污泥干化蘆葦床系統(tǒng)位于大連開發(fā)區(qū)污水處理廠，由污泥泵、進(jìn)泥箱和蘆葦床組成。蘆葦床規(guī)格為3.0 m×1.0 m×1.3 m，其中高度由65 cm填料層和65 cm超高組成，超高部分為污泥積存提供空間。填料層由下至上依次為爐渣20 cm、礫石20 cm、粗砂5 cm、細(xì)砂20 cm。蘆葦床底部設(shè)直徑20 cm、長(zhǎng)3 m排水花管，污泥滲濾液經(jīng)填料層通過(guò)排水管排出。排水管沿長(zhǎng)1/3和2/3處設(shè)通風(fēng)管，直接與大氣相連。

試驗(yàn)分為3 a，第1 a為調(diào)整期，第2 a正常運(yùn)行，第3 a為自然穩(wěn)定期。

第1年五月中旬開始啟動(dòng)，蘆葦移植后，經(jīng)過(guò)25 d適應(yīng)性培養(yǎng)，然后按間歇方式布泥。布泥周期為7 d，進(jìn)泥量600 L，進(jìn)泥時(shí)間約半小時(shí)。第1年共歷時(shí)18個(gè)周期，秋季蘆葦枯死后停止運(yùn)行。第2年系統(tǒng)從啟動(dòng)到結(jié)束共運(yùn)行了24個(gè)周期。2 a期間蘆葦床進(jìn)泥總厚度為8.4 m，污泥含水率、總懸浮固體(TSS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)濃度平均分別為99.14%、8.14 g/L和7.04 g/L，蘆葦床污泥負(fù)荷為41.3 kg (TSS) /(m²·a)。

蘆葦床進(jìn)泥的PAHs平均含量為5.69 mg/kg，以低環(huán)PAHs(包括2~3環(huán)的萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽)為主，占48.01%；中環(huán)PAHs(包括4環(huán)的芘、苯并(a)蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽)占33.14%，高環(huán)PAHs(包括5~6環(huán)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年末蘆葦床中污泥PAHs含量平均為1.86 mg/kg，其中低環(huán)PAHs占32.43%；中環(huán)PAHs占43.63%，高環(huán)PAHs占24.12%。

樣品經(jīng)自然風(fēng)干，研磨過(guò)100目篩，稱取1 g樣品于100 mL錐形瓶中，加入2 g無(wú)水硫酸鈉和1 g銅粉，加入60 mL正己烷二氯甲烷(1:1)混合溶劑，封口，超聲萃取90 min，離心(3 000 r/min)30 min，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后定容至4 mL，待用。

樣品提純：超聲萃取后樣品用柱層析方法提純。稱取2.0 g硅膠，3.0 g無(wú)水硫酸鈉(在600 ℃灼燒6 h)與少量正己烷于燒杯內(nèi)制成勻漿，濕法填裝層析柱。層析柱下端放入少量脫脂棉做支柱填料，加入0.3 g石英(60~80目，在130 ℃活化16 h)，用10 mL正己烷潤(rùn)濕柱子，加入40 mL(1:1)二氯甲烷、正己烷洗脫樣品，將洗脫液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，用高純氮?dú)獯祾叨ㄈ葜? mL樣品瓶中，用GC/MS以外標(biāo)法定量測(cè)定PAHs。

GC/MS條件：GC-2010型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津公司)，色譜柱為SE-54型高分辨率彈性石英毛細(xì)管柱，柱長(zhǎng)30.00 m，內(nèi)徑0.25 mm，膜厚0.25 μm。柱溫升溫程序：100 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至280 ℃，保持30 min。進(jìn)樣量1 μL。載氣為高純氮?dú)�，柱流�?.88 mL/min，尾吹氣流速20 mL/min；柱前壓85.6 kPa；采用分流進(jìn)樣，分流比為10:1；進(jìn)樣口溫度280 ℃；檢測(cè)器溫度280 ℃；EI電離方式，電離能70 eV。全掃描測(cè)定方式的掃描范圍為100~400 amu。

