污泥干化芦苇床芦苇中多环芳烃的含量分布

　　摘要：通过现场试验，考查了多环芳烃（PAHs）从污泥向芦苇的转移以及PAHs在芦苇各部位的分布情况。受试芦苇植于污泥干化芦苇床内，芦苇床规格3m×1m×1.3m，其中高度含0.65m填料层和0.65m超高。试验进行了3a，包括2a的污泥负荷期和1a的闲置期。2a负荷期内共进泥8.4m（含水率99.14%），污泥PAHs含量平均5.69mg·kg-1。原生芦苇茎和叶中的PAHs含量相对较高，达到2.198和2.583mg·kg-1（DW），分别是芦苇根PAHs含量的2.44和2.87倍，且以低环PAHs为主。运行结果表明，受试芦苇对污泥中的PAHs产生了明显的富集作用。运行第2年9、10和11月取污泥干化芦苇床芦苇样品并进行检测，发现芦苇根茎叶内PAHs含量呈逐月升高趋势；第3年11月芦苇根茎叶所含PAHs总量分别为7.642、7.713、7.946mg·kg-1（DW），相对原生芦苇分别提高了8.50、3.52和3.08倍，且以低环PAHs为主，根茎叶低环PAHs含量占PAHs总量的55.14%、56.96%和44.59%。芦苇中PAHs的含量与植物含脂率具有显著的正相关关系，而与芦苇的含水量无关。
　　关键词：富集；多环芳烃；芦苇；污泥干化芦苇床；污泥处理
　　到2010年底，中国城镇污水污水处理能力达到1.22亿m3，相应的每年污泥产量近3000万t（含水率80%），污泥处理与处置成为业内急待解决的问题。污泥中一方面含有丰富的N、P、K和有机质，是良好的肥料资源；另一方面它含有多种污染物，需要妥善处置。尤其是污泥中的难降解有机物质如多环芳烃（PAHs）的存在，已经引起广泛关注。PAHs具有较强的致癌和致突变性，许多国家都将其列入优先控制污染物的黑名单中。以处理工业废水为主产生的污泥中PAHs含量较高，有的甚至达到2000mg/kg[1]。中国城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质标准（CH/T291-2008）中有关PAHs的控制标准限值为苯并（a）芘不超过3mg/kg干污泥，没有PAHs总量的限值。但一些发达国家的标准要严格得多，例如丹麦的污泥农用PAHs总量标准限值为3mg/kg干污泥；荷兰规定未污染土壤的PAHs含量为0.02～0.05mg/kg干土壤[2]。显然，污泥中PAHs的存在引发对其去除技术的研究和需求。
　　崔玉波，等：污泥干化芦苇床芦苇中多环芳烃的含量分布
　　污泥干化芦苇床是利用植于人工湿地中的芦苇对污泥进行脱水和稳定化处理的技术，该技术始于欧洲，近年来对其研究和应用呈快速增长之势[35]。但目前的相关文献中，针对芦苇对污泥所含PAHs的去除功能研究不足，本文通过运行3a的污泥干化芦苇床的研究，系统考察芦苇在吸收和转化污泥中PAHs所发挥的作用。
　　1试验装置与方法
　　1.1试验装置
　　污泥干化芦苇床系统位于大连开发区污水处理厂，由污泥泵、进泥箱和芦苇床组成。芦苇床规格为3.0m×1.0m×1.3m，其中高度由65cm填料层和65cm超高组成，超高部分为污泥积存提供空间。填料层由下至上依次为炉渣20cm、砾石20cm、粗砂5cm、细砂20cm。芦苇床底部设直径20cm、长3m排水花管，污泥渗滤液经填料层通过排水管排出。排水管沿长1/3和2/3处设通风管，直接与大气相连。
　　1.2试验运行概况
　　试验分为3a，第1a为调整期，第2a正常运行，第3a为自然稳定期。
　　第1年五月中旬开始启动，芦苇移植后，经过25d适应性培养，然后按间歇方式布泥。布泥周期为7d，进泥量600L，进泥时间约半小时。第1年共历时18个周期，秋季芦苇枯死后停止运行。第2年系统从启动到结束共运行了24个周期。2a期间芦苇床进泥总厚度为8.4m，污泥含水率、总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）浓度平均分别为99.14%、8.14g/L和7.04g/L，芦苇床污泥负荷为41.3kg（TSS）/（m2·a）。
　　芦苇床进泥的PAHs平均含量为5.69mg/kg，以低环PAHs（包括2～3环的萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽）为主，占48.01%；中环PAHs（包括4环的芘、苯并（a）蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽）占33.14%，高环PAHs（包括5～6环的苯并[a]芘、茚并（1，2，3-cd）芘、二苯并（a，h）蒽、苯并（g，h，i）芘）占18.85%。
