有机固体废弃物土地利用的生态风险机制及控制研究

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1、分类号： X7 单位代码： 10335 密 级： 学 号：10614036 博 士 学 位 论 文 中文论文题目：中文论文题目：有机固体废弃物土地利用的生态有机固体废弃物土地利用的生态 风险机制及控制研究 风险机制及控制研究 英文论文题目：英文论文题目： The mechanism and control of ecological risks on land applications of organic solid wastes 申请人姓名： 和苗苗 指导教师： 田光明 学科(专业)： 环境工程 研究方向： 固体废弃物资源化处理 所在学院： 环境与资源学院 论文提交日期 二零零九年四月 有

2、机固体废弃物土地利用的生态风险机制有机固体废弃物土地利用的生态风险机制 及控制研究 及控制研究 论文作者签名论文作者签名: 指导教师签名指导教师签名: 论文评阅人： 隐名评阅 答辩委员会主席： 郑 平 教授 浙大环资学院环工系 委员 1： 徐建明 教授 浙大环资学院资科系 委员 2： 郑绍建 教授 浙大生命学院 委员 3： 徐向阳 教授 浙大环资学院环工系 委员 4： 倪吾钟 教授 浙大环资学院资科系 委员 5： 田光明 教授 浙大环资学院环工系 答辩日期： 09.6.4 The mechanism and control of ecological risks on land applica

3、tions of organic solid wastes Authors signature: Supervisors signature: Examining Committee Chairperson: Examining Committee Members: Date of oral defence： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 浙江大学浙江大学 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研

4、究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学浙江大学 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 浙江大学浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 感感 谢谢 浙江省科技厅项目（浙江省科技厅项目（2004C2

5、3024） 国家自然科学基金课题（国家自然科学基金课题（40871101） 欧盟欧盟 Asia-link 项目（项目（028(108-962)） 对本论文研究的资助！对本论文研究的资助！ 致致 谢谢 时光飞逝！转眼间，五年的博士学习生活即将结束。不知多少次想放弃这漫长的煎熬， 也不知多少次想快点结束这艰苦的生涯。但是，当这一天真正到来时，心里却是无限的怀念 与不舍怀念五年求学生涯的每个笑容与每滴汗水， 不舍共同经历困难与见证风雨的兄弟 姐妹。 本论文是在导师田光明教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、试验设计及开展，以 及论文的撰写，都倾注了田老师的心血。导师严谨的治学精神、积极的工作态度、豁

6、达的处 事原则，使我受益匪浅，受用终身。值此论文完成之际，谨向我敬爱的导师田光明教授 表示最衷心的感谢与敬意！ 在论文完成的过程中，我非常幸运的得到了荷兰 Wageningen 大学 Ariena H.C. van Bruggen 教授给予的无私指导与帮助，在此特别表示衷心的感谢！同时感谢荷兰试验期间中 国农业大学博士生马文军的合作与帮助。感谢浙江大学环境工程系陈英旭老师、郑平老师、 沈东升老师、王凯雄老师、吴伟祥老师、何云峰老师、林琦老师、施积炎老师、吴坚阳老师、 楼莉萍老师、李文红老师、王飞儿老师、胡宝兰老师、张志剑老师、朱优峰老师、汤曙明老 师，以及学院朱利中老师、朱荫湄老师、钱秀萍老师

7、、陈秀美老师在学习和生活方面给予的 关心、指导、鼓励与帮助，在此深表感谢！ 感谢彭桂群、赵国智、刘俊稚、臧玲、保琦蓓、潘丹丹、张建华、葛亚明、李灵香玉、 周欲飞、何细军、陶星名、田平、郑玲娟、俞一统、祝宇慧、刘平等同门兄弟姐妹，以及华 玉妹、王兆炜、李华、丁晔、王云龙、丁颖、王远鹏、花莉、Anton、石德智、沈超峰、胡 少平、陈新才、武贝、崔昕毅、杜平、钱轶超、许磊、吴松维等环保楼的师兄师姐、师弟师 妹五年来的关心与帮助，我们一起度过的美好时光令我终身难忘。 感谢我的父母与亲人！你们对我无私的关爱和鼓励，是我克服困难与开拓前行的动力。 感谢我的先生梁新强与我互相鼓励、牵手同行，走过这重要的五年

8、。没有他的支持、安 慰与帮助，就没有我今天的成绩！ 最后，特别感谢浙江大学对我的培养！ 和苗苗 和苗苗 二九年二月十五日于浙大华家池 摘摘 要要 随着社会生产力与人们生活水平的提高， 固体废弃物所带来的环境问题日益严重。 在目 前的处理途径中，将城乡有机固体废弃物堆肥化后土地利用，是解决固废问题最具经济、社 会和环境效益的方法之一。 但是， 有机固体废弃物中不易降解的重金属以及显著高于土壤背 景值的营养成分，会给土壤健康、植物生长甚至地下水环境带来非常大的风险。本论文以污 水厂剩余污泥与禽畜粪便为研究对象， 通过中试试验， 探讨了堆肥过程对有机固废中重金属 形态分布及植物毒性的影响机理；通过实

9、验室模拟，获得了土壤中 C、N、微生物数量与种 群等参数对牛粪堆肥土地利用的短期响应动态模型，阐明了污泥堆肥施用对土壤-植物系统 的影响机制， 并探究了土壤重金属在施用污泥堆肥后的活化机制与空间迁移规律。 研究结果 为全面了解有机物料对土壤生态系统的影响， 实现有机固体废弃物的资源化提供理论依据与 技术指导。主要结论有： 1、污泥与猪粪中重金属 Cu、Zn、Pb 的总量及其活性在堆肥的中温期与高温期显著降 低；同时，通过种子发芽试验发现污泥及猪粪对青菜（Brassica Chinensis）与黑麦草（Lolium perenne L.）的植物毒性随堆肥的进行显著降低，表明施用腐熟的堆肥可降低土