蘆葦床運(yùn)行的第2年和第3年，分別取處于生長(zhǎng)末期的原生蘆葦樣品，檢測(cè)其PAHs含量，結(jié)果見表 1。

1  原生蘆葦平均PAHs含量

(mg·kg-1)
PAHs代碼	PAHs	平均含量/10-1
		根	莖	葉
1	NaP(萘)	0.021	0.375	0.195
2	Acy(苊烯)	0.307	1.334	0.464
3	Ace(苊)	0.628	2.038	1.491
4	Fle(芴)	1.760	4.177	1.552
5	Phe(菲)	2.203	4.156	1.570
6	Ant(蒽)	1.294	3.689	4.352
7	Fla(熒蒽)	0.116	1.092	0.845
8	Pyr(芘)	0.225	1.09	1.681
9	BaA(苯并(a)蒽)	0.329	0.445	1.082
10	Chr(屈)	0.146	0.932	5.959
11	BbF(苯并[b]熒蒽)	0.236	0.646	1.685
12	BkF(苯并[k]熒蒽)	0.226	0.268	1.750
13	BaP(苯并[a]芘)	0.059	0.059	0.656
14	IcP(茚并(1, 2, 3-cd)芘)	0.386	0.400	1.059
15	DaA(二苯并(a, h)蒽)	0.807	0.705	0.652
16	BgP(苯并(g, h, i)芘)	0.247	0.520	0.841
ΣPAHs		8.990	21.930	25.830

下載: CSV

原生蘆葦PAHs含量分布具有如下特征：1) PAHs總量：葉>莖>根，莖和葉中的PAHs含量相對(duì)較高，分別是根系的2.44和2.87倍；2) 蘆葦根莖葉所含PAHs中三環(huán)的Ace(苊)、Fle(芴)、Phe(菲)、Ant(蒽)含量較高，相對(duì)四環(huán)以上的成分較少；3) 蘆葦莖中二到三環(huán)的PAHs如NaP(萘)、Acy(苊烯)、Ace(苊)、Fle(芴)、Phe(菲)明顯高于根和葉；而四環(huán)以上的Pyr(芘)、BaA(苯并(a)蒽)、Chr(屈)、BbF(苯并[b]熒蒽)、BkF(苯并[k]熒蒽)、BaP(苯并[a]芘)、IcP(茚并(1, 2, 3-cd)芘)、BgP(苯并(g, h, i)芘)在蘆葦葉中的含量又明顯高于根和莖。

污泥干化蘆葦床運(yùn)行到第2年，分別取9月、10月和11月月底的蘆葦樣品，檢測(cè)其根莖葉所含PAHs的分布情況，檢測(cè)結(jié)果見圖 1至圖 3。第3年11月底蘆葦樣品PAHs含量分布如圖 4所示。

1  第2年蘆葦根PAHs含量變化

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

2  第2年蘆葦莖PAHs含量變化

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

3  第2年蘆葦葉PAHs含量變化

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

4  第3年蘆葦根莖葉PAHs含量變化

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

污泥干化蘆葦床中蘆葦各部位PAHs總量與原生蘆葦對(duì)比情況見表 2。

2  污泥干化蘆葦床中蘆葦各部位PAHs總量/10^-1

(mg·kg-1)
部位	第2年				第3年		原生
	9月	10月	11月		11月		蘆葦
根	24.054	31.616	36.829		76.42		8.99
莖	33.184	41.779	35.278		77.13		21.93
葉	34.126	44.336	37.485		79.46		25.83

下載: CSV

宏觀上看，2個(gè)蘆葦床中的蘆葦根莖所含PAHs主要為三環(huán)烴，另BbF(苯并[b]熒蒽)的含量相對(duì)較高；而蘆葦葉中除主要含三環(huán)烴外，四環(huán)以上的Pyr(芘)、Chr(屈)、BbF(苯并[b]熒蒽)、BkF(苯并[k]熒蒽)含量較高，尤其富含Chr(屈)。

處于負(fù)荷期第2年的蘆葦在生長(zhǎng)末期，蘆葦根系所含PAHs隨時(shí)間逐月增高，11月份達(dá)到最大值；莖和葉的PAHs含量在十月份達(dá)到最大值；根莖葉對(duì)PAHs產(chǎn)生了明顯的的富集作用。

