蚯蚓对煤矿区土壤重金属的富集研究.pdf

2020.24 科学技术创新 （转下页） AIR PREHEATERS, 更换为全新的二台两分仓回转式空气预热 器。更换后的空气预热器型号为24-VI （B） -1500-QMR， 主轴垂直 布置， 转子有效内直径6600mm， 换热元件总高度1500mm。 单台空气预热器采用24分仓结构， 双密封技术。传热元件为 模块式， 采用从预热器上方抽出的方式安装， 便于更换。传热元件 分两层布置，高温段元件材质选用 SPCC，低温段元件材质为 CRLS。 空预器轴承采用油浴润滑， 导向轴承采用循环水冷却， 支撑轴 承自然冷却。 单台空气预热器冷热端各配一只蒸汽吹灰器。 并配有 消防水和固定清洗水管。 空气预热器采用围带传动。单台空预器配一台主电机和一台 辅电机， 当主电机发生故障停转时， 辅电机自动投运。并配有停转 报警及着火探测装置， 信号传至锅炉DCS。 2.4 吹灰器改造。 因为燃用煤质灰分较大， 含 cl成分、 S成分较 高， 并且炉膛并未设置吹灰器， 为满足锅炉各受热面换热能力， 保 证锅炉各级受热面进出口工质温度及烟气温度，在各受热面适当 位置增设一定数量的吹灰器， 满足各受热面的吹灰需求， 减少飞灰 的沉积， 防止烟道堵塞。改造中增设炉膛墙式吹灰器， 并对关键部 件区域增设长伸缩式吹灰器。 3 锅炉本体改造预期效果 本次改造主要依据原有锅炉设计方案进行元件的更换并配 以增设必要的监控、 调节措施， 在改造后必须要改进现有的锅炉运 行方式。 须按锅炉正常运行要求， 不能非故障停运高加、 低加、 给水 加热器等部件， 应尽可能保证锅炉给水温度至设计值。 避免给水温 度过低造成对锅炉相关设备 （如空气预热器） 、 锅炉性能指标 （锅炉 出力） 的影响。 改善锅炉给水品质， 满足相关标准规定， 避免因水质 不合格而导致对锅炉受热面管子产生结垢、 腐蚀和破坏。 不推荐在 高负荷运行时采用8只燃烧器运行的运行方式。避免燃烧器热负 荷过高，燃烧器区域壁面热负荷过高而导致炉膛结焦并且建议锅 炉改造后进行整体酸洗。 3.1 受压元件。本次改造依据原有锅炉设计进行受压元件的 更换， 不影响受压元件原有的性能设计能力， 整体更换的除包墙系 统外的全部炉内受压元件，恢复受压元件应有的吸热能力及传热 能力。同时增设炉管泄露、 壁温测点等热工设备， 监控炉内运行状 态， 提前预警， 避免二次破坏。 3.2 燃烧系统。通过本次燃烧系统的统一改造， 降低现运行中 燃油量过大的问题。提高整体燃烧效率， 有效降低燃烧损失， 降低 最低稳燃负荷至 40BMCR， 同时推荐采用微油点火系统， 相比较 于大油枪系统， 节油效果显著， 减少油耗量。 3.3 吹灰系统改造。通过增设炉膛墙式吹灰器， 加强炉膛内部 燃烧系统的吹灰能力， 缓解燃烧区域结焦。 在屏式过热器屏底增设 长伸缩式吹灰器不仅可以满足受热面吹灰需要，减轻屏式过热器 屏底结焦情况。 在各受热面适当位置增设一定数量的吹灰器， 满足 锅炉各受热面换热能力，保证锅炉各级受热面进出口工质温度及 烟气温度， 满足各受热面的吹灰需求， 减少飞灰的沉积， 防止烟道 堵塞， 可有效提升锅炉长期安全稳定运行。 3.4 空气预热器改造。本次改造依据原有空气预热器设计进 行更换并优化传热元件， 通过本次改造， 改善预热器工作环境， 控 制烟风阻力， 改善预热器堵灰和低温腐蚀问题。 蚯蚓对煤矿区土壤重金属的富集研究 樊 平 1 侯 乐 2* 李 芳 2袁3 牛蓓蓓 2 李新举 2 杨云辉 4 李大为 5 （1、 山东省滨州市农业农村局， 山东 滨州2566002、 山东农业大学资源与环境学院， 山东 泰安271000 3、 山东农业大学经济与管理学院， 山东 泰安2710004、 山东省城乡规划设计研究院， 山东 济南250013 5、 山东省产品质量检验研究院， 山东 济南250103） 蚯蚓普遍分布在陆地圈中各部分的生态系统中， 约占土壤 生物总数的 5979，在陆地圈生态系统中扮演着重要角色， 能够加速土质中营养循环利用和改良土质结构等[1]。