生物炭对蚯蚓堆肥污泥微环境中重金属影响的特征研究

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重金属是污泥堆肥过程中重要污染物之一,堆肥产物中重金属超标会对人类健康带来风险,也会制约污泥农用。目前,在蚯蚓-生物炭-污泥联合堆肥中,前人多关注蚯蚓对污泥化学性质影响,或生物炭添加比例与蚯蚓整体重金属浓度变化关系,很少探讨生物炭作用下,重金属从基质迁移到蚯蚓体内过程及机理,尤其是重金属在蚯蚓组织、亚细胞及蚓粪中分配积累特征研究较少。因此,本研究将生物炭(稻壳炭、秸秆炭、竹炭)添加入蚯蚓堆肥中,探究不同比例生物炭(0%、2%、4%、6%、8%、10%)对蚯蚓堆肥中污泥和蚓粪的理化性质与重金属影响,同时,分析生物炭对蚯蚓整体、组织(表皮、肠道)和亚细胞组分(细胞溶质、细胞碎片、固体颗粒)中重金属的影响,主要结论如下:(1)生物炭对堆肥后蚯蚓体内重金属影响:同一种生物炭不同添加比例相比,三种炭均能增加蚯蚓体内重金属Cr、Cu、Zn含量;稻壳炭、竹炭均能够增加蚯蚓表皮和蚯蚓肠道中重金属Cr、Cu、Pb、Zn含量。同一添加比例不同生物炭相比,稻壳炭对蚯蚓体内重金属、蚯蚓表皮、蚯蚓肠道中重金属增加作用大于秸秆炭和竹炭。生物炭添加后,蚯蚓表皮中Cr、Cu、Zn在含量均高于肠道。相关分析发现,生物炭添加主要通过影响污泥中p H值、EC值、TP、总Zn、有效Zn含量,进而影响蚯蚓体内重金属含量。生物炭添加主要通过影响污泥中p H值、EC值、TP、总Cr、总Cu、有效Pb含量,进而影响蚯蚓表皮中重金属含量。生物炭添加主要通过影响污泥中p H值、总Cr、有效Pb的含量,进而影响蚯蚓肠道中重金属含量。(2)生物炭对蚯蚓亚细胞组分重金属影响:同一生物炭不同添加比例相比,生物炭均能增加蚯蚓细胞溶质、细胞碎片、固体颗粒中重金属Cr、Cu、Zn含量。同一添加比例不同生物炭相比,稻壳炭对蚯蚓细胞溶质、细胞碎片、固体颗粒中重金属增加作用大于秸秆炭和竹炭。重金属Cu、Zn主要分布在蚯蚓细胞溶质部分,重金属Cr、Pb主要分布在蚯蚓固体颗粒部分。相关分析发现,生物炭主要通过改变污泥中p H值、EC值、总Cr、总Cu、总Pb、有效Pb含量,进而影响蚯蚓细胞溶质重金属中重金属含量。生物炭主要通过改变污泥中p H值、EC值、TP总Cu、有效Cr的含量,进而影响蚯蚓细胞碎片重金属中重金属。生物炭主要通过改变污泥中EC值、TN、总Pb、有效Cr、有效Cu、有效Pb含量,进而影响蚯蚓固体颗粒重金属中重金属。(3)生物炭对蚓粪性质影响:同一生物炭不同添加比例相比,稻壳炭、秸秆炭、竹炭添加均能够提升蚓粪p H值、TOC、TN含量,降低EC值、TP、TK、总Cu、总Pb、总Zn、有效Cr、有效Cu、有效Pb、有效Zn含量。同一添加比例不同生物炭相比,稻壳炭较秸秆炭和竹炭对蚓粪中总Cu、总Zn含量降低最大。稻壳炭较秸秆炭和竹炭对蚓粪中重金属有效Cu、有效Pb含量降低更大。相关分析发现,生物炭主要通过改变污泥中p H值、TP含量,进而影响蚓粪理化性质。生物炭主要通过改变污泥中p H值、TP、有效Pb、有效Zn含量和蚓粪中EC值、TN、TP、TK含量,进而影响蚓粪中重金属总量。生物炭主要通过改变污泥中EC值、总Cu、总Pb、有效Pb含量和蚓粪中EC值、TOC含量,进而影响蚓粪中重金属有效态含量。蚯蚓堆肥中添加生物炭能够改变蚓粪中重金属的形态,主要使蚓粪中重金属交换态(F1)和有机结合态(F4)向残渣态(F5)转化,进而降低蚓粪中重金属活性。(4)生物炭对蚯蚓堆肥中污泥性质影响:同一种生物炭不同添加比例相比,三种生物炭均能提升污泥p H值、TOC含量,降低EC值、TP含量、总Cr、总Cu、总Pb、总Zn含量。稻壳炭和竹炭降低污泥重金属有效Cr、有效Pb、有效Zn含量。整体来看,在生物炭4%或6%添加比例时对污泥理化性质和重金属含量影响最大。同一添加比例下不同生物炭相比,稻壳炭较秸秆炭和竹炭,对污泥重金属总Cr、总Cu、总Pb、总Zn含量降低更大。秸秆炭较稻壳炭和竹炭,对污泥重金属有效Cr、Pb含量增加更大,竹炭较稻壳炭和秸秆炭,对重金属有效Cu、Zn含量降低更大。添加生物炭能够改变污泥堆肥中重金属的赋存状态,主要使污泥中重金属交换态(F1)、铁锰结合态(F3)、有机结合态(F4)向残渣态转化,生物炭能够降低污泥中重金属迁移转化能力。图18表23参130
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