城市污泥热裂解固态产物对污染水稻土中砷形态转化的影响机理

Pyrolysis technology to deal with urban sewage sludge is becoming a new hot research topic, and security applications of solid product in farmland, as a critical point of sludge resourcing technology, has attracted wide attention. Some paddy areas in Southern China have been seriously contaminated by arsenic, and the documents showed that application of sludge pyrolysis solid in contaminated paddy soil can promote the rice yield, regulate the environmental behavior of arsenic, however, the impact mechanisms of amendment of sludge pyrolysis solid on the transformation of arsenic species remain poorly understood. In this proposal, a series of experiments will be carried out in greenhouse to systematically study the impact mechanisms of sludge pyrolysis solid on transformation of arsenic species in paddy soil using combined modern chemical and molecular methodologies, such as HLPC-ICP-MS, synchrotron radiation technique and so on. The key research points are as follows: 1) to investigate the effects of different amount of sludge pyrolysis solid on the paddy soil properties. 2) to probe the key mechanisms and factors controlling arsenic bioavailability and species transformation in paddy soil. 3) To determine the abundance, diversity and expression of key microbial functional genes controlling arsenic species transformation in paddy soil. The achievements of this project can give us a further insight into the influencing mechanism of the application of sludge pyrolysis solid on the environmental behavior of arsenic in paddy soil and provide scientific-technical support to the sewage sludge resourcing.

热裂解技术处置城市污泥正在成为一个新兴研究热点，其固态产物的农田安全应用作为实现污泥资源化利用的重要环节备受关注。我国南方部分稻区土壤砷污染严重，研究表明污泥热裂解固态产物施用于砷污染水稻田，可提高作物产量、调控土壤中砷的环境行为，但其影响土壤中砷形态转化的化学与微生物学机理尚不明确。本研究拟采用HPLC-ICP-MS、同步辐射、Illumia高通量测序等现代分析化学和微生物分子技术，通过城市污泥热解产物输入砷污染土壤-水稻系统的系列研究工作，解析污泥热解产物输入对水稻土理化性状的影响；阐明污泥热解产物施用后污染水稻土中砷赋存形态、转化特征及关键调控因子；探讨水稻土中涉砷功能微生物和功能基因在污泥热解产物输入后对砷形态转化的贡献与影响；力图系统阐释污泥热解产物施用影响污染水稻田中砷形态转化的化学和微生物学机理。研究成果将为城市污泥资源化产物在砷污染水稻田的合理、安全应用提供理论和实践指导。

热裂解技术处置城市污泥是一个研究热点，其固态产物的农田安全应用作为实现污泥资源化利用的重要环节备受关注。课题通过盆栽模拟和田间实验，开展污泥热解固态产物施用水稻土后对砷环境行为的影响研究。.包括：1）热解技术处置市政污泥的固态产物分析表明材料偏碱性，有机质、比表面积以及砷等重金属含量增加，但是重金属有效性显著降低，满足污泥施用相关环境标准。2）污泥热解固态产物输入水稻土老化实验表明，高比例施用会导致土壤pH和有机质显著升高。实验初期土壤溶液砷主要以无机态存在。随着时间延长产生DMA(V)、MMA(V)和TMAO(V)等有机砷形态。基于Tessier法的赋存形态分析显示，实验末期施用污泥固态产物处理下土壤砷易迁移形态（可交换态和碳酸盐结合态）增加。3）温室盆栽模拟实验研究显示，水稻根系土壤溶液砷在初期主要以As(V)和As(III)形态存在。随水稻生长多种有机砷逐渐增加，比较稳定的有机砷形态主要是DMA(V)，生长后期施用污泥固态产物处理对根际土壤溶液中有机和无机砷都表现出抑制作用。赋存形态分析显示根际土壤砷以残渣态为主，其随污泥热解固态产物添加量的增加逐渐降低。总体而言，污泥热解固态产物添加处理下水稻植株地上部和根对砷的吸收均明显低于对照。水稻吸收多种重金属与土壤中对应有效态显著相关，同时土壤pH值和有机质含量是关键的影响因子。4）田间施用污泥热解固态产物对于水稻植株高度的影响并不显著，但对分蘖数和产量具有明显的提高作用，可降低稻谷、稻冠与稻根中有毒重金属含量，明显降低EDI和HQ指标，有利用于提高种植的生物安全性。5）热裂解技术处理的固态产物引入含铁基团后可以显著强化对砷的吸附作用，随着铁基团的增加吸附量也增大。在砷(V)和镉(II)的复合溶液中，含铁基团的热解固态产物对砷(V)的吸附显著升高，且对镉(II)离子的同时去除率保持在50%以上。 .课题基本按照计划完成研究工作，研究成果可为污泥资源化利用以及热解技术处理的固态产物在农田应用提供一定的科技支撑。