處于自然穩(wěn)定期的第3年末，蘆葦根、莖和葉對(duì)PAHs的富集較原生蘆葦分別提高了850%、352%和308%；蘆葦根中含量最高的是Chr(屈)，達(dá)1.64 mg/kg，含量最小的是NaP(萘)，為0.032 mg/kg。蘆葦莖中含量最高的是Ant(蒽)，達(dá)1.473 mg/kg，含量最小的是NaP(萘)，為0.098 mg/kg。蘆葦葉中含量最高的是Phe(菲)，達(dá)1.596 mg/kg，含量最小的是Fla(熒蒽)，為0.087 mg/kg。

表 3列出了蘆葦不同部位各種多環(huán)芳烴含量在總量中的比例�？梢�，蘆葦根莖葉中不同多環(huán)芳烴的含量差異很大。蘆葦根中從0.42%(萘)到21.46%(屈)，蘆葦莖中從1.27%(萘)到19.1%(蒽)，蘆葦葉中從1.09%(熒蒽)到20.1%(菲)。

3  蘆葦中PAH平均百分組成

蘆葦中高、中、低環(huán)PAHs百分組成列于表 4。

4  蘆葦中高、中、低環(huán)PAHs百分組成

多環(huán)芳烴	占總量的百分比/%
	根	莖	葉
低環(huán)	55.14	56.96	44.59
中環(huán)	34.49	26.57	35.06
高環(huán)	10.36	16.48	20.35

下載: CSV

蘆葦根、莖、葉中所含PAHs的量具有低環(huán)>中環(huán)>高環(huán)特征；尤其是根和莖中低環(huán)多環(huán)芳烴占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，含量都超過(guò)50%；而高環(huán)多環(huán)芳烴在根、莖、葉中的含量呈升高趨勢(shì)，即葉>莖>根。

低環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦莖中的含量最高，達(dá)56.96%，在葉中的含量最低，為44.59%；中環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦葉中的含量最高，達(dá)35.06%，在莖中的含量最低，為26.57%；高環(huán)多環(huán)芳烴在蘆葦葉中的含量最高，達(dá)20.35%，在根中的含量最低，為10.36%。

粗脂肪和水分是植物體內(nèi)的重要物質(zhì)，了解植物粗脂肪和水分含量對(duì)多環(huán)芳烴的影響是分析污染物在植物體內(nèi)遷移的重要依據(jù)。將蘆葦根、莖、葉中的粗脂肪和水分含量分別與多環(huán)芳烴含量做關(guān)系圖，如圖 5、6所示。

5  蘆葦粗脂肪含量與多環(huán)芳烴含量關(guān)系

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

6  蘆葦水分含量與多環(huán)芳烴含量關(guān)系

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

可見，蘆葦組織中多環(huán)芳烴含量與粗脂肪含量和水分含量之間的相關(guān)性存在顯著差異。蘆葦各部位多環(huán)芳烴總量與粗脂肪含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 6(R²)，即粗脂肪含量越高，多環(huán)芳烴含量越大。而多環(huán)芳烴總量與植物水分含量沒有明顯的相關(guān)性。

植物在全球PAHs循環(huán)中起到重要作用，PAHs在植物體內(nèi)的吸收途徑主要有：通過(guò)根系從土壤中吸收，然后再?gòu)母�系向莖葉轉(zhuǎn)移；大氣中揮發(fā)性有機(jī)物在根系和幼苗上的吸附；從污染土壤或降塵中吸附在表皮，或通過(guò)吸收進(jìn)行滲透進(jìn)入植物體內(nèi)^[6-7]。

原生蘆葦所含PAHs可能通過(guò)根系從土壤中進(jìn)入，也可以從大氣通過(guò)氣相和顆粒沉積經(jīng)葉片吸收。葉片中的高PAHs含量暗示著這些PAHs來(lái)源于大氣中的氣相和顆粒沉積，大氣沉降成為植物葉子中PAHs的主要輸入途徑；而根系PAHs的低濃度源于其生存土壤的低PAHs含量^[8]。有研究表明，污染源排放到大氣中的PAHs，其中(44±18)%被植物吸收、凈化。從檢測(cè)結(jié)果分析，暴露于大氣中的蘆葦莖葉起到了直接吸收大氣中PAHs的作用，且以吸收低環(huán)的Ace(苊)、Fle(芴)、Phe(菲)、Ant(蒽)為主。

