趙淑艷 邢玉亮 周 鑫 劉 陽 范紫嫣 周 濤 宋 丹

(1.大連理工大學(xué)食品與環(huán)境學(xué)院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 盤錦 124221；2.遼寧省城市污水處理管理中心，遼寧 沈陽 110033；3.遼寧華電環(huán)?？萍加邢薰?，遼寧 沈陽 110033；4.遼寧省土壤肥料總站，遼寧 沈陽 110033)

污泥蚓糞的土壤改良效果及其重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)*

趙淑艷1邢玉亮1周 鑫2劉 陽3范紫嫣1周 濤1宋 丹4

(1.大連理工大學(xué)食品與環(huán)境學(xué)院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 盤錦 124221；2.遼寧省城市污水處理管理中心，遼寧 沈陽 110033；3.遼寧華電環(huán)?？萍加邢薰荆|寧 沈陽 110033；4.遼寧省土壤肥料總站，遼寧 沈陽 110033)

將污泥蚓糞作為改良劑施用于土壤，研究了污泥蚓糞的最佳配比，并利用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)和小白菜(BrassicacampestrisL.ssp.chinensis(L.)Makinovar.communisTsenetLee)通過攝食途徑進(jìn)入人體的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，風(fēng)干污泥蚓糞占混合基質(zhì)總質(zhì)量的10%為最佳配比，該混合基質(zhì)中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質(zhì)量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10)mg/kg，均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15168—1995)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284—84)。該混合基質(zhì)中生長(zhǎng)的生菜和小白菜的重金屬檢測(cè)結(jié)果表明，《食品中污染物限量》(GB2762—2012)中規(guī)定的鉻、砷、鎘和鉛均未超標(biāo)。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，進(jìn)行評(píng)價(jià)的鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛不具有非致癌風(fēng)險(xiǎn)，砷、鎘、鉛不具有致癌風(fēng)險(xiǎn)。

污泥蚓糞 土壤 重金屬 健康風(fēng)險(xiǎn)

近年來，我國污水處理廠發(fā)展迅速，污泥產(chǎn)量也大大增加。傳統(tǒng)的污泥處理方法主要是焚燒和填埋。污泥填埋易產(chǎn)生滲濾液污染，而焚燒易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)造成空氣污染[1]。由于污泥中含有氮、磷等營養(yǎng)元素，作為土壤改良劑施加到農(nóng)田中，能夠改變土壤理化性質(zhì)并促進(jìn)植物生長(zhǎng)[2]。但是，污泥中同時(shí)也含有病原微生物、重金屬和有機(jī)污染物，難以直接農(nóng)用，需進(jìn)行穩(wěn)定化處理。利用蚯蚓對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理，可以去除病原微生物，分解有機(jī)污染物[3]。

經(jīng)過蚯蚓穩(wěn)定化后的污泥稱為污泥蚓糞，是一種高效的生物有機(jī)肥。污泥蚓糞結(jié)構(gòu)松散、孔隙率高、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)豐富，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤中微生物種群活性，增強(qiáng)土壤對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的持有能力[4]。污泥蚓糞中還含有大量腐殖酸、磷酸鹽、銨鹽、鉀鹽及其他無機(jī)鹽離子[5-6]。目前，已有研究表明，污泥蚓糞施用于土壤，能夠加快植物的再生速度和葉綠素的生成[7]。然而，污泥蚓糞施用于土壤仍會(huì)導(dǎo)致一部分重金屬進(jìn)入土壤，可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康產(chǎn)生一定的影響。

然而，關(guān)于污泥蚓糞用于土壤改良劑的重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還相對(duì)缺乏。本研究以食葉植物小白菜(BrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee)和生菜(LactucasativaL. var.ramosaHort.)為受試植物，通過室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)，將污泥蚓糞作為土壤改良劑施用于盆栽土壤中，確定污泥蚓糞的最佳配比。同時(shí)，對(duì)污泥蚓糞施用后食葉植物的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為建立適合我國國情的污泥蚓糞作為土壤改良劑標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

