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城市污泥问题和土壤重金属污染严重威胁环境质量和居民健康,因此城市污泥无害化和重金属污染土壤修复的研究颇受关注。筛选有效的钝化材料钝化城市污泥和土壤中的重金属,可以降低植物对重金属的吸收,提高农产品卫生品质,且该方法成本低、操作方便,宜广泛应用。因此,开展重金属钝化研究对解决城市污泥和土壤重金属污染问题意义重大。本文选用对重金属有效钝化功能的含磷物质(MP、KP、CaP),开展城市污泥好氧发酵及发酵产物土地农用过程中重金属镉和铅的水溶态活性、提取态有效性、植物吸收性试验,筛选出经济适用的Cd、Pb钝化剂。研究结果为中国城市污泥合理处置与重金属污染土壤修复提供理论指导和参数支持。 本文主要研究结果如下: (1)阐明钝化材料对污泥好氧发酵过程中Cd和Pb活性的影响,筛选出MP的钝化效果最佳:未钝化处理的污泥经过好氧发酵后,Cd的交换态、氧化态和残渣态比例降低,还原态比例增加;Pb的交换态和氧化态比例降低,还原态和残渣态比例增加;发酵产物中Cd主要以还原态形式存在(57%),Pb主要以残渣态形式存在(58%)。添加MP,可以抑制污泥好氧发酵过程中残渣态Cd向其他不稳定形态转化,促进Pb向稳定的残渣态转化。经MP钝化处理后,污泥发酵产物中水溶态Cd和Pb含量分别降低到1.2-2.7μg/kg和2.6-5.4μg/kg;且随着添加量的增加,重金属水溶态降低效果越好,添加7.5%的MP处理与CK相比,水溶态Cd和Pb分别降低89%和53%。 (2)揭示含磷材料对污泥中Cd和Pb的钝化机理:污泥发酵物料与MP的吸附-解吸试验证实,MP对Cd的作用主要是依靠材料的单层和多层吸附作用,降低介质中Cd的活性。污泥发酵前后水溶态磷与水溶态Pb呈显著的负相关,MP促进Pb向残渣态转化证实,MP对Pb的钝化作用主要是溶解出的磷酸根与游离态的Pb结合形成难溶的沉淀,降低Pb的活性。 (3)添加MP、KP和CaP对污泥的好氧发酵过程没有不利影响。MP钝化处理的发酵产物脱水效果最好,含水率为45%左右,对物料的pH和EC影响较小,种子发芽率在70%以上,发酵产物的C/N为12,发酵18天就可以达到腐熟要求,实现无害化、减量化的目的。 (4)采集中国典型污染区域一广西环江和阳朔、湖北大冶、四川绵竹、河南济源和河北保定6个地区不同污染程度的土壤进行土壤培养试验,初步筛选出具有良好钝化效果的材料,结果显示MP及添加7.5%MP的发酵产物钝化效果较好。其对不同污染土壤中Cd和Pb的水溶态和DTPA提取态均有较好的降低效果,并在7-14天内表现出明显的钝化效果,30天内基本达到稳定。MP及其发酵产物用于轻中度Cd污染土壤,水溶态Cd分别降低61%-73%和63%-77%,DTPA提取态Cd分别降低4%-27%和5%-17%;用于重度Cd污染土壤,水溶态Cd分别降低13%-52%和28%-60%,DTPA提取态Cd分别降低10%-16%和17%-22%。MP及其发酵产物用于Pb中度和重度污染土壤,水溶态Pb分别降低29%-38%和28%-40%,DTPA提取态Pb分别降低20%-27%和26%-59%。添加7.5%MP的发酵产物对土壤pH的影响小于MP直接施用。 (5)盆栽试验进一步验证:添加7.5%MP的发酵产物对黑麦草地上部分Cd和Pb含量的降低效果最佳,土壤中黑麦草对Cd的吸收量降低14%-47%,对Pb的吸收量降低12%-41%,对轻度污染土壤的降低效果高于重度污染土壤。发酵产物对土壤pH没有显著影响。 (6)田间应用试验表明:7.5%MP的发酵产物按照1%(质量比)加入轻度重金属污染土壤中,对Cd和Pb均有很好的钝化效果。小麦籽粒中Cd的含量降低到安全标准以内(0.1mg/kg),籽粒中Cd和Pb含量分别降低26%和46%,土壤中Cd和Pb的DTPA提取态分别降低31%和9%,同时发酵产物可以显著增加土壤中碳、氮和磷的含量,提高土壤肥力。 以上研究结果证明MP可以有效降低污泥中Cd和Pb的活性,且添加7.5%MP的发酵产物按照1%的施用量对轻度Cd和Pb污染土壤的钝化具有良好的效果。本次研究结果对于污泥安全处置和重金属污染土壤修复具有重要的指导意义和应用价值。