- 污泥干化蘆葦床蘆葦中多環(huán)芳烴的含量分布
- Distribution of PAHs in
Phragmites australis in Sludge Drying Reed Bed - 崔玉波, 孫紅杰, 冉春秋
- 土木建筑與環(huán)境工程 2013年35卷第5期 頁(yè)碼:13-18
- DOI:10.11835/j.issn.1674-4764.2013.05.003
-
紙質(zhì)出版日期:2013-10,
收稿日期:2013-03-12
-
引用本文
閱讀全文PDF
掃 描 看 全 文
到2010年底,中國(guó)城鎮(zhèn)污水污水處理能力達(dá)到1.22億m3,相應(yīng)的每年污泥產(chǎn)量近3 000萬(wàn)t(含水率80%),污泥處理與處置成為業(yè)內(nèi)急待解決的問(wèn)題。污泥中一方面含有豐富的N、P、K和有機(jī)質(zhì),是良好的肥料資源;另一方面它含有多種污染物,需要妥善處置。尤其是污泥中的難降解有機(jī)物質(zhì)如多環(huán)芳烴(PAHs)的存在,已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。PAHs具有較強(qiáng)的致癌和致突變性,許多國(guó)家都將其列入優(yōu)先控制污染物的黑名單中。以處理工業(yè)廢水為主產(chǎn)生的污泥中PAHs含量較高,有的甚至達(dá)到2 000 mg/kg[
污泥干化蘆葦床是利用植于人工濕地中的蘆葦對(duì)污泥進(jìn)行脫水和穩(wěn)定化處理的技術(shù),該技術(shù)始于歐洲,近年來(lái)對(duì)其研究和應(yīng)用呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)[
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
污泥干化蘆葦床系統(tǒng)位于大連開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠,由污泥泵、進(jìn)泥箱和蘆葦床組成。蘆葦床規(guī)格為3.0 m×1.0 m×1.3 m,其中高度由65 cm填料層和65 cm超高組成,超高部分為污泥積存提供空間。填料層由下至上依次為爐渣20 cm、礫石20 cm、粗砂5 cm、細(xì)砂20 cm。蘆葦床底部設(shè)直徑20 cm、長(zhǎng)3 m排水花管,污泥滲濾液經(jīng)填料層通過(guò)排水管排出。排水管沿長(zhǎng)1/3和2/3處設(shè)通風(fēng)管,直接與大氣相連。
1.2 試驗(yàn)運(yùn)行概況
試驗(yàn)分為3 a,第1 a為調(diào)整期,第2 a正常運(yùn)行,第3 a為自然穩(wěn)定期。
第1年五月中旬開(kāi)始啟動(dòng),蘆葦移植后,經(jīng)過(guò)25 d適應(yīng)性培養(yǎng),然后按間歇方式布泥。布泥周期為7 d,進(jìn)泥量600 L,進(jìn)泥時(shí)間約半小時(shí)。第1年共歷時(shí)18個(gè)周期,秋季蘆葦枯死后停止運(yùn)行。第2年系統(tǒng)從啟動(dòng)到結(jié)束共運(yùn)行了24個(gè)周期。2 a期間蘆葦床進(jìn)泥總厚度為8.4 m,污泥含水率、總懸浮固體(TSS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)濃度平均分別為99.14%、8.14 g/L和7.04 g/L,蘆葦床污泥負(fù)荷為41.3 kg (TSS) /(m2·a)。
蘆葦床進(jìn)泥的PAHs平均含量為5.69 mg/kg,以低環(huán)PAHs(包括2~3環(huán)的萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽)為主,占48.01%;中環(huán)PAHs(包括4環(huán)的芘、苯并(a)蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽)占33.14%,高環(huán)PAHs(包括5~6環(huán)的苯并[a]芘、茚并(1, 2, 3-cd)芘、二苯并(a, h)蒽、苯并(g, h, i)芘)占18.85%。