試劑：重金屬混標(biāo)溶液購自西格瑪，其中鎘和錳的質(zhì)量濃度均為10 mg/L，鉻、銅和鎳的質(zhì)量濃度均為20 mg/L，砷和鉛的質(zhì)量濃度均為40 mg/L，鋅的質(zhì)量濃度為100 mg/L；硝酸、鹽酸、高氯酸、雙氧水均為優(yōu)級(jí)純。

儀器：Agilent 7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，GZX-9076MBE電熱鼓風(fēng)干燥器，CP213電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤取自遼寧省沈陽市法庫縣某農(nóng)田表層(0～20 cm)。污泥蚓糞取自遼寧省華電環(huán)?？萍加邢薰痉◣炜h基地。將100 kg污泥蚓糞和100 kg土壤分別平鋪于鋪設(shè)有塑料膜的水泥硬質(zhì)地面上，自然狀態(tài)下風(fēng)干3周，將風(fēng)干的污泥蚓糞與土壤粉碎后過20目篩得到風(fēng)干污泥蚓糞和風(fēng)干土壤。將風(fēng)干污泥蚓糞和風(fēng)干土壤按比例配成混合基質(zhì)裝于花盆中，使得風(fēng)干污泥蚓糞占混合基質(zhì)總質(zhì)量的0、10%、30%、50%、70%、100%。在不同混合基質(zhì)的花盆中分別播撒30粒生菜種子和20粒小白菜種子，播撒均勻。每個(gè)混合基質(zhì)的花盆設(shè)置3個(gè)平行，放置于溫室中培養(yǎng)34 d(每天白天27 ℃下光照14 h，晚上溫度控制為22 ℃)。在植物生長(zhǎng)過程中，每天觀察植物的生長(zhǎng)狀況并澆灑適量的水，同時(shí)不定期隨機(jī)調(diào)整花盆的位置。植物成熟后收集植物和混合基質(zhì)樣品，將植物用去離子水沖洗干凈后在陰涼處晾干，稱鮮質(zhì)量。

1.3 樣品處理與測(cè)試

混合基質(zhì)樣品前處理：稱取一定量的樣品于燒杯中，加入50%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液10 mL，蓋上玻璃表面皿加熱1 h，若仍有棕黃色煙霧產(chǎn)生，再加入5 mL 50%硝酸、加熱直至無棕黃色的煙霧產(chǎn)生。冷卻后加入適量雙氧水以去除油狀物，繼續(xù)加熱，將溶液蒸干至5 mL，冷卻后加入10 mL鹽酸，加熱15 min，冷卻后加入40 mL去離子水，加熱蒸干至1 mL，過濾，定容至25 mL，待測(cè)。

植物樣品前處理：將稱鮮質(zhì)量后的植物樣品放入80 ℃干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，研碎并過100目篩。稱取一定量的過篩后植物樣品于錐形瓶中，放數(shù)粒玻璃珠，加10 mL混合酸(硝酸、高氯酸體積比為3∶1)，加蓋過夜，加熱消解，若變棕黑色，再加10 mL混合酸加蓋過夜，加熱消解直至消化液無色透明，冷卻后移入25 mL比色管中，定容搖勻，待測(cè)[8]。

重金屬采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合基質(zhì)最佳配比選擇

由圖1可知，配比為0的混合基質(zhì)中生菜和小白菜的生物量分別為33.5、33.3 g，添加不同配比的污泥蚓糞后生菜生物量均增加，其中10%混合基質(zhì)對(duì)生菜生物量增加最明顯；只有10%混合基質(zhì)是促進(jìn)小白菜生物量增加的。因此，10%混合基質(zhì)的配比最佳。