植物修復(fù)是利用植物原位處理污染土壤、水、污泥的一種方法，植物可通過(guò)吸收、固定、揮發(fā)污染物，并能釋放一些分泌物、酶以利于降解有機(jī)污染物，并可刺激根區(qū)微生物的活性來(lái)進(jìn)行PAHs的污染修復(fù)^[9]。植物對(duì)PAHs的修復(fù)作用因植物種類不同而效果不同，例如田間試驗(yàn)中玉米、高梁對(duì)PAHs的降解效果顯著的好于三葉草和紫花苜蓿^[10]。但針對(duì)污泥干化蘆葦床中污泥PAHs的去除效果和蘆葦?shù)淖饔脙H見于Cui等人的初步報(bào)道^[11]。Muratova等人用盆栽試驗(yàn)研究了蘆葦和紫花苜蓿根際修復(fù)PAH污染土壤，兩年后，紫花苜蓿和蘆葦根際處理PAH去除率分別為74.5%和68.7%，該研究主要針對(duì)根際微生物展開研究，并未提及蘆葦?shù)墓π?/span>^[12]。

Ren等報(bào)道了熒蒽、菲、奈對(duì)水萍的光誘導(dǎo)性毒害，認(rèn)為隨著苯環(huán)的增加其毒害癥狀趨于明顯^[13]。而本研究中，5.69 mg/kg的進(jìn)泥PAHs含量并未造成對(duì)蘆葦生長(zhǎng)的不良影響，經(jīng)過(guò)3年的穩(wěn)定化處理后，污泥中的PAHs含量降到1.89 mg/kg，其中除了生物降解作用外，蘆葦各部位的PAHs含量明顯增加，說(shuō)明了蘆葦起到不可忽視的作用。

植物體內(nèi)PAHs的含量與植物生長(zhǎng)環(huán)境中PAHs的含量、植物的品種有關(guān)；同一植物不同部位的PAHs含量也不同；生長(zhǎng)在工廠附近的植物，根部PAHs總量甚至超過(guò)12.3 mg/kg，遠(yuǎn)大于內(nèi)源產(chǎn)生的PAHs ^[14]。本研究中，第3年末，污泥干化蘆葦床內(nèi)蘆葦根、莖和葉對(duì)PAHs的富集較原生蘆葦分別提高了8.50、3.52和3.08倍，顯然在蘆葦根系發(fā)生了明顯的PAHs富集，并向蘆葦?shù)牡厣喜糠謧鬟f。

Gao and Zhu研究了不同植物根系對(duì)PAHs的吸收，發(fā)現(xiàn)植物對(duì)PAHs的富集作用與土壤PAHs含量和植物構(gòu)成有關(guān)^[15]。大多研究表明較高的植物吸收PAHs能力較差，2~3環(huán)的PAHs從根系向上的輸送的可能性較大^[16]，植物體內(nèi)的高環(huán)PAHs主要源于大氣向葉子的沉降^[17]。從研究的結(jié)果看，蘆葦根莖葉中的PAHs以低環(huán)為主，中環(huán)次之，高環(huán)最低，與上述研究結(jié)論一致。而Guo等對(duì)白洋淀的相關(guān)研究認(rèn)為，蘆葦根系和葉子對(duì)四環(huán)PAHs的吸收較其他環(huán)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較莖葉高所致^[8]。關(guān)于蘆葦根系富集PAHs的結(jié)論與本研究一致，但如圖 6所示，研究中沒有發(fā)現(xiàn)蘆葦根莖葉水分含量與PAHs含量之間的直接相關(guān)性。而蘆葦各部位的粗脂肪含量與PAHs含量之間線性相關(guān)度高達(dá)0.999 6(R²)，這可能和PAHs屬親脂類有機(jī)物有關(guān)^[15]。

一旦PAHs被吸收，植物可以通過(guò)木質(zhì)化作用在新的植物中儲(chǔ)藏它們的殘片，可以代謝和礦化它們?yōu)樗�和二氧化碳，還可以使它們揮發(fā)^[18]。污泥中的PAHs在蘆葦體內(nèi)各部位主要以富集作用為主。