第3年末蘆葦床中污泥PAHs含量平均為1.86 mg/kg,其中低環(huán)PAHs占32.43%;中環(huán)PAHs占43.63%,高環(huán)PAHs占24.12%。
1.3 PAHs檢測(cè)方法
樣品經(jīng)自然風(fēng)干,研磨過(guò)100目篩,稱取1 g樣品于100 mL錐形瓶中,加入2 g無(wú)水硫酸鈉和1 g銅粉,加入60 mL正己烷二氯甲烷(1:1)混合溶劑,封口,超聲萃取90 min,離心(3 000 r/min)30 min,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后定容至4 mL,待用。
樣品提純:超聲萃取后樣品用柱層析方法提純。稱取2.0 g硅膠,3.0 g無(wú)水硫酸鈉(在600 ℃灼燒6 h)與少量正己烷于燒杯內(nèi)制成勻漿,濕法填裝層析柱。層析柱下端放入少量脫脂棉做支柱填料,加入0.3 g石英(60~80目,在130 ℃活化16 h),用10 mL正己烷潤(rùn)濕柱子,加入40 mL(1:1)二氯甲烷、正己烷洗脫樣品,將洗脫液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干,用高純氮?dú)獯祾叨ㄈ葜? mL樣品瓶中,用GC/MS以外標(biāo)法定量測(cè)定PAHs。
GC/MS條件:GC-2010型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津公司),色譜柱為SE-54型高分辨率彈性石英毛細(xì)管柱,柱長(zhǎng)30.00 m,內(nèi)徑0.25 mm,膜厚0.25 μm。柱溫升溫程序:100 ℃保持1 min,以5 ℃/min升至280 ℃,保持30 min。進(jìn)樣量1 μL。載氣為高純氮?dú),柱流?.88 mL/min,尾吹氣流速20 mL/min;柱前壓85.6 kPa;采用分流進(jìn)樣,分流比為10:1;進(jìn)樣口溫度280 ℃;檢測(cè)器溫度280 ℃;EI電離方式,電離能70 eV。全掃描測(cè)定方式的掃描范圍為100~400 amu。
2 結(jié)果與討論
2.1 原生蘆葦中PAHs的含量分布
蘆葦床運(yùn)行的第2年和第3年,分別取處于生長(zhǎng)末期的原生蘆葦樣品,檢測(cè)其PAHs含量,結(jié)果見(jiàn)
(mg·kg-1) | ||||
---|---|---|---|---|
PAHs代碼 | PAHs | 平均含量/10-1 | ||
根 | 莖 | 葉 | ||
1 | NaP(萘) | 0.021 | 0.375 | 0.195 |
2 | Acy(苊烯) | 0.307 | 1.334 | 0.464 |
3 | Ace(苊) | 0.628 | 2.038 | 1.491 |
4 | Fle(芴) | 1.760 | 4.177 | 1.552 |
5 | Phe(菲) | 2.203 | 4.156 | 1.570 |
6 | Ant(蒽) | 1.294 | 3.689 | 4.352 |
7 | Fla(熒蒽) | 0.116 | 1.092 | 0.845 |
8 | Pyr(芘) | 0.225 | 1.09 | 1.681 |
9 | BaA(苯并(a)蒽) | 0.329 | 0.445 | 1.082 |
10 | Chr(屈) | 0.146 | 0.932 | 5.959 |
11 | BbF(苯并[b]熒蒽) | 0.236 | 0.646 | 1.685 |
12 | BkF(苯并[k]熒蒽) | 0.226 | 0.268 | 1.750 |
13 | BaP(苯并[a]芘) | 0.059 | 0.059 | 0.656 |
14 | IcP(茚并(1, 2, 3-cd)芘) | 0.386 | 0.400 | 1.059 |
15 | DaA(二苯并(a, h)蒽) | 0.807 | 0.705 | 0.652 |
16 | BgP(苯并(g, h, i)芘) | 0.247 | 0.520 | 0.841 |
ΣPAHs | 8.990 | 21.930 | 25.830 |
