發(fā)布時間：2020-10-16 20:57

　　 城市污泥是一種以有機成分為主、組分復(fù)雜的混合物,其中包含有潛在利用價值的有機質(zhì)、氮、磷、鉀和各種微量元素,可作為肥料或退化土壤的改良劑,實現(xiàn)城市污泥的資源化利用,具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。同時,土地沙漠化導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降,進(jìn)而制約當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)與發(fā)展。因此,沙地退化土壤的修復(fù)已成為21世紀(jì)環(huán)境發(fā)展及生態(tài)建設(shè)的研究熱點。將城市污泥資源化利用與沙地土壤改良結(jié)合起來,是環(huán)境生態(tài)工程領(lǐng)域的新途徑。因而,開展城市污泥在退化沙地土壤改良的應(yīng)用研究具有非常重要的意義。然而,污泥中大量重金屬及多種污染物的存在,成為限制污泥土壤改良的主要因素,因此,對于城市污泥施用過程中可能產(chǎn)生的污染風(fēng)險研究也顯得尤為重要。本論文以科爾沁典型退化沙地土壤作為研究對象,以沈陽市城市污泥為試驗材料,主要采用分析測試與室內(nèi)模擬試驗相結(jié)合的方法,探討脫水污泥在對退化沙地土壤的改良過程中對土壤及植物的影響,并結(jié)合綜合效益分析,為城市污泥的資源化利用及退化沙地土壤的改良提供科學(xué)依據(jù)。 研究結(jié)果表明,沈陽市3座城市污水處理廠污泥的pH值均呈弱堿性,含水率與溶解性鹽類含量較高。污泥中有機質(zhì)、總氮、總磷、總鉀的含量分別為400-531g/kg,14.86-17.58g/kg,13.15-28.54g/kg,6.51-9.13g/kg,顯著高于農(nóng)家肥(豬糞與牛糞),具有較好的土地利用潛力。各污水處理廠污泥中重金屬的含量受污水處理廠污水來源、污水處理規(guī)模及污水處理工藝等因素影響存在一定的差異,其中污泥中Zn的含量較高,在4285-7154mg/kg,均超出污泥相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)限值。污泥中均檢出含有四環(huán)素類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和喹諾酮類這四類抗生素,其中諾氟沙星和氧氟沙星的含量最高,分別為7.20-9.27mg/kg和0.18-0.85mg/kg,已大大超出我國污水處理廠污泥中此種抗生素的平均含量。其次為四環(huán)素類抗生素,其中土霉素的含量在0.40-0.85mg/kg。綜合分析各污水處理廠污泥的特征,應(yīng)選取城市生活污泥作為土壤改良的材料。 污泥的施入可顯著增加退化沙地土壤表層中氮磷養(yǎng)分含量,利于植物對營養(yǎng)物的吸收。其中土壤中磷素不易發(fā)生遷移,而土壤中氮素向下遷移的能力較強,可見城市污泥施用于土壤后氮素淋溶的風(fēng)險大于磷。污泥的施入對淋出液中氮、磷養(yǎng)分含量也存在顯著影響,污泥施用量為30t/hm2時,淋出液中總氮、總磷含量與不施用污泥的對照處理間未存在顯著差異(P0.05),而硝態(tài)氮的含量較不施用污泥的對照處理增加11%-33%,對地下水造成污染的風(fēng)險較小。污泥施用量為60、90t/hm2兩個處理中,經(jīng)淋洗3次后,即累積降雨量達(dá)150mm時,淋出液中全氮及硝態(tài)氮含量顯著增加(P0.01),其中硝態(tài)氮含量超出地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(20mg/L),存在對地下水污染的風(fēng)險。污泥的施用對pH有顯著影響,最終穩(wěn)定在8.24-8.54。淋出液中Cu、Zn、Pb的濃度變化趨勢大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,在所有的污泥處理中,隨淋洗量的增加,并未增加其對地下水的污染風(fēng)險。而污泥施用量為60、90t/hm2時,在第五次淋洗(即降雨量達(dá)250mm)后Cd濃度增加幅度較大,最大濃度達(dá)到未施用污泥的對照處理中Cd濃度的3倍左右,已超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(Cd≤0.01mg/L),存在污染風(fēng)險。重金屬Cd主要在土壤表層累積,但隨降雨量的增加,存在向下層土壤遷移的風(fēng)險,在污泥施用過程中應(yīng)重點關(guān)注。本研究的結(jié)果表明,污泥應(yīng)用于沙地土壤改良的最佳污泥施用量應(yīng)控制在30t/hm2范圍內(nèi),最佳施用期應(yīng)在降雨量較少的春季。若要提高污泥的施用量,可考慮少量多次的施入,同時要注意避免在降雨頻次較多、雨量較大的夏季施用。 重金屬鎘的在短期(1-3d)內(nèi)可降低土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的濃度,其中3d內(nèi)的影響最為明顯,之后隨著作用時間的延長,三種形態(tài)氮素濃度的變化趨于緩和。