10、地利用的风 险。在用重金属有效性形态之和（交换态+碳酸盐结合态+铁锰氧化态+有机结合态，EXCH+ CAR+FeMnOX+OMB）回归青菜与黑麦草发芽指数（GI）的方程中，只有污泥堆肥中的 Cu 和猪粪堆肥中的 Pb 与青菜及黑麦草的 GI 线性相关。但是，在回归方程中加入 pH、有机质 （OM）以及溶解性有机碳（DOC）等参数后，回归相关系数 R 显著提高，说明将重金属形 态与堆肥过程中关键理化性质结合来评估堆肥的植物毒性，能建立更有价值的评价模型。 2、土壤中Copiotrophic菌数量、微生物活性以及种群多样性在施用牛粪堆肥后都呈波动 变化，并通过傅立叶分析检测出显著的简谐振动波。土壤

11、中pH值、DOC含量、NH4+-N与 NO3-N等化学性质只在施用堆肥后一周内有显著的波动变化， 并与土壤Copiotrophic菌数量、 微生物活性及种群数显著相关。土传病菌P. ultimum致病性的AUDPC（area under disease process curve）在添加牛粪堆肥后短期内呈简谐振动模型变化，且与Copiotrophic菌数量的变 化有相同的简谐振动频率与周期。 这些参数在传统耕作土壤中的波动幅度均大于常年有机化 管理的土壤， 说明传统耕作土壤生态系统对施用堆肥的响应更强烈， 有机化管理的土壤生态 系统更稳定、更健康。 3、土地投放量比较低的污泥或污泥堆肥可明显提

12、高青菜的株高及产量，而黑麦草的株 高与生物量随堆肥添加量的增加而增加。 添加污泥或堆肥增加了植物体内 Cu 和 Zn 的含量， I 通过连续提取法发现， 植物中重金属含量与其在土壤中 EXCH 及 CAR 形态的变化量有较好 的相关关系，且相关系数随植株栽培时间的增加而增加，说明有机固废堆肥中 Cu、Zn 的毒 性随土地利用时间而增强。同时，植物吸收重金属的量还与 FeMnOX 与 OMB 的变化量显 著相关， 说明植物可能间接影响了土壤中重金属的形态分布。 就青菜与黑麦草的生长情况及 其吸收重金属的含量而言，施用堆肥更为适宜，且最佳添加量分别控制在 20%与 60%以内。 4、60cm 土柱

13、模拟试验结果表明：表施与混施污泥堆肥 30 天后，土壤 pH 值在施用深 度以下 510cm 的变化最显著，且有机质也有总体向下迁移的趋势。表面施用堆肥使表层土 壤中（010cm）Cu、Zn、Pb 的溶出量在短期内均显著增加，而在下层土壤剖面中逐渐累积。 混合施用堆肥的处理中，020cm 层 Cu、Zn、Pb 的溶出量均在施用堆肥后第 5 天达到最高， 在 3050cm 层土壤中， 重金属也在 10 天内达到最大溶出量， 将对地下水质量造成一定威胁。 土壤 Cu 和 Zn 的淋溶量均与 DOC 呈对数线性拟合关系，而土壤溶液中 Pb 的含量与 DOC 呈线性相关，这说明在重金属的溶出过程中 D

14、OC 起到很重要的作用，特别是在土壤中重金 属含量较高的情况下。土壤中 EXCH、CAR、FeMnOX 及 OMB 形态重金属的变化与其溶出 量显著相关，特别是以 EXCH 与 FeMnOX 形态存在的 Cu、Zn、Pb 含量的变化均与其溶出 量呈显著负相关关系。 5、利用以FeSO4为底物的氧化亚铁硫杆菌（T.fe）对污泥进行生物沥滤去除重金属。Zn 的去除率在第 2 天就达到 95%，而Cu的沥滤启动较慢，在第 4 天才有了 37%的去除率，这 主要是由于Zn在pH值 3.04.0 时就有很高的去除率， 而Cu在pH残渣态(RES)碳酸盐结合态(CAR)铁锰氧化态(FeMnOX)离子交换态

15、 (EXCH)。污泥及污泥堆肥施用后，Cu 各形态含量都有所增加，特别是 OMB-Cu 含量显著提高，占到了 Cu 总量的 6075%。这可能是由于在有机碳含量较高固 体废弃物中，Cu 主要以有机结合形态存在（Walter 和 Cuevas, 1999；Wong 等, 2001） 。 添加污泥堆肥的土壤中 EXCH-Cu 与 FeMnOX-Cu 的含量与添加污泥的处 理无显著差异，CAR-Cu 在添加堆肥的各处理中比施用污泥的土壤高 23 倍。因 此在施用污泥堆肥后，为 Cu 各形态含量的顺序为：OMBRESCAREXCH FeMnOX，而在添加污泥的处理中为：OMBRESEXCHCAR FeMnOX。 由图 4-2 与图 4-4 可知，在青菜与黑麦草盆栽过程中，添加污泥或堆肥的处 理中EXCH-Cu与OMB-Cu的含量都有所降低，特别是在盆栽前 20 天，EXCH-Cu 的降低速率较大，而在随后变化不显著。CAR-Cu与FeMnOX-Cu含量在原土壤的 盆栽过程中均有所降低，但在施用污泥的土壤中，盆栽过程显著增大了CAR-Cu 的含量， 而在添加了堆肥的土壤中CAR-Cu变化不大 （青菜盆栽） 或有所降低 （黑 麦草盆栽） 。FeMnOX-Cu在添加