原生蘆葦PAHs含量分布具有如下特征:1) PAHs總量:葉>莖>根,莖和葉中的PAHs含量相對(duì)較高,分別是根系的2.44和2.87倍;2) 蘆葦根莖葉所含PAHs中三環(huán)的Ace(苊)、Fle(芴)、Phe(菲)、Ant(蒽)含量較高,相對(duì)四環(huán)以上的成分較少;3) 蘆葦莖中二到三環(huán)的PAHs如NaP(萘)、Acy(苊烯)、Ace(苊)、Fle(芴)、Phe(菲)明顯高于根和葉;而四環(huán)以上的Pyr(芘)、BaA(苯并(a)蒽)、Chr(屈)、BbF(苯并[b]熒蒽)、BkF(苯并[k]熒蒽)、BaP(苯并[a]芘)、IcP(茚并(1, 2, 3-cd)芘)、BgP(苯并(g, h, i)芘)在蘆葦葉中的含量又明顯高于根和莖。
2.2 污泥干化蘆葦床中蘆葦PAHs的含量與分布
污泥干化蘆葦床運(yùn)行到第2年,分別取9月、10月和11月月底的蘆葦樣品,檢測(cè)其根莖葉所含PAHs的分布情況,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)
1 第2年蘆葦根PAHs含量變化
2 第2年蘆葦莖PAHs含量變化
3 第2年蘆葦葉PAHs含量變化
4 第3年蘆葦根莖葉PAHs含量變化
污泥干化蘆葦床中蘆葦各部位PAHs總量與原生蘆葦對(duì)比情況見(jiàn)
(mg·kg-1) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
部位 | 第2年 | 第3年 | 原生 | ||||
9月 | 10月 | 11月 | 11月 | 蘆葦 | |||
根 | 24.054 | 31.616 | 36.829 | 76.42 | 8.99 | ||
莖 | 33.184 | 41.779 | 35.278 | 77.13 | 21.93 | ||
葉 | 34.126 | 44.336 | 37.485 | 79.46 | 25.83 |
宏觀上看,2個(gè)蘆葦床中的蘆葦根莖所含PAHs主要為三環(huán)烴,另BbF(苯并[b]熒蒽)的含量相對(duì)較高;而蘆葦葉中除主要含三環(huán)烴外,四環(huán)以上的Pyr(芘)、Chr(屈)、BbF(苯并[b]熒蒽)、BkF(苯并[k]熒蒽)含量較高,尤其富含Chr(屈)。
處于負(fù)荷期第2年的蘆葦在生長(zhǎng)末期,蘆葦根系所含PAHs隨時(shí)間逐月增高,11月份達(dá)到最大值;莖和葉的PAHs含量在十月份達(dá)到最大值;根莖葉對(duì)PAHs產(chǎn)生了明顯的的富集作用。
處于自然穩(wěn)定期的第3年末,蘆葦根、莖和葉對(duì)PAHs的富集較原生蘆葦分別提高了850%、352%和308%;蘆葦根中含量最高的是Chr(屈),達(dá)1.64 mg/kg,含量最小的是NaP(萘),為0.032 mg/kg。蘆葦莖中含量最高的是Ant(蒽),達(dá)1.473 mg/kg,含量最小的是NaP(萘),為0.098 mg/kg。蘆葦葉中含量最高的是Phe(菲),達(dá)1.596 mg/kg,含量最小的是Fla(熒蒽),為0.087 mg/kg。
2.3 污泥干化蘆葦床蘆葦中PAHs的組成
蘆葦中高、中、低環(huán)PAHs百分組成列于
多環(huán)芳烴 | 占總量的百分比/% | ||
---|---|---|---|
根 | 莖 | 葉 | |
低環(huán) | 55.14 | 56.96 | 44.59 |
中環(huán) | 34.49 | 26.57 | 35.06 |
高環(huán) | 10.36 | 16.48 | 20.35 |
蘆葦根、莖、葉中所含PAHs的量具有低環(huán)>中環(huán)>高環(huán)特征;尤其是根和莖中低環(huán)多環(huán)芳烴占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),含量都超過(guò)50%;而高環(huán)多環(huán)芳烴在根、莖、葉中的含量呈升高趨勢(shì),即葉>莖>根。
