CN103262734B - 一种采用污泥修复液改善黑麦草生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用玉米芯隔层通过污泥修复液改善黑麦草生长的方法。本发明通过10-20mmol·kg^-1DTPA修复污泥后所获得的淋洗液代替营养液进行黑麦草培植，在修复风干污泥重金属的基础上，进一步研究淋洗液作为无土营养液进行草坪植物培植，实验结果表明：将风干污泥修复后的淋洗液加以利用，进行黑麦草无土培植，显著提高了黑麦草的叶绿素含量并且提高了种子萌发以及生物量。

Description

一种采用污泥修复液改善黑麦草生长的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及草坪植物无土培植的技术，特别是一种采用污泥修复液改善黑麦草生长的方法。

背景技术

污泥资源化利用即通过各种物理、化学及生物等方法与工艺，以改善污泥的组成成分与部分性质，使污泥中有价值的组分，或直接或重组或转化为其他能量形式而被回收利用。城市污泥资源化技术主要为土地利用、污泥燃料化和建材利用。

农用资源化是城市污泥最有发展前景的处置方法，利于城市和农业的可持续发展。污泥的土地利用主要包括污泥农用、污泥园林利用、污泥林地施用、污泥修复受损土壤利用等内容它不仅可以有效地利用污泥所含有的营养物质，而且费用低，消纳量大，被认为污泥最有发展潜力的处置方式。污泥中含有很高的N、P、K和有机质，并且含有许多植物所必需的微量营养元素，是一种经济有效的肥料来源，因此，污泥是可被植物利用的养分资源，是很好的土壤的改良剂和肥料。增加土壤有机质和N、P水平，并增加土壤生物活性。施用污泥处理的作物产量较高，且可满足后茬作物生长的营养需求。但污泥中的重金属以及病原菌含量仍是不可小觑的问题。污泥土地利用包括直接施用和间接施用两种。直接施用是将未经处理的污水污泥直接施用在土地上，如农业用地，林业用地；间接施用包括污泥消化后或堆肥化后的农用或制成复合肥料使用，这种方法一方面可以对污泥中的养分资源回用，另一方面可以减少污泥中的部分有害细菌，增加污泥的稳定性。据有关研究我国许多农田缺乏有机质，直接施用污泥或者堆肥后施用都会显著提高农产品的产量和质量。在我国，污泥的农业利用开始较早，如1961年北京高碑店污水处理厂的污泥被当地农民用于土地。但对污泥及污泥农用的研究起步较晚。

污泥堆肥化利用，会增加利用成本；因此，风干污泥直接利用，应具有重要的价值。但无论如何，污泥中的重金属是其安全利用的限制因素。

重金属是限制污泥大规模土地利用的最重要的因素，施用城市污泥的化学组成因污水来源而异，一般或多或少的含有一定量的Cu、Zn、Pb、Ni、Hg、Cr和Cd等重金属，如果长期施用，可能通过食物链危害人体健康，针对污泥中的重金属特点其处理通常有两种方法:一是污泥中重金属的去除，二是污泥中重金属的固化。

目前，我国已渐渐展开了城市污泥应用于园林绿地基质或肥料的科研工作，但城市污泥中含有高浓度的重金属，若想将其应用于实际必须去除其中的重金属，如何减少城市污泥中的重金属，防止重金属进入土壤和地下水产生二次污染成为要解决的一大问题。将城市污泥用作草坪基质，不但可以避开食物链，同时又解决了城市污泥的出路问题。污泥具有良好的理化性质、丰富的养分，是替代土壤作为草坪基质的较理想材料。一些草坪植物种能够在重金属污染较重的基质中生长，且生长速度快、再生能力强，污泥的土地利用具有非常重要的意义，对作为绿化及牧草的黑麦草在污泥施用后一些性状进行了研究，作用是非常明显的。在化学方法和生物方法协同植物修复垃圾堆肥中重金属具有较大的应用价值。因此垃圾堆肥作为草坪基质的同时其重金属又能得到草坪植物的修复。

一些草坪植物种能够在重金属污染较重的基质中生长，且生长速度快、再生能力强，在化学方法协同植物修复中具有较大的应用价值。此外，还可以用污泥淋洗液培植无土草皮，加入螯合剂的再淋洗下的淋洗液，含有有机质、全氮、有效磷及其它营养元素含量显著高于对照土壤淋洗液，能够充分满足草坪植物生长需要，经淋洗后的污泥的重金属含量就减少可以应用于实际。因此，利用污泥修复淋洗液进行草皮培植的技术，为风干污泥的多途径利用提供科技支撑。