圖1 不同混合基質(zhì)中植物的生物量Fig.1 The plants biomass growing in different mixed matrix

2.2 10%混合基質(zhì)的重金屬污染程度分析

由表1可知，10%混合基質(zhì)中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質(zhì)量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10) mg/kg，均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15168—1995)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—84)。由于GB 15168—1995和GB 4284—84未對(duì)錳作出規(guī)定，暫不作討論。

表1 10%混合基質(zhì)中重金屬質(zhì)量濃度1)

注：1)ND表示未檢出，計(jì)算時(shí)以0 mg/kg計(jì)，表4同。

采用單項(xiàng)污染指數(shù)(見式(1))[10]進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)10%混合基質(zhì)的重金屬污染程度。單項(xiàng)污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

Pi=Qi/Si

(1)

式中：Pi為10%混合基質(zhì)中重金屬i的污染指數(shù)；Qi為10%混合基質(zhì)中重金屬i的質(zhì)量濃度，mg/kg；Si為GB 15168—1995中重金屬i的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/kg。

表2 單項(xiàng)污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

10%混合基質(zhì)中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。7種被評(píng)價(jià)的重金屬Pi均小于1，污染程度為未被污染。

表3 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 植物體內(nèi)重金屬富集程度分析

10%混合基質(zhì)中的生菜和小白菜體內(nèi)重金屬質(zhì)量濃度如表4所示，其中《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)對(duì)鉻、砷、鎘和鉛作了限量規(guī)定，兩種植物體內(nèi)的這4種重金屬均未超標(biāo)。

表4 10%混合基質(zhì)中的植物體內(nèi)重金屬質(zhì)量濃度

采用生物富集系數(shù)(BCF)進(jìn)行植物體內(nèi)重金屬富集程度分析。一般認(rèn)為，當(dāng)BCF≥1時(shí)，植物對(duì)重金屬具有富集性[11]。由圖2可知，生菜和小白菜對(duì)不同重金屬的富集程度基本相似。生菜對(duì)銅、鋅和鎘3種重金屬具有富集性，3者的BCF分別為1.24、2.10、1.00；小白菜只對(duì)鋅具有富集性，富集系數(shù)為1.69。兩種植物對(duì)鋅均具有較高的富集性，這可能是由于鋅是植物必須的微量元素，主要存在于植物的葉綠素中，而小白菜和生菜均是葉菜類植物，在生長(zhǎng)過程中對(duì)鋅的需求量很大。

圖2 不同植物對(duì)不同重金屬的BCFFig.2 BCF of different plants for different heavy metals

2.4 植物體內(nèi)重金屬對(duì)人體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)

植物中重金屬經(jīng)攝食途徑進(jìn)入人體的日均暴露劑量計(jì)算公式如下：

(2)

式中：CDI為植物中重金屬經(jīng)攝食途徑進(jìn)入人體的日均暴露劑量，mg/(kg·d)；C為植物體內(nèi)重金屬質(zhì)量濃度，mg/kg；I為日均攝入量，kg/d，我國居民平均每人食葉植物日均攝入量為0.2 kg/d[12]；BA為人體攝食的利用率，%，取15%；EF為暴露頻率，d/a，取365 d/a[13]；ED為暴露時(shí)間，a，取《2007中國統(tǒng)計(jì)年鑒》中的72 a；BW為人體質(zhì)量，kg，取60 kg[14]；AT為平均接觸時(shí)間，d，其值為暴露時(shí)間的天數(shù)，即26 280 d。

表5 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

采用風(fēng)險(xiǎn)商表征植物中重金屬經(jīng)攝食途徑進(jìn)入人體的非致癌風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：HQ為風(fēng)險(xiǎn)商；RfD為參考劑量，mg/(kg·d)，各重金屬RfD取值列于表5中。

若HQ≤1，一般認(rèn)為無非致癌風(fēng)險(xiǎn)；若HQ>1，則存在非致癌風(fēng)險(xiǎn)。由表5可知，生菜和小白菜體內(nèi)鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛的HQ均遠(yuǎn)小于1，說明生菜和小白菜在10%混合基質(zhì)中生長(zhǎng)，其累積的重金屬對(duì)人體無非致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 植物體內(nèi)重金屬對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)

