随着污水处理厂的日益增多以及污水处理量的增加,污泥的产量急剧增加^{[1, 2, 3]},大量污泥带来的二次污染问题严重,对此我国环保工作者的研究重点就是找到适合国情的污泥处理方式^[4]。污泥成分非常复杂,含有丰富的有机质^[5],氮、磷、钾等营养元素和多种植物生长所需的微量元素^[6],使用污泥作为肥源对增加作物产量具有积极作用,目前世界各国普遍采用农用的方式处理污泥^[7]。但污泥含有的大量病原菌、寄生虫和多种重金属^{[8, 9]},以及其包裹态的形态都成为污泥再利用的限制因素。臭氧是一种强氧化性气体^[10],在杀菌、消毒、脱色、除臭、氧化难降解有机物^[11]等方面有明显优势,臭氧-紫外联合工艺是将紫外照射与臭氧结合,利用臭氧在紫外光照射下分解产生的强氧化性氧化剂来氧化有机物^[12]。臭氧消毒过程会因破坏细胞结构及污泥颗粒而改变养分形态进而影响养分的利用效率,对后期农用造成一定的影响^{[13, 14]}。

本文利用臭氧-紫外联合处理消化池污泥,通过水培大叶木耳菜[G.cusimbua (D.Don) S.Moore in Journ.]分析其产量与品质,探讨臭氧-紫外联合处理消化池污泥用于水培的可行性,以期为消化污泥安全农用提供理论依据和实践指导。

供试污泥取自天津纪庄子污水处理厂消化池,含水率为99.5%,该厂所处理污水为单一的生活污水,不掺杂工业源,经检测所选用的供试污泥符合《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284-1984)的具体要求,污泥经臭氧-紫外联合处理0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h,处理后污泥基本性质见表 1。实验用O3浓度为65~85 mg·L^-1,紫外线波长为395~400 nm,供试蔬菜为大叶木耳菜。试验于2014年8月20日至2014年9月30日在农业部环境保护科研监测所日光温室(北纬39°40′,东经117°06′)内进行,生长期共计40 d。温室内最高气温33.9℃,最低气温14.2℃。

处理后污泥作为水肥使用,投加量为每个处理50 L,大叶木耳菜在人工基质中育苗,长出3~5片真叶后定植^[15]。定植前,用蒸馏水洗净植物根部。水培采用NFT水培系统,设置每间隔1 h循环水10 min。试验共设置7个处理:臭氧-紫外联合处理污泥0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h分别记为T1、T2、T3、T4、T5、T6组,霍格兰标准营养液为对照,记为CK组。霍格兰标准营养液pH6.2,其中大量元素浓度如下:硝态氮113 mg·L-1,铵态氮14 mg·L^-1,磷31 mg·L^-1,钾197 mg·L^-1。每个处理重复3次,每个水培架定植40株,每隔2 d用蒸馏水补充因蒸散发造成的水分损失。

每隔10 d从每个水培架取具有代表性的5株植株,测定其总鲜重、地上部鲜重、株高、叶片数。地上部鲜重是将木耳菜植株从根部切断,用滤纸吸净表面水分后置于千分之一天平上测量获得;维生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定,叶绿素含量采用SPAD-502 Plus便携式叶绿素仪测定,可溶性蛋白质采用考马斯亮蓝G-250染色法测定^[16];粪大肠菌群采用酶底物法培养^[17]。

