污泥蚓粪的土壤改良效果及其重金属健康风险*

赵淑艳 邢玉亮 周 鑫 刘 阳 范紫嫣 周 涛 宋 丹

(1.大连理工大学食品与环境学院，工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁 盘锦 124221；2.辽宁省城市污水处理管理中心，辽宁 沈阳 110033；3.辽宁华电环保科技有限公司，辽宁 沈阳 110033；4.辽宁省土壤肥料总站，辽宁 沈阳 110033)

污泥蚓粪的土壤改良效果及其重金属健康风险*

赵淑艳1邢玉亮1周 鑫2刘 阳3范紫嫣1周 涛1宋 丹4

(1.大连理工大学食品与环境学院，工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁 盘锦 124221；2.辽宁省城市污水处理管理中心，辽宁 沈阳 110033；3.辽宁华电环保科技有限公司，辽宁 沈阳 110033；4.辽宁省土壤肥料总站，辽宁 沈阳 110033)

将污泥蚓粪作为改良剂施用于土壤，研究了污泥蚓粪的最佳配比，并利用健康风险评价模型对生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)和小白菜(BrassicacampestrisL.ssp.chinensis(L.)Makinovar.communisTsenetLee)通过摄食途径进入人体的健康风险进行了评价。结果表明，风干污泥蚓粪占混合基质总质量的10%为最佳配比，该混合基质中铬未检出，镍、铜、锌、砷、镉、铅的质量浓度分别为(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，均未超过《土壤环境质量标准》(GB15168—1995)的二级标准和《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)。该混合基质中生长的生菜和小白菜的重金属检测结果表明，《食品中污染物限量》(GB2762—2012)中规定的铬、砷、镉和铅均未超标。健康风险评价结果表明，进行评价的铬、镍、铜、锌、砷、镉、铅不具有非致癌风险，砷、镉、铅不具有致癌风险。

污泥蚓粪 土壤 重金属 健康风险

近年来，我国污水处理厂发展迅速，污泥产量也大大增加。传统的污泥处理方法主要是焚烧和填埋。污泥填埋易产生渗滤液污染，而焚烧易产生有毒有害物质造成空气污染[1]。由于污泥中含有氮、磷等营养元素，作为土壤改良剂施加到农田中，能够改变土壤理化性质并促进植物生长[2]。但是，污泥中同时也含有病原微生物、重金属和有机污染物，难以直接农用，需进行稳定化处理。利用蚯蚓对污泥进行稳定化处理，可以去除病原微生物，分解有机污染物[3]。

经过蚯蚓稳定化后的污泥称为污泥蚓粪，是一种高效的生物有机肥。污泥蚓粪结构松散、孔隙率高、团粒结构丰富，能够改善土壤结构，提高土壤中微生物种群活性，增强土壤对营养物质的持有能力[4]。污泥蚓粪中还含有大量腐殖酸、磷酸盐、铵盐、钾盐及其他无机盐离子[5-6]。目前，已有研究表明，污泥蚓粪施用于土壤，能够加快植物的再生速度和叶绿素的生成[7]。然而，污泥蚓粪施用于土壤仍会导致一部分重金属进入土壤，可能会对生态环境及人体健康产生一定的影响。

然而，关于污泥蚓粪用于土壤改良剂的重金属风险评价还相对缺乏。本研究以食叶植物小白菜(BrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee)和生菜(LactucasativaL. var.ramosaHort.)为受试植物，通过室内盆栽实验，将污泥蚓粪作为土壤改良剂施用于盆栽土壤中，确定污泥蚓粪的最佳配比。同时，对污泥蚓粪施用后食叶植物的健康风险进行评价，为建立适合我国国情的污泥蚓粪作为土壤改良剂标准化提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器

试剂：重金属混标溶液购自西格玛，其中镉和锰的质量浓度均为10 mg/L，铬、铜和镍的质量浓度均为20 mg/L，砷和铅的质量浓度均为40 mg/L，锌的质量浓度为100 mg/L；硝酸、盐酸、高氯酸、双氧水均为优级纯。

