CN104844281B - 环草隆在调控生活垃圾堆肥复合重金属形态方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了环草隆(Siduron)在调控生活垃圾堆肥复合重金属形态方面的应用,包括Siduron增加了复合重金属堆肥中交换态和碳酸盐结合态的比例。实验结果证明:10‑20mmol/kgSiduron显著降低了残渣态重金属的含量,增强堆肥中结合态重金属的总含量。本发明的实验结果证明:Siduron与堆肥复合重金属的耦合作用使得堆肥中的重金属从非生物有效态向生物有效态转化。本发明为调节垃圾堆肥基质重金属有效态含量,实现其协调修复垃圾堆肥基质复合重金属提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域,涉及环草隆(Siduron)在调控生活垃圾堆肥复合重金属形态方面的应用。
背景技术
生活垃圾即城市人们日常生活中排弃的固体废弃物的统称,我国对城市生活垃圾的处理多采用堆肥技术。城市生活垃圾堆肥含有磷、氮、钾和有机质等多种植物生长所需营养物质,可作为有机肥料应用于农业。垃圾堆肥中的养分能够使养分中的有机质含量增加11.81%-72.12%。有研究表明生活垃圾堆肥的施用能够显著提高大白菜产量。研究发现利用生活垃圾堆肥做为基质种植茶树,比对照组增产7%左右。而将生活垃圾堆肥作为组配基质替代耕层土壤生产草皮,则是垃圾堆肥应用的另一有效方式。以生活垃圾堆肥为主体材料来培植草坪植株,实验证明所用组配基质能够培植草皮,与土壤相比综合性能较强,各应用生态性能如杂草控制和节水等性能良好;通过研究草坪草对复合城市生活垃圾堆肥基质的生态响应得出,用生活垃圾堆肥来替代土壤具有一定的资源开发潜力。
但由于我国大部分的城市垃圾种类繁杂且未经处理,许多废旧电子产品和生活垃圾共同堆放,造成生活垃圾堆肥中重金属含量较高,并且会随着降雨渗滤到土壤和地下水中,引起土壤的重金属污染;同时,重金属的生物有效部分可能导致土壤表面的植物体内重金属含量较高,并通过食物链在人体中聚集,给人体健康带来了巨大危害。
有人通过以生菜为供实植株发现堆肥的施用对其产量有明显的增产作用,但植株体内重金属含量随之增多。有学者研究了连续使用垃圾堆肥对土壤中重金属累积及生物有效性重金属含量的影响,结果发现,连续使用垃圾堆肥土壤中重金属含量会持续升高,而生物有效性重金属含量也随着升高。垃圾堆肥中的重金属比土壤中固有的重金属生物有效性更高,植物更容易利用。有研究表明在实验中发现玉米籽粒中Cr、Cd的含量随堆肥施加量增加而增加,与对照相比增幅达到38.6%—450%。有人研究堆肥对小麦体内重金属积累的影响发现,小麦体内的重金属富集量与堆肥用量同样成正相关。因此,城市生活垃圾堆肥由于在促进植株生长的同时也增加了植株重金属的富集,限制了生活垃圾堆肥的广泛应用。
农药的广泛应用,为世界各国的农业生产发展做出了巨大贡献。我国作为农业大国促使了农药工业从无到有直至壮大并形成一个协同发展的体系;农药的使用在促进了我国农业生产发展。另一方面,生活垃圾堆肥也常以有机肥料的形式作为草坪基质或施加到农田中。尽管其本身还有多种较高浓度重金属,如Cd、Cr、Cu、Pb和Zn等。这样利用农药物对生活垃圾堆肥中的重金属进行调控一,对生活垃圾堆肥的安全利用具有重要的意义。
重金属在土壤中以一定形态进行迁移传输,单个污染物质构成的污染虽然时有发生,但真正意义上由于污染具有的伴生性和综合性。基质粒径组成、有机质含量以及氧化还原条件等元素决定着重金属元素含量。元素总量单一指标很难反映重金属的地球化学特征。重金属的生物毒性和对环境的风险程度更大程度上由其形态分布所决定。基质中的重金属按照提取顺序可以分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态。环境中重金属的不同形态会直接影响到重金属的迁移、毒性及在自然界的循环。其中,可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态由于可以被植物直接吸收所以总量可以作为活性态重金属的指标,称为有效态。有效态重金属是环境中较活跃的形态,所以通过研究重金属在环境中的有效态分布特征来反应污染物的危害程度具有较为重要的意义。