数据在Excel中简单整理后,在Origin 8.6中完成图表处理。

各处理水培大叶木耳菜总鲜重及地上部鲜重如图 1所示。大叶木耳菜总鲜重及地上部鲜重均呈现CK>T6>T5>T4>T3>T2>T1的趋势。T1~T3组总鲜重在第20~30 d增长最快,增长速率分别为0.89、0.93、0.90 g·株^-1·d^-1;T4~T6组总鲜重在第30~40 d增长最快,增长速率分别为0.99、1.14、1.24 g·株^-1·d^-1;T1~T5组地上部鲜重在第20~30 d增长最快,增长速率分别为0.78、0.81、0.78、0.85、0.95 g·株^-1·d^-1;T6组地上部鲜重在第30~40 d增长最快,增长速率为1.02 g·株^-1·d^-1;CK组总鲜重及地上部鲜重增长最快时间均为第20~30 d之间,增长速率分别为3.71、3.23 g·株^-1·d^-1。随臭氧-紫外处理污泥时间的延长,收获即定植第40 d时,T2~T6组总鲜重分别比T1组提高0.63、1.13、4.09、7.06、7.90 g·株^-1;地上部鲜重分别提高0.53、0.96、3.48、6.00、6.71 g·株^-1。污泥处理组大叶木耳菜鲜重比CK组低,推测处理污泥中氮素形态及比例对大叶木耳菜可能不是最适宜的,硝态氮搭配适量的铵态氮更有利于其生长,但铵态氮比例超过50%时,会显著抑制其生长^[18];处理组T1~T6污泥中硝态氮含量上升,铵态氮含量下降,所以大叶木耳菜鲜重随之增加。

图 1 不同处理下大叶木耳菜总鲜重及地上部鲜重 Figure 1 Fresh weights of whole plant and above-ground part of G. cusimbua in different treatments

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各处理水培大叶木耳菜的株高和叶片数如图 2所示。CK组无论株高或叶片数均高于污泥处理组,其中污泥处理组大叶木耳菜的叶片数与CK组之间存在显著性差异。污泥处理组的大叶木耳菜株高和叶片数在第20~30 d增长最快,增长速率分别为0.48 cm·株^-1·d^-1和0.63片·株^-1·d^-1。推测过高浓度的养分含量会抑制蔬菜生长,尤其是在铵态氮含量高的条件下,可能会引起膜脂过氧化而形成毒害作用。前人在大豆、烟草等植物中均得到了相似的结论^[19]。

图 2 不同处理下大叶木耳菜株高及叶片数 Figure 2 xPlant height and leaf number of G.cusimbua in different treatments

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图 3所示为不同处理水培大叶木耳菜的维生素C含量。维生素C是蔬菜营养品质的一个重要指标,蔬菜维生素C含量的高低和人类健康有着极为密切的关系。污泥处理组的大叶木耳菜维生素C含量明显高于CK组,各处理组维生素C含量呈现T1>T2>T3>T4>T5>T6>CK。T1~T6组维生素C含量在第30~40 d增加最快,10 d内增幅分别为0.19、0.19、0.17、0.13、0.14、0.14 mg·100 g^-1;CK组维生素C含量在第20~30 d增加最快,增幅为0.03 mg·100 g^-1。定植第40 d时,与CK组相比,污泥处理组T1~T6维生素C含量分别提高0.43、0.36、0.30、0.25、0.24、0.24 mg·100 g^-1。说明污泥作为水培营养液有利于大叶木耳菜维持较高的维生素C含量。但T1~T6组污泥随臭氧-紫外处理时间的延长,不同处理组对比维生素C有降低趋势,推测是污泥破壁释放出更多的金属离子,对植株中维生素C产生负面影响^[20]。

图 3 不同处理下大叶木耳菜维生素C含量 Figure 3 Ascorbic acid content of G. cusimbua in different treatments

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不同处理水培大叶木耳菜的叶绿素含量如图 4所示。大叶木耳菜叶绿素含量呈现T1>T2>T3>T4>T5>T6>CK趋势,且在第30 d左右叶绿素含量达到最高,随后开始下降。T1、T2、T3组叶绿素含量在第20~30 d增长最快,增幅分别为2.46、2.92、2.98 SPAD;T4、T5、T6组和CK组在第10~20 d增长最快,增幅分别为2.95、3.09、2.71、7.25 SPAD。T1~T6组及CK组在第30~40 d叶绿素降幅分别为3.32、3.72、3.83、3.74、3.48、3.10、7.80 SPAD。以上结果表明污泥可以提高大叶木耳菜叶片中叶绿素的含量。定植第40 d时,与CK组相比,T1~T6组叶绿素含量分别提高7.70、6.44、5.73、5.02、4.97、4.95 SPAD。氮素和Mg是组成叶绿素的主要元素,Cu、Zn等是叶绿素形成过程中酶的活化剂,实验过程后期,叶绿素整体下降,考虑是两方面因素:一方面是通过前期实验测得,随着曝气时间的延长,原始污泥样中的氮素在曝气过程中会以氨气和氮气的形式被少量吹脱而损失,致使系统中的氮含量下降;另一方面,本实验为了减少在植物生长期间营养物投加可能造成的实验结果干扰,给定初始同种原始污泥,经不同处理后,采用一次投加和后续补水的方式进行水培,到了后期水培液中N元素因被植物利用而使整体溶液浓度降低,从而引起相对的氮不足。