蚯蚓可以 通过体表皮肤来吸收土壤中的重金属元素， 也可以通过吞食土 壤让重金属在肠道中吸收[2]， 蚯蚓是公认的大陆圈中土壤动物 的象征， 并已被海内外大批学者用作土壤环境评估的生物学指 标来反映土壤的污染水平[3]。本研究使用煤矿区实地采集的土 壤样品来养殖蚯蚓， 通过实验模拟蚯蚓在研究区土壤中的生存 环境， 来探究蚯蚓随培养时间变化而出现的富集规律以及蚯蚓 对重金属的富集能力， 为讨论蚯蚓作为煤矿区土壤重金属的生 物指示的可行性提供科学的基础数据。 1 材料与方法 1.1 蚯蚓养殖实验设计 首先将取自研究区的 20 个土样在实验室里挑出大块石 子， 并分别装入 20 个 500mL 的玻璃烧杯中， 每杯按照 800g 土 样的重量放入， 并喷洒一些去离子水， 将每个烧杯外壁借助记 号笔做好标记， 然后每个烧杯中放入 15 条赤子爱胜蚓， 用透明 塑料薄膜和皮筋封住杯口以防蚯蚓爬出， 再用解剖针在塑料透 明薄膜上戳几个小洞， 确保良好的透气性， 最后将它们放置在 光照培养箱中， 温度设为 （201） ℃， 保证在 12 小时 摘要 为探究蚯蚓对煤矿区土壤中重金属的富集作用， 从济宁市鲍店矿区采集20个土壤样品用来进行蚯蚓养殖， 测定了 土壤和蚯蚓体内的重金属Ni、Cu、As、Zn、Cd、Pb含量。 结果表明 蚯蚓体内的重金属含量随时间增加呈现出不同的富集趋势； 蚯蚓 能够对元素Cd、As的富集作出反应 （富集系数大于1） ， 尤其是对Cd的富集作用更为明显； 通过多元统计分析得出土壤重金属含 量会对蚯蚓富集土壤重金属产生一定的影响。 关键词 煤矿区； 土壤； 蚯蚓； 重金属； 富集作用 中图分类号 X825文献标识码A文章编号2096-4390（2020）24-0007-03 7-- 科学技术创新 2020.24 光照， 12 小时黑暗中培养， 要注意按期喷洒少量的去离子水， 维 持土壤环境的潮湿。本研究的实验周期设定为 28 天， 应分别在 7、 14、 21、 28 天时， 从每个烧杯中各取出 3 条蚯蚓用做重金属含 量测定。 1.2 重金属测定方法 先将养殖的蚯蚓放在烧杯里吐泥 24 小时， 用去离子水冲洗 干净， 然后使用电子天平进行称重。之后放入冰箱冷冻致死， 取 出之后放入烘箱中烘烤 4 个小时，直到烘干之后拿出。将烘干 过的蚯蚓样品冷藏， 再进行碾磨过筛 （0.85mm） ， 制作粉末状的 样品以供检测使用。称量粉末 0.25g 于聚四氟乙烯干锅中， 滴入 20mL 浓硝酸， 在干锅上盖好表面皿后放置过夜。一夜后滴入高 氯酸 5mL， 置于通风橱的电热板上加热消解， 直到冒出大量浓白 烟为止。如果样品还未全部消解， 冷却之后再滴入高氯酸和浓 硝酸，持续加热直到消解液变得十分澄清。冷却后再滴入 1mL 的浓硝酸和少许的蒸馏水， 转移至 100mL 的容量瓶中定容后进 行过滤， 最后使用 ICP-MS 质谱仪检测蚯蚓体内的重金属含量。 2 结果与分析 2.1 蚯蚓体内重金属含量富集规律 通过分析蚯蚓体内每种重金属含量的平均值与时间变化 的关系 （图 1） ， 发现蚯蚓体内的重金属 Pb、 Cd、 Cu 含量变化存在 一定的规律 随着时间的增长， 在蚯蚓富集元素 Pb、 Cd、 Cu 的过 程中呈现出不断上升的趋势。 在实验初， 蚯蚓便已经开始对这 3 种元素产生富集， 到第四周时， 蚯蚓对元素的富集值已经上升 到最大， 在这 28 天的实验周期内， 元素 Pb、 Cd、 Cu 的含量在蚯 蚓体内呈现出不断上升的趋势， 由此可以看出， 蚯蚓对土壤重 金属元素 Pb、 Cd、 Cu 有着显著的富集作用。