有研究发现大量Siduron在农业中广泛应用,但是Siduron对于垃圾堆肥中重金属化学形态影响的研究未见报道,值得探讨。由于生活垃圾堆肥中具有较高含量的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等重金属,是一种复合污染体系。
发明内容
本发明以垃圾堆肥作为实验材料,选用Siduron作为研究对象,通过室内培养,利用添加不同浓度的Siduron对垃圾堆肥中重金属各形态的变化,意义在为调节垃圾堆肥基质重金属有效态含量,实现其协同修复垃圾堆肥基质复合重金属提供技术支撑。
为实现上述目的,本发明公开了如下的技术内容:
Siduron在调控生活垃圾堆肥复合重金属形态方面的应用,包括Siduron增加了复合重金属堆肥中交换态和碳酸盐结合态的比例。其中所述调控生活垃圾堆肥复合重金属形态指的是10-20mmol/kgSiduron对堆肥复合重金属交换态及碳酸盐结合态的影响。其测定方法为:
(1)采用PVC管Φ=3cm,h=25cm,下端封以一层棉布和尼龙网,每根管中加入160g堆肥,将堆肥+10mmol/kgSiduron;堆肥+20mmol/kgSiduron的水溶液40ml并加入到堆肥中;实验期间温度为19~27 ℃,相对湿度为60%~72%;
(2)在自然光照条件下每天给堆肥补充水分,采用滴加的方式进行加水,以防补充水分的过程中有渗漏液流出造成重金属损失,采用称重法调整含水量,使其保持恒定,使堆肥基质中水分含量达到最大持水量70%,熟化45 d后取样,分析重金属形态。
本发明所述的调控生活垃圾堆肥复合重金属形态指的是10mmol/kgSiduron降低残渣态重金属的含量。所述的重金属指的是:Cd、Cr、Pb和Zn。
本发明更加详细的描述如下:
1研制材料与方法
1.1 实验材料
选取购自天津市小淀垃圾堆肥处理厂的生活垃圾堆肥作为基质。实验前将垃圾堆肥中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃等大块杂物去除。风干后,过2 mm筛,备用。堆肥理化性质为: pH 7.62,有机质含量221.25 g·kg-1,全氮13.48 g·kg-1,有效磷0.078 g·kg-1,C/N是8.37,饱和含水量0.76 mL·g-1,容重0.85 g·mL-1;重金属(Cd、Cr、Cu、Pb、Zn)含量分别为1.97、67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg-1。
Siduron (环草隆) 为草皮专用除草剂,化学名称为N-(2-甲基环己基)-N-苯基脲,分子式为C14H20N2O,相对分子质量为232.32。结构式如下:
本试验所用Siduron购自郑州市草坪安全园林植物保护技术研究所,纯度为99.5%的分析纯。
1.2 人造雨水的制备
模拟自然条件下降水对基质环境的淋洗,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-、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的雨水,并用HCl调配pH为5.59。
1.3实验设计
实验共设3个处理: 堆肥+10mmol/kg Siduron(V);堆肥+20mmol/kg Siduron(VI)。每组处理3次重复。