土霉素對土壤的氨化作用產(chǎn)生抑制,抑制程度與土霉素濃度相關(guān),而土霉素對土壤中硝態(tài)氮含量的影響不顯著。氧氟沙星為10、25mg/kg時,可促進(jìn)土壤中微生物的硝化作用和氨化作用,但隨氧氟沙星濃度的提高呈現(xiàn)出對硝化和氨化的抑制作用。土霉素與氧氟沙星兩種抗生素與重金屬鎘的復(fù)合污染對土壤中無機氮轉(zhuǎn)化的影響較各自單一污染的影響程度大。 城市污泥的施用可顯著促進(jìn)狼尾草的生長,尤其是在污泥施用量為30t/hm2時,狼尾草的鮮重及葉面積指數(shù)分別為未施用污泥處理的3.07倍和2.33倍,隨污泥施用量的增加,狼尾草的鮮重及葉面積指數(shù)均有所下降,但仍高于未施用污泥的對照處理。污泥的施用使土壤中全氮含量分別增加1.23、2.13、7.10倍,全磷含量分別增加11.94%、44.78%、91.94%。同時,污泥的施用也提高了植物對重金屬的吸收,其中對狼尾草中Cd含量影響最大,且與各處理間存在著顯著差異。不同處理下Cu、Cd、Pb、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1,說明狼尾草的根系對重金屬有一定的富集能力,其中狼尾草的根對Cd、Pb的富集能力較Cu、Zn的富集能力強。因此控制污泥施用量為30t/hm2范圍內(nèi),可有效增加土壤肥力,提高狼尾草生物量,且污泥中重金屬含量不會影響植物的生長。 通過分析城市污泥有機質(zhì)及N、P、K等營養(yǎng)元素成分含量,能量及經(jīng)濟效益可以看出,污泥應(yīng)用于退化土壤的改良也是污泥資源化利用的一種較好方法,具有很大的潛力和意義。綜上所述,城市污泥應(yīng)用于退化沙地土壤的改良通過科學(xué)的指導(dǎo)與管理,能取得較好的經(jīng)濟效益,并能改善生態(tài)環(huán)境。同時,對于污泥在改良退化土壤的應(yīng)用過程中所存在的安全問題可通過時空匹配、避免積累、水土監(jiān)控及體制監(jiān)管等方式解決,保證其應(yīng)用的安全性。
【學(xué)位單位】：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：S156.5
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 立題依據(jù)
    1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展
        1.2.1 城市污泥的處理與處置
        1.2.2 退化沙地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)
        1.2.3 污泥應(yīng)用于退化土壤的改良
    1.3 研究目標(biāo)
    1.4 研究內(nèi)容
        1.4.1 沈陽市城市污泥的營養(yǎng)成分及污染特征
        1.4.2 城市污泥施用的淋溶風(fēng)險及復(fù)合污染對土壤氮轉(zhuǎn)化的影響
        1.4.3 城市污泥施用對植物生長的影響
        1.4.4 城市污泥施用對退化沙地土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)綜合效應(yīng)分析
    1.5 研究技術(shù)路線
第二章 城市污泥的主要營養(yǎng)成分與特征分析
    2.1 引言
    2.2 材料與方法
        2.2.1 污水處理廠概況
        2.2.2 污泥樣品的采集
        2.2.3 測定方法
    2.3 結(jié)果與分析
        2.3.1 污泥的基本指標(biāo)
        2.3.2 污泥的營養(yǎng)成分分析
        2.3.3 污泥中的重金屬含量
        2.3.4 污泥中抗生素含量
    2.4 討論
    2.5 小結(jié)
第三章 城市污泥改良沙地過程中土壤氮磷淋溶特征及風(fēng)險分析
    3.1 引言
    3.2 材料與方法
        3.2.1 研究區(qū)概況
        3.2.2 供試材料
        3.2.3 試驗設(shè)計
        3.2.4 樣品處理與數(shù)據(jù)分析
    3.3 結(jié)果與分析
        3.3.1 不同污泥施用量下淋洗液中總氮的動態(tài)變化
        3.3.2 不同污泥施用量下淋洗液中總磷的動態(tài)變化
        3.3.3 不同污泥施用量下淋洗液中硝態(tài)氮的動態(tài)變化
        3.3.4 不同污泥施用量對土壤中磷素遷移的影響
        3.3.5 不同污泥施用量對土壤中硝態(tài)氮遷移的影響
    3.4 討論
    3.5 小結(jié)
第四章 城市污泥改良沙地過程中土壤重金屬淋溶風(fēng)險研究