对于重金属 Ni、 As 的富集表现出先上升再下降的趋势， 研究发现， 在实验初期蚯 蚓便开始对 Ni、 As 元素进行富集，到第三周时重金属富集含量 达到最大， 第四周时蚯蚓对元素 Ni、 As 的富集量有所下降。 由此 可知， 蚯蚓对元素 Ni、 As 也具有富集作用。对于 Zn 的富集呈现 出先减少再增加的趋势， 实验初期的第一个周， 蚯蚓已经开始 对重金属 Zn 的富集， 第二周时蚯蚓体内重金属 Zn 含量有所下 降， 等到第三周又开始上升， 第四周也处于上升趋势。 图 1 不同时间蚯蚓体内重金属含量 2.2 蚯蚓对土壤重金属的生物富集效应 选取富集系数 （EC） 来表示各种元素在生物体中的积累程 度,计算公式如下 EC M生物/M土壤 式中 EC 是指富集系数， M生物是指生物体内的元素含量， M 土壤是指表土中相应元素的含量。 由公式计算可知，只有 Cd 在蚯蚓体内的富集系数大于 1， 且蚯蚓对 Cd 和 As 富集系数都比其它重金属元素高， 这表明蚯 蚓对 Cd 和 As 的富集程度更强。计算数据还表明蚯蚓对 Cd 的 富集系数最大， 表明蚯蚓对于 Cd 具有很强的富集效应。而关于 蚯蚓对 Cd 的强烈富集， Sforzini 等[4]认为蚯蚓所具有的组织解毒 功能可以使有毒元素被贮存与隔离起来，从而降低了排泄率， 因此， 富集系数才会不断升高。 8-- 2020.24 科学技术创新 2.3 蚯蚓体内重金属与土壤重金属相关性分析 通过将蚯蚓体内的重金属含量与表土中重金属含量进行 相关分析得出 （表 1） ， 蚯蚓体内 Cu 和 As 的含量与土壤中 Cu 的 含量分别具有极显著正相关性 （p0.01） ； 蚯蚓体内 Cd 和土壤中 Cd、 Pb 分别呈现出显著或极显著正相关关系 （Cd， p0.05； Pb， p0.01） ； 这表明在一定浓度范围内， 随着土壤中 Cu、 Cd 含量的 增加， 蚯蚓体内的 Cu、 Cd 含量也在增加， 土壤中 Cu 元素对于蚯 蚓富集重金属 As 存在一定协同作用， 而土壤中 Pb 元素对于蚯 蚓吸收重金属 Cd 也存在一定协同作用。另外， 通过分析蚯蚓体 内重金属含量之间的相关性， 发现蚯蚓体内重金属具有较高的 同源性。表 2 中， Ni 和 Zn、 Ni 和 Pb 都表现出了显著的正相关 性； Cu 和 Zn、 Cu 和 As 也表现出极显著正相关性； Zn 与 As、 Pb 呈显著正相关性， 同时也说明这几种重金属元素在蚯蚓体内具 有互相的协同作用。 表 1 蚯蚓体内重金属含量与土壤重金属含量相关性 注 S （ ） 表示土壤重金属含量， E （ ） 表示蚯蚓体内重金属含 量； ** 代表在 0.01 水平显著； * 代表在 0.05 水平显著。 表 2 蚯蚓体内重金属含量相关关系 注 ** 代表在 0.01 水平显著； * 代表在 0.05 水平显著。 3 讨论 当蚯蚓处于土壤重金属的胁迫下时， 蚯蚓体内富集的重金 属含量会随着暴露时间的变化而变化， 伏小勇等[5]通过研究发 现， 蚯蚓会选择性的吸收和忍耐污染元素， 在耐受浓度值内， 蚯 蚓吸收各种元素的浓度值会随着养殖时间延长而发生变化， 且 各种元素的最高富集值出现的时期也有差异。通过比较上文中 的数据可以发现， 蚯蚓对土壤重金属的富集随着培养时间变化 而变化， 这说明蚯蚓对于重金属污染具有一定的耐受能力和富 集能力， 但是蚯蚓对不同种类的重金属元素的耐受力和富集能 力是不同的。蚯蚓体内对这 6 种重金属均有富集作用，在一定 的浓度范围内， 蚯蚓机体可以很好的吸收并富集重金属， 当蚯 蚓体内重金属累积到一定程度时就会通过分泌物和粪便的形 式排出体外。但如果土壤重金属含量已经超过蚯蚓的耐受范 围， 那么过高浓度的重金属就会直接毒害蚯蚓， 影响蚯蚓的生 命活动， 抑制其生长发育， 甚至可能导致蚯蚓的死亡。 