图 4 不同处理下大叶木耳菜叶绿素含量 Figure 4 Chlorophyll content of G. cusimbua in different treatments

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图 5所示为不同处理水培大叶木耳菜中可溶性蛋白质含量。不同处理组的大叶木耳菜可溶性蛋白质含量趋势为T1>T2>T3>T4>T5>T6>CK。T1~T6组可溶性蛋白质含量在第10~20 d增长最快,10 d内增幅分别为4.76、4.16、3.54、3.49、3.24、3.98 mg·g^-1;CK组在第20~30 d增长最快,增幅为1.95 mg·g^-1。定植第40 d时,污泥处理组T1~T6植株中可溶性蛋白质含量比CK组分别提高5.35、4.75、3.98、3.72、3.10、2.55 mg·g^-1。氮是植物体内氨基酸的组成部分,是构成蛋白质的成分,因污泥中总氮含量高于CK组营养液,所以污泥水培的大叶木耳菜中可溶性蛋白质含量多于CK组。随臭氧-紫外处理时间的延长,T1~T6组污泥中可被植物吸收利用的总氮素含量降低,大叶木耳菜中可溶性蛋白质含量也随之下降。

图 5 不同处理下大叶木耳菜可溶性蛋白质含量 Figure 5 Soluble protein content of G. cusimbua in different treatments

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大叶木耳菜种植第40 d收获时,植株中粪大肠菌群个数如图 6所示。植株中粪大肠菌群个数在不同处理组中呈现T1>T2>T3>T4>T5>T6>CK趋势。收获时T1~T6组植株中粪大肠菌群个数分别为264.7、92.5、36.3、18.5、10.0、7.1 MPN·g^-1,CK中粪大肠菌群个数为6.4 MPN·g^-1。这是因为随臭氧-紫外处理时间的延长,T1~T6组污泥中粪大肠菌群的个数减少,随之大叶木耳菜中粪大肠菌群个数也减少。鉴于我国目前尚缺少对蔬菜中粪大肠菌群数量的明确限量标准,参考其他国家类似产品标准,即粪大肠菌群不得高于100 MPN·g^-1的限量值^[21],T1处理的大叶木耳菜中粪大肠菌群已超过该标准限量值。

图 6 不同处理下收获时（第40 d）大叶木耳菜中粪大肠菌群个数 Figure 6 Number of fecal coliform on G. cusimbua in different treatments atharvest (the 40th day)

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(1)霍格兰营养液水培大叶木耳菜,植株鲜重、地上部分鲜重、株高和叶片数均高于污泥处理组。但污泥处理组中,随臭氧-紫外处理污泥时间的延长,植株鲜重、地上部鲜重增加。

(2)第40 d收获时,除未经臭氧-紫外的大叶木耳菜中粪大肠菌群高出标准限量值,其他污泥处理组及CK组植株中粪大肠菌群个数均符合标准。

(3)与霍格兰营养液相比,污泥水培有利于提高大叶木耳菜中维生素C、叶绿素含量,维持较高可溶性蛋白质含量。但随臭氧-紫外处理时间的延长,污泥水培植株中维生素C、叶绿素和可溶性蛋白质含量有所降低。

(4)综合考虑大叶木耳菜产量、品质、卫生学指标及污泥处理成本,臭氧-紫外处理污泥0.5 h更适合水培大叶木耳菜。