试验容器为PVC管(Φ=3cm,h=25cm),下端封以一层棉布和尼龙网,每根管中加入160g堆肥。将各处理配比成设定好的浓度的水溶液40ml并加入到堆肥中。对照组中则加入相同体积的自来水。实验期间温度为19~27 ℃,相对湿度为60%~72%,在自然光照条件下每天给堆肥补充水分,采用滴加的方式进行加水,以防补充水分的过程中有渗漏液流出造成重金属损失。采用称重法调整含水量,使其保持恒定,使堆肥基质中水分含量达到最大持水量70%左右。熟化45 d后取样,分析重金属形态。
1.4 分析方法
堆肥中重金属形态分级采用欧洲共同体标准物质局提出的BCR三步提取法,共分为可交换态和碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物及硫化物结合态和残渣态4种组分(表1)。
表1 堆肥重金属的BCR提取方法
实验所用试剂均为分析纯,所用器皿用2 mol·L-1的硝酸清洗,并用去离子水清洗3遍,然后在通风橱内晾干。滤液中重金属(Cd、Cr、Cu、Pb和Zn)含量采用TAS-990原子吸收仪测定。
1.5 数据处理
文中数据都是3次重复的平均值以及标准差,采用SPSS 11.7软件对所得数据进行比较均值中的单因素ANOVA统计分析。
2 研制结果分析
2.1 Siduron对堆肥复合重金属交换态及碳酸盐结合态的影响
由表2可见,堆肥中重金属交换态及碳酸盐结合态中,20mmol/kg Siduron组中的Cd最大,在全量中占5.73%,而最低的是对照组中的Cu,仅占全量的0.44%。添加Siduron后均提高了各重金属交换态及碳酸盐结合态含量在全量中所占比例。尤其是,10mmol/kgSiduron组最为显著,20mmol/kg Siduron组使Cd和Pb的交换态及碳酸盐结合态比例为最高,分别比对照增加了128.3%和176.9%;而Cu和Zn的交换态及碳酸盐结合态比例,在10mmol/kg Siduron组的作用下,分别比对照增加了254.54%和114.28%。
表2 Siduron对重金属交换态及碳酸盐结合态的影响(%)
注:表中的数值代表各重金属的交换态及碳酸盐结合态所占堆肥中此种重金属总量的比例。
2.2Siduron对堆肥复合重金属Fe/Mn 氧化物结合态的影响
Siduron对堆肥中重金属Fe/Mn 氧化物结合态含量的影响见表3。堆肥中重金属Fe/Mn 氧化物结合态所占比例以Zn为最小,Pb为最大。各处理组均对显著提高了Zn和Cd的Fe/Mn 氧化物结合态比例。
表3 Siduron对重金属Fe/Mn 氧化物结合态的影响(%)
注:表中的数值代表各重金属的Fe/Mn 氧化物结合态所占堆肥中此种重金属总量的比例。
2.3 Siduron对堆肥复合重金属有机物及硫化物结合态的影响
堆肥中重金属有机物及硫化物结合态含量见表4。添加不同浓度的Siduron后,对重金属有机物及硫化物结合态所占比例影响有所差异。除10mmol/kg Siduron组对于Cu的有机物及硫化物结合态比例相比CK提高了9.01%。
表4 Siduron对重金属有机物及硫化物结合态的影响(%)
注:表中的数值代表各重金属的有机物及硫化物结合态所占堆肥中此种重金属总量的比例。
2.4Siduron对堆肥复合重金属残渣态的影响
表5中的数据显示的是添加不同浓度的Siduron对堆肥中重金属残渣态含量的影响。堆肥中各重金属残渣态含量均较高,对照组中最高的为Pb,而最低的Cd。添加了Siduron后,各处理组均显著降低了Cd、Cr、Pb和Zn中重金属残渣态所占比例。
表5 Siduron对重金属残渣态的影响(%)
注:表中的数值代表各重金属的残渣态所占堆肥中此种重金属总量的比例。
2.5 Siduron对结合态重金属含量影响综合评价