仪器：Agilent 7900电感耦合等离子体质谱仪，GZX-9076MBE电热鼓风干燥器，CP213电子天平。

1.2 实验设计

土壤取自辽宁省沈阳市法库县某农田表层(0～20 cm)。污泥蚓粪取自辽宁省华电环保科技有限公司法库县基地。将100 kg污泥蚓粪和100 kg土壤分别平铺于铺设有塑料膜的水泥硬质地面上，自然状态下风干3周，将风干的污泥蚓粪与土壤粉碎后过20目筛得到风干污泥蚓粪和风干土壤。将风干污泥蚓粪和风干土壤按比例配成混合基质装于花盆中，使得风干污泥蚓粪占混合基质总质量的0、10%、30%、50%、70%、100%。在不同混合基质的花盆中分别播撒30粒生菜种子和20粒小白菜种子，播撒均匀。每个混合基质的花盆设置3个平行，放置于温室中培养34 d(每天白天27 ℃下光照14 h，晚上温度控制为22 ℃)。在植物生长过程中，每天观察植物的生长状况并浇洒适量的水，同时不定期随机调整花盆的位置。植物成熟后收集植物和混合基质样品，将植物用去离子水冲洗干净后在阴凉处晾干，称鲜质量。

1.3 样品处理与测试

混合基质样品前处理：称取一定量的样品于烧杯中，加入50%(体积分数)硝酸溶液10 mL，盖上玻璃表面皿加热1 h，若仍有棕黄色烟雾产生，再加入5 mL 50%硝酸、加热直至无棕黄色的烟雾产生。冷却后加入适量双氧水以去除油状物，继续加热，将溶液蒸干至5 mL，冷却后加入10 mL盐酸，加热15 min，冷却后加入40 mL去离子水，加热蒸干至1 mL，过滤，定容至25 mL，待测。

植物样品前处理：将称鲜质量后的植物样品放入80 ℃干燥箱中烘干至恒质量，研碎并过100目筛。称取一定量的过筛后植物样品于锥形瓶中，放数粒玻璃珠，加10 mL混合酸(硝酸、高氯酸体积比为3∶1)，加盖过夜，加热消解，若变棕黑色，再加10 mL混合酸加盖过夜，加热消解直至消化液无色透明，冷却后移入25 mL比色管中，定容摇匀，待测[8]。

重金属采用电感耦合等离子体质谱仪测定[9]。

2 结果与讨论

2.1 混合基质最佳配比选择

由图1可知，配比为0的混合基质中生菜和小白菜的生物量分别为33.5、33.3 g，添加不同配比的污泥蚓粪后生菜生物量均增加，其中10%混合基质对生菜生物量增加最明显；只有10%混合基质是促进小白菜生物量增加的。因此，10%混合基质的配比最佳。

图1 不同混合基质中植物的生物量Fig.1 The plants biomass growing in different mixed matrix

2.2 10%混合基质的重金属污染程度分析

由表1可知，10%混合基质中铬未检出，镍、铜、锌、砷、镉、铅的质量浓度分别为(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，均未超过《土壤环境质量标准》(GB 15168—1995)的二级标准和《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—84)。由于GB 15168—1995和GB 4284—84未对锰作出规定，暂不作讨论。

表1 10%混合基质中重金属质量浓度1)

注：1)ND表示未检出，计算时以0 mg/kg计，表4同。

采用单项污染指数(见式(1))[10]进一步定量评价10%混合基质的重金属污染程度。单项污染指数的分级标准如表2所示。

Pi=Qi/Si

(1)

式中：Pi为10%混合基质中重金属i的污染指数；Qi为10%混合基质中重金属i的质量浓度，mg/kg；Si为GB 15168—1995中重金属i的二级标准限值，mg/kg。