低環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦莖中的含量最高,達(dá)56.96%,在葉中的含量最低,為44.59%;中環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦葉中的含量最高,達(dá)35.06%,在莖中的含量最低,為26.57%;高環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦葉中的含量最高,達(dá)20.35%,在根中的含量最低,為10.36%。
2.4 蘆葦粗脂肪和水分含量與PAHs含量的關(guān)系
粗脂肪和水分是植物體內(nèi)的重要物質(zhì),了解植物粗脂肪和水分含量對(duì)多環(huán)芳烴的影響是分析污染物在植物體內(nèi)遷移的重要依據(jù)。將蘆葦根、莖、葉中的粗脂肪和水分含量分別與多環(huán)芳烴含量做關(guān)系圖,如
5 蘆葦粗脂肪含量與多環(huán)芳烴含量關(guān)系
6 蘆葦水分含量與多環(huán)芳烴含量關(guān)系
可見(jiàn),蘆葦組織中多環(huán)芳烴含量與粗脂肪含量和水分含量之間的相關(guān)性存在顯著差異。蘆葦各部位多環(huán)芳烴總量與粗脂肪含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 6(R2),即粗脂肪含量越高,多環(huán)芳烴含量越大。而多環(huán)芳烴總量與植物水分含量沒(méi)有明顯的相關(guān)性。
2.5 討論
植物在全球PAHs循環(huán)中起到重要作用,PAHs在植物體內(nèi)的吸收途徑主要有:通過(guò)根系從土壤中吸收,然后再?gòu)母迪蚯o葉轉(zhuǎn)移;大氣中揮發(fā)性有機(jī)物在根系和幼苗上的吸附;從污染土壤或降塵中吸附在表皮,或通過(guò)吸收進(jìn)行滲透進(jìn)入植物體內(nèi)[
原生蘆葦所含PAHs可能通過(guò)根系從土壤中進(jìn)入,也可以從大氣通過(guò)氣相和顆粒沉積經(jīng)葉片吸收。葉片中的高PAHs含量暗示著這些PAHs來(lái)源于大氣中的氣相和顆粒沉積,大氣沉降成為植物葉子中PAHs的主要輸入途徑;而根系PAHs的低濃度源于其生存土壤的低PAHs含量[
植物修復(fù)是利用植物原位處理污染土壤、水、污泥的一種方法,植物可通過(guò)吸收、固定、揮發(fā)污染物,并能釋放一些分泌物、酶以利于降解有機(jī)污染物,并可刺激根區(qū)微生物的活性來(lái)進(jìn)行PAHs的污染修復(fù)[
Ren等報(bào)道了熒蒽、菲、奈對(duì)水萍的光誘導(dǎo)性毒害,認(rèn)為隨著苯環(huán)的增加其毒害癥狀趨于明顯[
植物體內(nèi)PAHs的含量與植物生長(zhǎng)環(huán)境中PAHs的含量、植物的品種有關(guān);同一植物不同部位的PAHs含量也不同;生長(zhǎng)在工廠附近的植物,根部PAHs總量甚至超過(guò)12.3 mg/kg,遠(yuǎn)大于內(nèi)源產(chǎn)生的PAHs [
Gao and Zhu研究了不同植物根系對(duì)PAHs的吸收,發(fā)現(xiàn)植物對(duì)PAHs的富集作用與土壤PAHs含量和植物構(gòu)成有關(guān)[
一旦PAHs被吸收,植物可以通過(guò)木質(zhì)化作用在新的植物中儲(chǔ)藏它們的殘片,可以代謝和礦化它們?yōu)樗投趸,還可以使它們揮發(fā)[18]。污泥中的PAHs在蘆葦體內(nèi)各部位主要以富集作用為主。
3 結(jié)論
1) 污泥干化蘆葦床中的蘆葦能夠有效富集污泥中的多環(huán)芳烴(PAHs),起到穩(wěn)定污泥中難降解有機(jī)物的作用。
2) 經(jīng)2 a的污泥負(fù)荷期和1 a的閑置期,污泥干化蘆葦床中的蘆葦根莖葉所含PAHs顯著增加,分別達(dá)到7.642、7.713、7.946 mg/kg(DW),是原生蘆葦根莖葉PAHs含量的8.50、3.52和3.08倍,且以低環(huán)PAHs為主,分別占根莖葉PAHs總量的55.14%、56.96%和44.59%。
3) 污泥干化蘆葦床蘆葦中的PAHs含量與其粗脂肪含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與植物含水量無(wú)關(guān)。