发明内容

本发明公开了一种污泥重金属防渗的玉米芯隔层，其特征在于它是由下述原料组成：

40-60 g蛭石+40-80 g沸石+60 -100g玉米芯。

本发明进一步公开了采用玉米芯隔层通过污泥修复液改善黑麦草生长的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）在PVC管中，下端封棉布和尼龙网，装入1000g风干的园土，铺平，再装入750 g混合基质；所述的混合基质指的是：污泥：园土的重量份数比为1:2，污泥铺平于园土之上；

（2）在PVC管园土和混合基质间加一隔层；所述的隔层是由40-60g蛭石+40-80 g沸石+60 -100g玉米芯组成；

（3）PVC管中播种1.0 g黑麦草种子，用自来水浇灌，培养期间正常供水，保持其整体田间持水量为60%；种植期间室内的温度和相对湿度分别为16-25°C和36-57%，光照强度为450-700 μmol?m^-2?s^-1；

（4）黑麦草播种30 天后，将10-20 mmol·kg^-1的水溶液，一次性施于混合基质表面；然后对草坪草进行刈割，刈割后第二天用300 mL人工酸雨对黑麦草进行第一次淋洗，之后每7 d淋洗一次，每次都用300 mL的人工雨水淋洗，共淋洗5次，收集淋洗液备用；

所述的人工雨水淋洗指的是：用(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄配制出SO₄ ^2-、NO^3-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的雨水，并用HCl调配pH为5.59-5.61。

（5）在培养皿底部铺一层滤纸，实验选用步骤（4）的5%淋洗液培养黑麦草，选取籽粒饱满、大小均匀的黑麦草种子200粒播于培养皿中，通过每天的水分管理保证基质水分条件，并保持到试验结束，每天根据蒸发量加入相同体积的淋洗液；试验在实验室内的植物培养台上进行，温度为16～22 °C，相对湿度为36～57%，光照条件为自然入射光，试验期为30天，然后进行指标的测定。

本发明同时也公开了采用污泥修复液改善黑麦草生长方法在制备提高黑麦草叶绿素含量及种子萌发中的应用。

本发明将前期实验中施加不同处理DTPA修复污泥后所获得的淋洗液代替营养液进行黑麦草培植，在修复风干污泥重金属的基础上，进一步研究淋洗液作为草皮培植无土营养液对草坪植物初期生长的影响及草坪植物对淋洗液中重金属富集的规律，目的在于为风干污泥重金属修复过程中淋洗液的合理利用提供依据，在进行污泥淋洗修复的同时，又可获得草皮无土栽培基质，节省宝贵的土壤资源，具有一定的实践应用价值。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 材料与方法

1.1 实验材料

选用多年生黑麦草（Lolium perenne）为实验植物；污泥采自天津纪庄子污水处理厂，自然条件下风干。污泥（sewage sludge，简称SS）取自天津纪庄子污水处理厂，其理化性质为含水率为6.2%，pH 6.8，总氮为3.65%，总磷为1.64%，总炭为29.33%，钾、钙、镁营养金属元素含量分别为17235.5 mg/kg、22614 mg/kg和2440 mg/kg，重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量分别为3.23μg·g^-1、8.75μg·g^-1、180μg·g^-1、246μg·g^-1、1189μg·g^-1。园土取自天津师范大学院内，玉米芯烘干后粉碎过60目筛。玉米芯的理化性质为含水量9.6%，重金属Cu、Pb和Zn的含量分别为35、16和289 μg·g^-1；Cd、Cr未检测到。

土壤性质为：pH 8.30，有机质含量4.68%，全氮0.21%，全磷22.03 mg·kg^-1，饱和含水量0.58 ml·g^-1，其重金属Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的背景值分别为0.18、2.13、9.33、5.75和35.57 μg·g^-1。

1.2人工雨水制备和淋洗液的获得

根据调查全天津市降水pH值范围为4.00-8.24，年均值为5.59，属酸性降水。本实验用(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄配制出SO₄ ^2-、NO^3-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的雨水，并用HCl调配pH为5.59。