表2 单项污染指数分级标准

10%混合基质中重金属单项污染指数评价结果如表3所示。7种被评价的重金属Pi均小于1，污染程度为未被污染。

表3 单项污染指数评价结果

2.3 植物体内重金属富集程度分析

10%混合基质中的生菜和小白菜体内重金属质量浓度如表4所示，其中《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)对铬、砷、镉和铅作了限量规定，两种植物体内的这4种重金属均未超标。

表4 10%混合基质中的植物体内重金属质量浓度

采用生物富集系数(BCF)进行植物体内重金属富集程度分析。一般认为，当BCF≥1时，植物对重金属具有富集性[11]。由图2可知，生菜和小白菜对不同重金属的富集程度基本相似。生菜对铜、锌和镉3种重金属具有富集性，3者的BCF分别为1.24、2.10、1.00；小白菜只对锌具有富集性，富集系数为1.69。两种植物对锌均具有较高的富集性，这可能是由于锌是植物必须的微量元素，主要存在于植物的叶绿素中，而小白菜和生菜均是叶菜类植物，在生长过程中对锌的需求量很大。

图2 不同植物对不同重金属的BCFFig.2 BCF of different plants for different heavy metals

2.4 植物体内重金属对人体的非致癌风险

植物中重金属经摄食途径进入人体的日均暴露剂量计算公式如下：

(2)

式中：CDI为植物中重金属经摄食途径进入人体的日均暴露剂量，mg/(kg·d)；C为植物体内重金属质量浓度，mg/kg；I为日均摄入量，kg/d，我国居民平均每人食叶植物日均摄入量为0.2 kg/d[12]；BA为人体摄食的利用率，%，取15%；EF为暴露频率，d/a，取365 d/a[13]；ED为暴露时间，a，取《2007中国统计年鉴》中的72 a；BW为人体质量，kg，取60 kg[14]；AT为平均接触时间，d，其值为暴露时间的天数，即26 280 d。

表5 健康风险评价结果

采用风险商表征植物中重金属经摄食途径进入人体的非致癌风险，计算公式如下：

(3)

式中：HQ为风险商；RfD为参考剂量，mg/(kg·d)，各重金属RfD取值列于表5中。

若HQ≤1，一般认为无非致癌风险；若HQ>1，则存在非致癌风险。由表5可知，生菜和小白菜体内铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅的HQ均远小于1，说明生菜和小白菜在10%混合基质中生长，其累积的重金属对人体无非致癌风险。

2.5 植物体内重金属对人体的致癌风险

植物中重金属经摄食途径进入人体的致癌风险计算公式[15]如下：

R=1-exp(-CDI×q)

(4)

式中：R为致癌风险；q为致癌系数，kg·d/mg，从美国环境保护署(USEPA)的综合风险分析系统(IRIS)中可以查得砷、镉、铅的致癌系数[16]。

根据USEPA的规定，当R≤10-4时，污染物的致癌风险处于可接受范围内[17]，因此生菜和小白菜体内参与评价的砷、镉、铅致癌风险均处于可接受范围内，可以认为不会对人体产生致癌风险。

3 结 论

(1) 混合基质中风干污泥蚓粪质量分数10%为最佳配比，该混合基质中铬未检出，镍、铜、锌、砷、镉、铅的质量浓度分别为(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，均未超过GB 15168—1995的二级标准和GB 4284—84，单项污染指数均小于1，污染程度为未被污染。

(2) 10%混合基质中生长的生菜和小白菜重金属检测结果表明，GB 2762—2012中规定的铬、砷、镉和铅均未超标。生菜对铜、锌和镉具有一定的富集性，小白菜只对锌表现出富集性。

(3) 对10%混合基质中生长的生菜和小白菜体内铬、镍、铜、锌、砷、镉、铅进行非致癌风险评价，对砷、镉、铅进行致癌风险评价，均对人体不存在健康风险。

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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)

赵淑艳，女，1981年生，博士，讲师，研究方向为环境监测、生态污染控制与修复。

*国家自然科学基金资助项目(No.41603106);中央高校基本科研业务费专项(No.DUT16RC(4)83)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.001