　　第3年末芦苇床中污泥PAHs含量平均为186mg/kg，其中低环PAHs占32.43%；中环PAHs占43.63%，高环PAHs占24.12%。
　　1.3PAHs检测方法
　　样品经自然风干，研磨过100目筛，称取1g样品于100mL锥形瓶中，加入2g无水硫酸钠和1g铜粉，加入60mL正己烷二氯甲烷（1：1）混合溶剂，封口，超声萃取90min，离心（3000r/min）30min，旋转蒸发后定容至4mL，待用。
　　样品提纯：超声萃取后样品用柱层析方法提纯。称取2.0g硅胶，3.0g无水硫酸钠（在600℃灼烧6h）与少量正己烷于烧杯内制成匀浆，湿法填装层析柱。层析柱下端放入少量脱脂棉做支柱填料，加入0.3g石英（60～80目，在130℃活化16h），用10mL正己烷润湿柱子，加入40mL（1∶1）二氯甲烷、正己烷洗脱样品，将洗脱液旋转蒸发至干，用高纯氮气吹扫定容至2mL样品瓶中，用GC/MS以外标法定量测定PAHs。
　　GC/MS条件：GC-2010型气相色谱/质谱联用仪（日本岛津公司），色谱柱为SE-54型高分辨率弹性石英毛细管柱，柱长3000m，内径0.25mm，膜厚0.25μm。柱温升温程序：100℃保持1min，以5℃/min升至280℃，保持30min。进样量1μL。载气为高纯氮气，柱流速0.88mL/min，尾吹气流速20mL/min；柱前压85.6kPa；采用分流进样，分流比为10∶1；进样口温度280℃；检测器温度280℃；EI电离方式，电离能70eV。全扫描测定方式的扫描范围为100～400amu。2结果与讨论
　　2.1原生芦苇中PAHs的含量分布
　　芦苇床运行的第2年和第3年，分别取处于生长末期的原生芦苇样品，检测其PAHs含量，结果见表1。
　　宏观上看，2个芦苇床中的芦苇根茎所含PAHs主要为三环烃，另BbF（苯并[b]荧蒽）的含量相对较高；而芦苇叶中除主要含三环烃外，四环以上的Pyr（芘）、Chr（屈）、BbF（苯并[b]荧蒽）、BkF（苯并[k]荧蒽）含量较高，尤其富含Chr（屈）。
　　处于负荷期第2年的芦苇在生长末期，芦苇根系所含PAHs随时间逐月增高，11月份达到最大值；茎和叶的PAHs含量在十月份达到最大值；根茎叶对PAHs产生了明显的的富集作用。
　　处于自然稳定期的第3年末，芦苇根、茎和叶对PAHs的富集较原生芦苇分别提高了850%、352%和308%；芦苇根中含量最高的是Chr（屈），达1.64mg/kg，含量最小的是NaP（萘），为0.032mg/kg。芦苇茎中含量最高的是Ant（蒽），达1.473mg/kg，含量最小的是NaP（萘），为0.098mg/kg。芦苇叶中含量最高的是Phe（菲），达1.596mg/kg，含量最小的是Fla（荧蒽），为0.087mg/kg。
　　2.3污泥干化芦苇床芦苇中PAHs的组成
　　表3列出了芦苇不同部位各种多环芳烃含量在总量中的比例。可见，芦苇根茎叶中不同多环芳烃的含量差异很大。芦苇根中从0.42%（萘）到2146%（屈），芦苇茎中从1.27%（萘）到19.1%（蒽），芦苇叶中从1.09%（荧蒽）到20.1%（菲）。
　　芦苇根、茎、叶中所含PAHs的量具有低环>中环>高环特征；尤其是根和茎中低环多环芳烃占绝对优势，含量都超过50%；而高环多环芳烃在根、茎、叶中的含量呈升高趋势，即叶>茎>根。
　　低环多环芳烃在芦苇茎中的含量最高，达5696%，在叶中的含量最低，为44.59%；中环多环芳烃在芦苇叶中的含量最高，达35.06%，在茎中的含量最低，为26.57%；高环多环芳烃在芦苇叶中的含量最高，达20.35%，在根中的含量最低，为1036%。
　　2.4芦苇粗脂肪和水分含量与PAHs含量的关系
　　粗脂肪和水分是植物体内的重要物质，了解植物粗脂肪和水分含量对多环芳烃的影响是分析污染物在植物体内迁移的重要依据。将芦苇根、茎、叶中的粗脂肪和水分含量分别与多环芳烃含量做关系图，如图5、6所示。
　　图5芦苇粗脂肪含量与多环芳烃含量关系
　　图6芦苇水分含量与多环芳烃含量关系
　　可见，芦苇组织中多环芳烃含量与粗脂肪含量和水分含量之间的相关性存在显著差异。芦苇各部位多环芳烃总量与粗脂肪含量具有显著的正相关关系，线性相关系数达到0.9996（R2），即粗脂肪含量越高，多环芳烃含量越大。而多环芳烃总量与植物水分含量没有明显的相关性。