在前期的污泥重金属修复研究中，共设6个处理，分别为：① 0 mmol·kg^-1 DTPA+黑麦草（Ⅰ）；②10 mmol·kg^-1 DTPA +黑麦草（Ⅱ）；③20 mmol·kg^-1 DTPA +黑麦草（Ⅲ）；④10 mmol·kg^-1 DTPA+隔层+黑麦草（Ⅳ）；⑤20 mmol·kg^-1 DTPA+隔层+黑麦草（Ⅴ）；⑥20 mmol·kg^-1 DTPA无植物（Ⅵ）。实验容器为内径11 cm的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，在高20 cm的PVC管中首先装入1000 g风干的园土，铺平，再装入750 g混合基质（风干污泥和园土的质量比为1:2，充分混合后高度为8 cm），铺平于园土之上；在高24 cm的PVC管园土和混合基质间加一隔层（40 g蛭石+40 g沸石+40 g 60目玉米芯）。除了处理Ⅵ不种植物外，其余5个处理的PVC管中均播种1.0 g黑麦草种子，用自来水浇灌。培养期间正常供水，以维持植物生长所需。黑麦草播种30天后，将浓度分别为0、10、20 mmol·kg^-1 DTPA溶于蒸馏水施于混合基质表面。10天后将草刈割，刈割后第二天用300 mL人工酸雨进行第一次淋洗。本实验参考了天津地区6、7月份的日降水情况， 以4年的日最大降水量为日浇灌量，采用模拟集中降水的淋洗法， 研究了螯合诱导修复过程中重金属的淋滤行为。根据韩毓（2008）调查全天津市降水pH值范围为4.00-8.24，年均值为5.59，属酸性降水。本实验配制SO₄ ^2-、NO₃ ^-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的模拟雨水，并用HCl调pH为5.59。在第一次淋洗之后，每7 d淋洗一次每次300 mL，共淋洗5次，收集淋洗液备用。

1.3 研究方法

    培养容器为直径10.0 cm的培养皿，底部铺一层滤纸。实验选用上述获得的6个处理淋洗液培养黑麦草，淋洗液的浓度为5%（10 mL的原液配成200 mL），对照采用Hoagland’s营养液。选取籽粒饱满、大小均匀的黑麦草种子200粒播于每一培养皿中，每一处理3次重复。通过每天的水分管理保证基质水分条件，并保持到试验结束，每天根据蒸发量加入相同体积的淋洗液。试验在实验室内的植物培养台上进行，温度为16～22 °C，相对湿度为36～57%，光照条件为自然入射光，试验期为30天。

1.4 指标测定

种子萌发指标的测定：待黑麦草种子萌发后，每天记录萌发数，直至萌发稳定，连续观测8 d。播种后30 d收获，进行地上生物量的测定，将其地上部刈割后称鲜重，再将其置于烘箱中，80°C条件下烘干至恒重。叶绿素含量的测定：称取0.2 g鲜草样，采用丙酮-乙醇混合液法于633 nm和645 nm波长下比色，计算叶绿素含量（华东师大生物系植物生理教研组，1984）。重金属含量的测定：准确称取0.1 g左右干草样，用硝酸：高氯酸：硫酸（8∶1∶1） 消解后，所得溶液用蒸馏水定容至25 mL；淋洗液用HNO₃和HClO₄在120-140℃下消化，所得溶液用蒸馏水定容到50 mL，最后利用TAS-990原子吸收分光光度计测定消化液中重金属（Cu、Cd、Cr、Pb和Zn）含量。

1.5 数据处理

采用SPSS11.5软件Duncan法对所得数据进行多组样本间差异显著性分析。

2 研制结果与分析

2.1 淋洗液的背景分析

淋洗液背景值见表1，淋洗液含有丰富的矿质营养元素，能够满足草坪植物生长所需且Na、Ca和Mg含量也较高。淋洗液中同一重金属的浓度在不同处理下差异明显，各个处理的淋洗液中重金属含量与处理Ⅵ（对照组）相比10 mmol·kg^-1DTPA协同由沸石、蛭石和玉米芯组成隔层对风干污泥中的重金属的修复最为有效，且对阻碍重金属向下迁移最为显著。参照国家关于地下水质量的标准（GB/T14848-93），本实验淋洗液重金属含量均属于V类水质，Cd、Cr、Cu、Zn和Pb 5种重金属含量均超标，因此淋洗液若不经过处理直接排放到环境中去，势必会对地下水和深层土壤造成污染。

