放入装有20mL待测堆肥滤液稀释样的小烧杯中，使DGT装置完全浸没于所提取的堆肥滤液中，置于磁力搅拌器上吸附反应12-24h，确保吸附反应是在一定流动的液体中进行但避免过分扰动，反应结束后迅速取出DGT装置，并用超纯水彻底冲洗DGT装置，然后打开DGT装置取出内层的结合相放入干净的离心管中，加入1mol/L HNO₃溶液，确保结合相全部浸入HNO₃溶液中，浸提24h后采用ICP-OES测定有效态重金属浓度。整个过程中详细需严格记录反应周围的环境温度变化。

通过公式(1)快速计算吸附凝胶中累积的重金属浓度M。

M＝Ce(V_HNO3+Vgel)/fe (1)

Ce是1mol/L HNO₃中重金属的浓度(μg/L)；V_HNO3是加入HNO₃的体积；Vgel是结合相的体积(一般为0.15mL)；fe是重金属的洗脱因数(一般为0.8)。

通过公式(2)计算DGT装置中的重金属浓度C_DGT：

C_DGT＝MΔg/(D tA) (2)

Δg是水凝胶扩散层的厚度(0.078cm)与膜厚度(0.014cm)的和；D是重金属在水凝胶扩散层中的扩散系数；t是吸附时间(s)；A是接触面积(一般为3.14cm²)。

对比分析通过DGT装置吸附测得的有效态重金属浓度C_DGT和实际原液中的重金属浓度C_ICP-OES，通过二者之间的线性关系和比值大小即可判断DGT技术测定堆肥DOM中有效态重金属含量的准确性和可行性。

实施例1

采集北京周边某养鸡场新鲜鸡粪若干，混合锯末和干草调C/N比为26、含水率55.21％后于静态堆肥反应器中进行堆肥。25天后一次发酵结束，补水翻堆进行二次发酵，45天后二次发酵结束，取堆肥第1、8、25、35及45天的样品各适量。将所采集鸡粪堆肥样品按干重与超纯水体积为1∶10[W(g)/V(mL)]加入超纯水，室温条件下200r/min水平振荡提取24h，然后4℃、12000r/min下离心20min，上清液过0.45μm滤膜制得滤液，将滤液按一定比例稀释至适宜ICP-OES测定重金属的浓度，用适当浓度的NaOH和HNO₃调节溶液pH＝6±0.5，测定堆肥滤液本底中可溶态重金属浓度C_ICP-OES。

取20mL滤液稀释后的液体置于相应大小的烧杯中，然后将DGT装置沉于其中，使液体能浸没DGT装置的半透膜，确保其能充分进行扩散和吸附，置于磁力搅拌器上充分反应18h，反应结束后迅速取出DGT装置，并用超纯水彻底冲洗DGT装置，然后打开DGT装置取出内层的结合相放入干净的离心管中，加入适量1mol/L HNO₃溶液，确保结合相全部浸入HNO₃溶液中，浸提18h后采用ICP-OES测定有效态重金属浓度。实验全过程需严格记录反应周围的环境温度。

每个阶段样品的DGT实验设置3组平行，用以计算标准偏差(表1)。通过公式(1)和(2)快速计算薄膜扩散梯度装置中累积的DGT重金属浓度C_DGT。

对比分析通过DGT装置吸附测得的有效态重金属浓度C_DGT和实际堆肥DOM原液中的重金属浓度C_ICP-OES，研究二者之间的线性关系并计算二者比值大小(见表1)。

图2为本发明的试验结果，表明C_DGT与C_ICP-OES间呈明显线性关系，线性方程为y＝0.9745x-0.0005(R²＝0.9999)

DGT测定的重金属浓度值与ICP-OES测定的重金属浓度值在堆肥不同阶段DOM溶液中的比值均在1.0±0.1的范围之内。假设以ICP-OES测定的DOM中重金属浓度为真值，DGT测定的DOM中重金属浓度值与其相对误差分别为3.40％、3.64％、1.34％、1.53及0.82％。以上结果均表明本发明的条件下，DGT装置测定的DOM中重金属浓度与待测DOM中重金属浓度有较好的响应关系，因此DGT技术用于测定堆肥DOM中重金属浓度的可行性及准确性均较高。

表1：DGT与ICP-OES直接测定DOM中重金属的结果比较

注：

C_DGT(mg·L^-1)：DGT测定的有效态重金属浓度值；

C_ICP-OES(mg·L^-1)：ICP-OES测定。

Claims

1.一种测定堆肥样品中生物有效态重金属含量的方法，其主要步骤为：

C)计算薄膜扩散梯度装置结合相中累积的重金属浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A中的滤液稀释20-100倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A和B的过程中记录薄膜扩散梯度装置周围的环境温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤B中加入的HNO₃溶液浓度为1mol/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C中结合相的重金属浓度的计算采用公式(1)

M＝Ce(V_HNO3+Vgel)/fe (1)

式(1)中：

M为结合相中的重金属浓度；

Ce为1mol/L HNO₃中重金属的浓度(μg/L)；

V_HNO3为加入HNO₃的体积；

Vgel为结合相的体积；

fe为重金属的洗脱因数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C中薄膜扩散梯度装置的重金属浓度的计算采用公式(2)

C_DGT＝MΔg/(D tA) (2)

式(2)中：

C_DGT为薄膜扩散梯度装置中的重金属浓度；

Δg为水凝胶扩散层厚度与半透膜厚度之和；

D为重金属在水凝胶扩散层中的扩散系数；

t为吸附时间(s)；

A为接触面积。