　　2.5讨论
　　植物在全球PAHs循环中起到重要作用，PAHs在植物体内的吸收途径主要有：通过根系从土壤中吸收，然后再从根系向茎叶转移；大气中挥发性有机物在根系和幼苗上的吸附；从污染土壤或降尘中吸附在表皮，或通过吸收进行渗透进入植物体内[67]。
　　原生芦苇所含PAHs可能通过根系从土壤中进入，也可以从大气通过气相和颗粒沉积经叶片吸收。叶片中的高PAHs含量暗示着这些PAHs来源于大气中的气相和颗粒沉积，大气沉降成为植物叶子中PAHs的主要输入途径；而根系PAHs的低浓度源于其生存土壤的低PAHs含量[8]。有研究表明，污染源排放到大气中的PAHs，其中（44±18）%被植物吸收、净化。从检测结果分析，暴露于大气中的芦苇茎叶起到了直接吸收大气中PAHs的作用，且以吸收低环的Ace（苊）、Fle（芴）、Phe（菲）、Ant（蒽）为主。
　　植物修复是利用植物原位处理污染土壤、水、污泥的一种方法，植物可通过吸收、固定、挥发污染物，并能释放一些分泌物、酶以利于降解有机污染物，并可刺激根区微生物的活性来进行PAHs的污染修复[9]。植物对PAHs的修复作用因植物种类不同而效果不同，例如田间试验中玉米、高梁对PAHs的降解效果显著的好于三叶草和紫花苜蓿[10]。但针对污泥干化芦苇床中污泥PAHs的去除效果和芦苇的作用仅见于Cui等人的初步报道[11]。Muratova等人用盆栽试验研究了芦苇和紫花苜蓿根际修复PAH污染土壤，两年后，紫花苜蓿和芦苇根际处理PAH去除率分别为74.5%和68.7%，该研究主要针对根际微生物展开研究，并未提及芦苇的功效[12]。
　　Ren等报道了荧蒽、菲、奈对水萍的光诱导性毒害，认为随着苯环的增加其毒害症状趋于明显[13]。而本研究中，5.69mg/kg的进泥PAHs含量并未造成对芦苇生长的不良影响，经过3年的稳定化处理后，污泥中的PAHs含量降到1.89mg/kg，其中除了生物降解作用外，芦苇各部位的PAHs含量明显增加，说明了芦苇起到不可忽视的作用。
　　植物体内PAHs的含量与植物生长环境中PAHs的含量、植物的品种有关；同一植物不同部位的PAHs含量也不同；生长在工厂附近的植物，根部PAHs总量甚至超过12.3mg/kg，远大于内源产生的PAHs[14]。本研究中，第3年末，污泥干化芦苇床内芦苇根、茎和叶对PAHs的富集较原生芦苇分别提高了8.50、3.52和3.08倍，显然在芦苇根系发生了明显的PAHs富集，并向芦苇的地上部分传递。
　　GaoandZhu研究了不同植物根系对PAHs的吸收，发现植物对PAHs的富集作用与土壤PAHs含量和植物构成有关[15]。大多研究表明较高的植物吸收PAHs能力较差，2～3环的PAHs从根系向上的输送的可能性较大[16]，植物体内的高环PAHs主要源于大气向叶子的沉降[17]。从研究的结果看，芦苇根茎叶中的PAHs以低环为主，中环次之，高环最低，与上述研究结论一致。而Guo等对白洋淀的相关研究认为，芦苇根系和叶子对四环PAHs的吸收较其他环PAHs高，尤其是根系跟容易富集PAHs，可能是由于根系的水分含量较茎叶高所致[8]。关于芦苇根系富集PAHs的结论与本研究一致，但如图6所示，研究中没有发现芦苇根茎叶水分含量与PAHs含量之间的直接相关性。而芦苇各部位的粗脂肪含量与PAHs含量之间线性相关度高达0.9996（R2），这可能和PAHs属亲脂类有机物有关[15]。一旦PAHs被吸收，植物可以通过木质化作用在新的植物中储藏它们的残片，可以代谢和矿化它们为水和二氧化碳，还可以使它们挥发[18]。污泥中的PAHs在芦苇体内各部位主要以富集作用为主。
　　3结论
　　1）污泥干化芦苇床中的芦苇能够有效富集污泥中的多环芳烃（PAHs），起到稳定污泥中难降解有机物的作用。
　　2）经2a的污泥负荷期和1a的闲置期，污泥干化芦苇床中的芦苇根茎叶所含PAHs显著增加，分别达到7.642、7.713、7.946mg/kg（DW），是原生芦苇根茎叶PAHs含量的8.50、3.52和3.08倍，且以低环PAHs为主，分别占根茎叶PAHs总量的55.14%、56.96%和44.59%。
　　3）污泥干化芦苇床芦苇中的PAHs含量与其粗脂肪含量具有显著的正相关关系，而与植物含水量无关。
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　　（编辑胡玲）