表1淋洗液背景值

 

注：同行数据中不同字母表示差异显著P<0.05。

2.2 淋洗液处理对黑麦草种子萌发动态的影响

所有处理的黑麦草在播种4天后开始萌发，8 d后基本达到稳定（表2）。在播种后4-6天，各淋洗液处理种子萌发数要少于对照营养液处理，尤其是在污泥修复过程中20 mmol·kg^-1 DTPA未种植物获得的淋洗液处理Ⅵ，显著低于对照（P<0.05），其他各淋洗液处理间差异不显著。播种后7-11天，除处理Ⅵ外，其他各淋洗液处理的种子萌发数与对照比较差异不显著。萌发稳定时，处理Ⅵ种子萌发比对照组下降了18%，表明该处理淋洗液对黑麦草种子的萌发有着明显的抑制作用。

表2不同处理下的黑麦草萌发动态（个）

注：同列数据中不同字母表示差异显著P<0.05。

2.3淋洗液处理对黑麦草地上生物量及叶绿素的影响

各不同淋洗液处理下，黑麦草地上生物量（干重）见表3。方差分析表明，除处理Ⅵ显著低于对照 （P < 0. 05 ）外，其它各淋洗液处理与对照间差异不显著，各淋洗液处理间也无显著差异。

叶绿素含量是反映草坪观赏性能和生长状态的重要指标。由表4可见，与对照相比，用各淋洗液培养的黑麦草叶绿素含量都有不同程度的增加，且总体差异显著（P < 0. 05），6个淋洗液处理的叶绿素含量比对照提高了27.9%-91.2%。

表3不同处理下黑麦草的地上生物量（g/皿）

注：同行数据中不同字母表示差异显著P <0.05。

表4不同处理对黑麦草叶绿素含量的影响（mg·g^-1 FW）

注：同列数据中不同字母表示差异显著P<0.05

3 研制结论

将风干污泥修复后的淋洗液加以利用，进行黑麦草无土培植，显著提高了黑麦草的叶绿素含量并且提高了种子萌发以及生物量。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。其中污泥的性质如下：含水率为4.5%，pH 值为6.9，总氮为3.25%，总磷为0.94%，总碳为25.98%，钾、钙、镁营养金属元素含量分别为14327.5 mg·kg^-1，23509 mg·kg^-1和4410mg·kg^-1。重金属Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的含量分别为2.01、1.875、140、203.25和1375.62 μg·g^-1 。

玉米芯的理化性质为含水量9.6%，重金属Cu、Pb和Zn的含量分别为35、16和289 μg·g^-1；Cd、Cr未检测到。

土壤性质为：pH 8.30，有机质含量4.68%，全氮0.21%，全磷22.03 mg·kg^-1，饱和含水量0.58 ml·g^-1，其重金属Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的背景值分别为0.18、2.13、9.33、5.75和35.57 μg·g^-1。

实施例1

玉米芯隔层，其特征在于它是由40g蛭石+40 g沸石+60g玉米芯组成。

（1）在PVC管中，下端封棉布和尼龙网，装入1000g风干的园土，铺平，再装入750 g混合基质；所述的混合基质指的是：污泥：园土的重量份数比为1:2，污泥铺平于园土之上；

（2）在PVC管园土和混合基质间加一隔层；所述的隔层是由40-60g蛭石+40-80 g沸石+60 -100g玉米芯组成；

（3）PVC管中播种1.0 g黑麦草种子，用自来水浇灌，培养期间正常供水，保持其整体田间持水量为60%；种植期间室内的温度和相对湿度分别为25°C和36%，光照强度为450 μmol?m^-2?s^-1；

（4）黑麦草播种30 天后，将浓度为10 mmol·kg^-1 DTPA的水溶液，一次性施于混合基质表面；然后对草坪草进行刈割，刈割后第二天用300 mL人工酸雨对黑麦草进行第一次淋洗，之后每7 d淋洗一次，每次都用300 mL的人工雨水淋洗，共淋洗5次，收集淋洗液备用；

所述的人工雨水淋洗指的是：用(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄配制出SO₄ ^2-、NO^3-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的雨水，并用HCl调配pH为5.59。