本实验通过对蚯蚓体内的生物富集系数进行分析， 得出蚯 蚓对于 Cd 具有很强的富集效应，且对 As 也有很好的富集能 力， 再结合土壤重金属污染的指示生物所具备的条件， 如， 具有 较好的忍耐能力， 能够测定蚯蚓体内重金属的含量， 在实验室 内模拟的环境中依然可以产生富集反应， 综上分析， 蚯蚓能够 成为研究煤矿区土壤重金属污染的生物指示。 4 结论 4.1 蚯蚓中的重金属含量会随时间变化而呈现出各不相同 的富集规律，蚯蚓体内重金属 Pb、 Cd、 Cu 的浓度随时间的增加 而呈现出不断上升的趋势，重金属 Ni、 As 在蚯蚓体内的富集则 呈现出先增加再降低的趋势，对于蚯蚓体内 Zn 的富集呈现出 先减少再增加的趋势， 这表明了蚯蚓能够很好的富集表土中的 重金属。 4.2 蚯蚓对煤矿区土壤中的 Cd 和 As 产生富集效应，且对 Cd 的富集效应更为强烈， 蚯蚓可以作为反应煤矿区土壤重金属 Cd 和 As 污染指示生物。 4.3 通过多元统计分析得出土壤重金属含量会对蚯蚓富集 土壤重金属产生一定的影响。研究区土壤中的 Cu、 Pb 分别会对 蚯蚓体内重金属 As、 Cd 的富集具有协同作用。 参考文献 [1]BartlettMD，BrionesMJI，NeilsonR.Acriticalreviewof currentsinearthwormecologyFromindividualsto populations[J]. European Journal of Soil Biology，2010，46（2）. [2]倪少仁.蚯蚓对土壤重金属的富集作用研究[D].兰州 兰州交 通大学，2010. [3]曾燕燕， 袁涛， 申屠佳丽， 等.蚯蚓生物标志物在土壤重金属污 染评价中的应用[J].能源环境保护，2013，27（2） 9-13. [4]Sforzini S，Moore MN，Boeri M，et al. Immunofluorescence detection and localization of B [a]P and TCDD in earthworm tissues[J]. Chemosphere，2014（107） 282-289. [5]伏小勇， 秦赏， 杨柳， 等.蚯蚓对土壤中重金属的富集作用研究 [J].农业环境科学学报，2009，28（1） 78-83. 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金 （41807124） 。 作者简介 樊平 （1967-） ， 山东高青人， 高级农艺师， 主要从 事农业资源与环境保护工作。 通讯作者 侯乐 （1996-） ， 山东济宁人， 硕士研究生， 主要从 事土地整治与保护研究。 元素 E（Ni） E（Cu） E（Zn） E（As） E（Cd） E（Pb） S（Ni） -0.139 0.365 0.038 0.256 0.133 0.162 S（Cu） -0.067 0.7** 0.326 0.641** 0.184 0.254 S（Zn） -0.212 0.503 0.138 0.47 0.101 0.11 S（As） -0.181 0.449 0.056 0.359 0.159 0.098 S（Cd） 0.543 0.212 0.315 0.06 0.627* 0.072 S（Pb） 0.155 0.165 0.035 0.01 0.694** 0.344 元素 Ni Cu Zn As Cd Pb Ni 1.00 Cu 0.45 1.00 Zn 0.76* 0.88** 1.00 As 0.29 0.97** 0.82* 1.00 Cd 0.24 0.16 0.21 0.05 1.00 Pb 0.78* 0.62 0.803* 0.48 0.62 1.00 9--