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 供試材料
        4.2.2 試驗設(shè)計
        4.2.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析
    4.3 結(jié)果與分析
        4.3.1 不同污泥施用量下淋洗液中pH、電導(dǎo)率的動態(tài)變化
        4.3.2. 不同污泥施用量下淋洗液中重金屬的動態(tài)變化
        4.3.3 不同污泥施用量對土壤中重金屬遷移的影響
    4.4 討論
    4.5 小結(jié)
第五章 典型抗生素與重金屬復(fù)合污染對土壤氮轉(zhuǎn)化的影響
    5.1 引言
    5.2 材料與方法
        5.2.1 供試材料
        5.2.2 試驗設(shè)計
        5.2.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析
    5.3 結(jié)果與分析
        5.3.1 單一污染對土壤氮的影響
            5.3.1.1 鎘污染對土壤氮的影響
            5.3.1.2 土霉素污染對土壤氮素含量的影響
            5.3.1.3 氧氟沙星污染對土壤氮素含量的影響
        5.3.2 重金屬鎘與土霉素的復(fù)合污染對土壤氮含量的影響
            5.3.2.1 不同鎘濃度下土霉素的濃度變化對土壤硝態(tài)氮含量的影響
            5.3.2.2 不同鎘濃度下土霉素的濃度變化對土壤銨態(tài)氮含量的影響
            5.3.2.3 不同鎘濃度下土霉素的濃度變化對土壤亞硝態(tài)氮含量的影響
        5.3.3 重金屬鎘與氧氟沙星的復(fù)合污染對土壤氮素含量的影響
            5.3.3.1 不同鎘濃度下氧氟沙星的濃度變化對土壤硝態(tài)氮含量的影響
            5.3.3.2 不同鎘濃度下氧氟沙星的濃度變化對土壤銨態(tài)氮含量的影響
            5.3.3.3 不同鎘濃度下氧氟沙星的濃度變化對土壤亞硝態(tài)氮含量的影響
    5.4 討論
    5.5 小結(jié)
第六章 城市污泥對狼尾草的生長及土壤的影響研究
    6.1 引言
    6.2 材料與方法
        6.2.1 供試材料
        6.2.2 試驗設(shè)計
        6.2.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析
    6.3 結(jié)果與分析
        6.3.1 污泥施用量對狼尾草生長及葉綠素含量的影響
        6.3.2 污泥施用量對土壤pH和電導(dǎo)率的影響
        6.3.3 污泥施用量對土壤養(yǎng)分的影響
        6.3.4 污泥施用量對狼尾草體內(nèi)重金屬分布的影響
    6.4 討論
    6.5 小結(jié)
第七章 城市污泥應(yīng)用于退化沙地改良的環(huán)境及經(jīng)濟效益分析
    7.1 引言
    7.2 污泥中主要成分的含量及利用價值分析
        7.2.1 城市污泥的營養(yǎng)元素和重金屬
        7.2.2 污泥中有機質(zhì)價值量分析
        7.2.3 污泥中氮元素價值分析
        7.2.4 污泥中磷元素價值分析
        7.2.5 污泥中鉀元素價值分析
    7.3 污泥中能量及經(jīng)濟效益分析
        7.3.1 污泥運輸情況分析
        7.3.2 污泥所蘊含的能量分析
        7.3.3 污泥應(yīng)用于退化沙地的經(jīng)濟效益分析
            7.3.3.1 市場空間
            7.3.3.2 成本-收益分析
    7.4 污泥應(yīng)用的生態(tài)安全性分析
        7.4.1 存在的安全風(fēng)險
            7.4.1.1 微觀風(fēng)險
            7.4.1.2 宏觀風(fēng)險
            7.4.1.3 不當(dāng)激勵
        7.4.2 解決途徑
    7.5 小結(jié)
第八章 結(jié)論、創(chuàng)新點與研究展望
    8.1 結(jié)論
    8.2 創(chuàng)新點
    8.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
作者簡歷
攻讀博士學(xué)位期間科研學(xué)術(shù)成果
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的本研究相關(guān)論文
攻讀博士學(xué)位期間獲得的獎勵和專利
致謝

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本文編號：2843768