（5）在培养皿底部铺一层滤纸，实验选用步骤（4）的5%淋洗液培养黑麦草，选取籽粒饱满、大小均匀的黑麦草种子200粒播于培养皿中，通过每天的水分管理保证基质水分条件，并保持到试验结束，每天根据蒸发量加入相同体积的淋洗液；试验在实验室内的植物培养台上进行，温度为18℃，相对湿度为40%，光照条件为自然入射光，试验期为30天，然后进行指标的测定；

实施例2

玉米芯隔层，其特征在于它是由40g蛭石+60 g沸石+100g玉米芯组成。

（1）在PVC管中，下端封棉布和尼龙网，装入1000g风干的园土，铺平，再装入750 g混合基质；所述的混合基质指的是：污泥：园土的重量份数比为1:2，污泥铺平于园土之上；

（2）在PVC管园土和混合基质间加一隔层；所述的隔层是由40g蛭石+60g沸石+100g玉米芯组成；

（3）PVC管中播种1.0 g黑麦草种子，用自来水浇灌，培养期间正常供水，保持其整体田间持水量为60%；种植期间室内的温度和相对湿度分别为25°C和50%，光照强度为600 μmol?m^-2?s^-1；

（4）黑麦草播种30 天后，将浓度为15mmol·kg^-1 DTPA水溶液，一次性施于混合基质表面；然后对草坪草进行刈割，刈割后第二天用300 mL人工酸雨对黑麦草进行第一次淋洗，之后每7 d淋洗一次，每次都用300 mL的人工雨水淋洗，共淋洗5次，收集淋洗液备用；

所述的人工雨水淋洗指的是：用(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄配制出SO₄ ^2-、NO^3-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的雨水，并用HCl调配pH为5.61。

（5）在培养皿底部铺一层滤纸，实验选用步骤（4）的5%淋洗液培养黑麦草，选取籽粒饱满、大小均匀的黑麦草种子200粒播于培养皿中，通过每天的水分管理保证基质水分条件，并保持到试验结束，每天根据蒸发量加入相同体积的淋洗液；试验在实验室内的植物培养台上进行，温度为22 ℃，相对湿度为50%，光照条件为自然入射光，试验期为30天，然后进行指标的测定。

Claims (2)

1.一种采用玉米芯隔层通过污泥修复液改善黑麦草生长的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）在PVC管中，下端封棉布和尼龙网，装入1000g风干的园土，铺平，再装入750 g混合基质；所述的混合基质指的是：污泥：园土的重量份数比为1:2，污泥铺平于园土之上；

（2）在PVC管园土和混合基质间加一隔层；所述的隔层是由40-60g蛭石+40-80 g沸石+60 -100g玉米芯组成；

（3）PVC管中播种1.0 g黑麦草种子，用自来水浇灌，培养期间正常供水，保持其整体田间持水量为60%；种植期间室内的温度和相对湿度分别为16-25°C和36-57%，光照强度为450-700 μmol· m^-2· s^-1；

（4）黑麦草播种30 天后，将浓度为10-20 mmol·kg^-1 DTPA水溶液，一次性施于混合基质表面；然后对草坪草进行刈割，刈割后第二天用300 mL人工酸雨对黑麦草进行第一次淋洗，之后每7 d淋洗一次，每次都用300 mL的人工雨水淋洗，共淋洗5次，收集淋洗液备用；

所述的人工雨水淋洗指的是：用(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄配制出SO₄ ^2-、NO^3-、Cl^-、NH⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺浓度分别为14.96、6.54、1.68、3.71、0.82、1.38、0.64和0.78 mg·L^-1的雨水，并用HCl调配pH为5.59-5.61；

（5）在培养皿底部铺一层滤纸，实验选用步骤（4）的5%淋洗液培养黑麦草，选取籽粒饱满、大小均匀的黑麦草种子200粒播于培养皿中，通过每天的水分管理保证基质水分条件，并保持到试验结束，每天根据蒸发量加入相同体积的淋洗液；试验在实验室内的植物培养台上进行，温度为16～22 °C，相对湿度为36～57%，光照条件为自然入射光，试验期为30天，然后进行指标的测定。

2.权利要求1所述采用玉米芯隔层通过污泥修复液改善黑麦草生长的方法在提高黑麦草叶绿素含量及种子萌发中的应用。