植物中重金屬經(jīng)攝食途徑進(jìn)入人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式[15]如下：

R=1-exp(-CDI×q)

(4)

式中：R為致癌風(fēng)險(xiǎn)；q為致癌系數(shù)，kg·d/mg，從美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)的綜合風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)(IRIS)中可以查得砷、鎘、鉛的致癌系數(shù)[16]。

根據(jù)USEPA的規(guī)定，當(dāng)R≤10-4時(shí)，污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍內(nèi)[17]，因此生菜和小白菜體內(nèi)參與評(píng)價(jià)的砷、鎘、鉛致癌風(fēng)險(xiǎn)均處于可接受范圍內(nèi)，可以認(rèn)為不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

(1) 混合基質(zhì)中風(fēng)干污泥蚓糞質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為最佳配比，該混合基質(zhì)中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質(zhì)量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10) mg/kg，均未超過GB 15168—1995的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和GB 4284—84，單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，污染程度為未被污染。

(2) 10%混合基質(zhì)中生長(zhǎng)的生菜和小白菜重金屬檢測(cè)結(jié)果表明，GB 2762—2012中規(guī)定的鉻、砷、鎘和鉛均未超標(biāo)。生菜對(duì)銅、鋅和鎘具有一定的富集性，小白菜只對(duì)鋅表現(xiàn)出富集性。

(3) 對(duì)10%混合基質(zhì)中生長(zhǎng)的生菜和小白菜體內(nèi)鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛進(jìn)行非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)砷、鎘、鉛進(jìn)行致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，均對(duì)人體不存在健康風(fēng)險(xiǎn)。

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Effectsofsludgevermicompostonsoilameliorationanditshealthriskofheavymetals

ZHAOShuyan1,XINGYuliang1,ZHOUXin2,LIUYang3,FANZiyan1,ZHOUTao1,SONGDan4.

(1.KeyLaboratoryofIndustrialEcologyandEnvironmentalEngineering,MinistryofEducation,SchoolofFoodandEnvironment,DalianUniversityofTechnology,PanjinLiaoning124221;2.LiaoningProvincialMunicipalTreatment&ManagementCenter,ShenyangLiaoning110033;3.LiaoningHuadianEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,ShenyangLiaoning110033;4.SoilandFertilizerStationofLiaoningProvince,ShenyangLiaoning110033)

The sludge vermicompost was applied in soil as ameliorant. The best proportion of sludge vermicompost was studied. The health risks of heavy metals inLactucasativaL. var.ramosaHort. andBrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee were evaluated. Results showed that the best mass percentage of sludge vermicompost in mixed matrix was 10%. The mass concentrations of Ni,Cu,Zn,As,Cd and Pb in 10% mixed matrix were (5.6±0.3),(5.9±0.3),(20.1±2.9),(5.8±0.7),(0.25±0.05) and (10.20±1.10) mg/kg,respectively. Cr was not detected. All the above 7 heavy metals were lower than the second grade of “Environmental quality standard for soils” (GB 15168-1995) and “Control standards for pollutants in sludges from agricultural use” (GB 4284-84). Cr,As,Cd and Pb,which were regulated in “The limited quantity of pollutants in food” (GB 2762-2012)，inLactucasativaL. var.ramosaHort. andBrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee were less than the standards. Health risk assessment results showed that both the non-carcinogenic risk of Cr,Ni,Cu,Zn,As,Cd and Pb and carcinogenic risk of As,Cd and Pb had no risks.

sludge vermicompost; soil; heavy metals; health risks

2016-07-09)

趙淑艷，女，1981年生，博士，講師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)污染控制與修復(fù)。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41603106);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(No.DUT16RC(4)83)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.001