重金属的次生相是重金属交换态及碳酸盐结合态、Fe/Mn 氧化物结合态、有机物及硫化物结合3种形态的统称。其是通过原生矿物经风化破坏所释放出的重金属在各种物理化学作用下与土壤各相重新结合形成的。通过与对照相比发现,堆肥中结合态重金属含量都出现了不同程度的提高。20mmol/kg Siduron组使重金属Cr和Pb的次生相总量增加了120.62%和181.95%;10mmol/kg Siduron组使重金属Cu的次生相总量提高了38.92%;以上处理组对重金属次生相的影响最为显著。通过该表可以发现Siduron的添加均显著增加了重金属有效态的含量,因此有可能会增加植物对重金属的吸收。
表6 Siduron对重金属次生相的影响(%)
3 研制结论
Siduron较为显著的增加了堆肥中交换态和碳酸盐结合态的比例,20mmol/kgSiduron对于Cd影响最为显著,10mmol/kg Siduron极大地增加了Cu和Zn交换态和碳酸盐结合态的比例,而20mmol/kg Siduron处理组中达到了最大比例。各处理组对Cd、Pb的铁锰氧化态物结合态比例以及Cd、Cr、Pb和Zn的有机硫化物结合态比例均有显著提高,证明了Siduron可以耦合重金属的这两种形态。Siduron的加入,显著降低了残渣态重金属的含量,增强堆肥中结合态重金属的总含量。Siduron与重金属的耦合作用使得堆肥中的重金属从非生物有效态向生物有效态转化。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施,提供下述制备方法实施实例。这些实施实例仅仅是解释、而不是限制本发明的范围。需要特别说明是:本发明所用到的试剂均有市售。
实施例1
其测定方法为:
(1)采用PVC管Φ=3cm,h=25cm,下端封以一层棉布和尼龙网,每根管中加入160g堆肥,将堆肥+10mmol/kg Siduron的水溶液40ml并加入到堆肥中;实验期间温度为19 ℃,相对湿度为60%%;
(2)在自然光照条件下每天给堆肥补充水分,采用滴加的方式进行加水,以防补充水分的过程中有渗漏液流出造成重金属损失,采用称重法调整含水量,使其保持恒定,使堆肥基质中水分含量达到最大持水量70%,熟化45 d后取样,分析重金属形态。
实施例2
其测定方法为:
(1)采用PVC管Φ=3cm,h=25cm,下端封以一层棉布和尼龙网,每根管中加入160g堆肥,将堆肥+20mmol/kg Siduron的水溶液40ml并加入到堆肥中;实验期间温度为27 ℃,相对湿度为72%;
(2)在自然光照条件下每天给堆肥补充水分,采用滴加的方式进行加水,以防补充水分的过程中有渗漏液流出造成重金属损失,采用称重法调整含水量,使其保持恒定,使堆肥基质中水分含量达到最大持水量70%,熟化45 d后取样,分析重金属形态。
Claims (2)
1.环草隆(Siduron)在调控生活垃圾堆肥复合重金属形态方面的应用,所述调控生活垃圾堆肥复合重金属形态指的是向生活垃圾堆肥中添加增加了堆肥中复合重金属交换态及碳酸盐结合态的比例、添加降低了残渣态重金属的含量。
2.权利要求1所述的应用,其测定方法为:
(1)采用PVC管Φ=3cm,h=25cm,下端封以一层棉布和尼龙网,每根管中加入160g堆肥,将堆肥+10mmol/kgSiduron;堆肥+20mmol/kgSiduron的水溶液40ml并加入到堆肥中;实验期间温度为19~27 ℃,相对湿度为60%~72%;
(2)在自然光照条件下每天给堆肥补充水分,采用滴加的方式进行加水,以防补充水分的过程中有渗漏液流出造成重金属损失,采用称重法调整含水量,使其保持恒定,使堆肥基质中水分含量达到最大持水量70%,熟化45 d后取样,分析重金属形态。
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