城市污泥堆肥土地利用及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜述

劉桓嘉　劉永麗　張宏忠　魏明寶

摘要：污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)及氮、磷等營養(yǎng)元素，污泥堆肥土地利用是國內(nèi)外城市污泥最重要的處置方式。介紹了污泥堆肥土地利用的歷史及現(xiàn)狀，分析總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于污泥堆肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究成果。

關(guān)鍵詞：污泥堆肥；土地利用；重金屬；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0324-03

收稿日期：2013-06-02

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：2012ZX07204-001）；河南省重大公益性科研招標(biāo)項(xiàng)目（編號(hào)：101100910300）。

作者簡介：劉桓嘉（1987—），男，河南扶溝人，碩士研究生，主要從事污泥無害化與資源化利用研究。E-mail：catkinsimple@163.com。隨著我國城市化進(jìn)程的加快以及污水深度處理效率的提高，城市污水處理的副產(chǎn)物——污泥產(chǎn)量急劇增加。將城市生活污泥堆肥后加以利用是符合我國國情的一種污泥處理方式，這種處理方式在美國、歐盟等國家也十分流行[1]。城市污泥土地利用能夠改善土壤理化性質(zhì)、減小土壤密度、促進(jìn)作物生長、提高土壤保水能力，同時(shí)能緩和因大量施用化肥造成的土壤板結(jié)、肥效下降等問題，但土壤中的鹽分、持久性有機(jī)污染物、重金屬等有害成分增加了土地利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2-6]。目前，污水污泥處置方式主要包括焚燒、填埋、制作建筑材料、土地利用等。衛(wèi)生填埋在有條件的地方可以作為一種處置方式，但需要在底部鋪設(shè)防水層以防地下水污染，而且應(yīng)經(jīng)過穩(wěn)定化處理，這種處置方式成本相對(duì)較低，但需要特殊的位置條件；焚燒法處理污泥最徹底，減量化程度最大，但成本較高，焚燒過程中由于污泥鹽分含量高，對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)；利用污泥制作陶粒、磚等建筑材料，重金屬濾出量極少，對(duì)于重金屬污染較嚴(yán)重的工業(yè)污水污泥來說是一條合適的利用途徑，但對(duì)于城市生活污泥而言，這種處置方式浪費(fèi)了大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鈣、鎂等營養(yǎng)元素，同時(shí)處理量少，不能處理大量污泥。我國是農(nóng)業(yè)大國，濫用化肥現(xiàn)象嚴(yán)重，污泥經(jīng)堆肥后幾乎可以殺死全部的病原菌、寄生蟲、雜草種子[7]。本研究對(duì)城市污泥堆肥土地利用及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)作了介紹，并指出今后城市污泥堆肥土地利用的發(fā)展方向。

1城市污泥堆肥土地利用

1.1城市污泥堆肥在林業(yè)上的應(yīng)用

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，城市污泥堆肥在林地、園林綠化等方面的應(yīng)用越來越多。污泥經(jīng)堆肥后用于林業(yè)是一種安全、有效、可行的利用途徑，可以改善林地土壤肥力，為林地植物生長提供營養(yǎng)[8]。研究表明，污泥堆肥后土壤有機(jī)質(zhì)含量、總氮、總磷含量均有不同程度的增加，與對(duì)照相比，榆樹樹高增加了11%～25%，徑粗增加了19%～50%，增加了木材產(chǎn)量[9]。污泥堆肥不僅能促進(jìn)喬木生長，同時(shí)還能促進(jìn)灌木生長，土壤理化性質(zhì)得到明顯改善[10]。陳彩云等研究發(fā)現(xiàn)，施用污泥后，楊樹幼苗葉片POD活性與SOD活性降低[11]。由于污泥中含有大量的微生物種群，污泥堆肥施用于土壤后會(huì)顯著增加土壤中微生物種類及數(shù)量，促進(jìn)了土壤物質(zhì)循環(huán)，提高了土壤肥力。污泥堆肥在林業(yè)中的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是人工速生林，我國每年速生林對(duì)有機(jī)肥的需求量高達(dá)1.2×107 t，因此污泥堆肥及其商品化復(fù)混肥的應(yīng)用前景十分廣闊。

1.2城市污泥堆肥在草業(yè)上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的草坪生產(chǎn)方式需要消耗大量耕地，生產(chǎn)適合草坪生產(chǎn)的基質(zhì)替代物是目前草業(yè)發(fā)展的重要方向。污泥堆肥能顯著提高高羊茅、黑麥草的生物量及葉綠素含量，延長草坪綠期[12]。城市生活污泥可以增加草坪氮、磷、有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收，提高草坪綜合品質(zhì)，草坪保水保肥能力得到明顯提高[13-14]。

1.3城市污泥堆肥在花卉蔬菜上的應(yīng)用

城市污泥堆肥可以作為花卉蔬菜的育苗栽培基質(zhì)。近年來我國花卉市場交易異常火爆，但腐殖土等營養(yǎng)土運(yùn)輸成本較高，施用量較少，城市污泥堆肥可以完全替代腐殖土。馬 達(dá)等研究發(fā)現(xiàn)，加入25%～50%的污泥堆肥可以顯著改善袖珍椰子、富貴竹、撇金竹生長狀況，改善觀賞品質(zhì)[15]。肖祖飛等將污泥堆肥、珍珠巖按3 ∶1比例用作矮牽牛的無土栽培基質(zhì)，能夠增加矮牽牛的葉片數(shù)、冠幅[16]。康少杰等將污泥堆肥用于油菜種植，發(fā)現(xiàn)在適宜的施用量范圍內(nèi)，可以明顯提高油菜的產(chǎn)量及品質(zhì)，增加油菜可溶性糖、還原性維生素C含量，但當(dāng)污泥堆肥施用量過高時(shí)會(huì)抑制油菜的生長[17]。

1.4城市污泥堆肥在糧食作物上的應(yīng)用

污泥經(jīng)堆肥處理后含有大量有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙率，起到保水保肥的效果。目前國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)污泥堆肥在糧食作物上的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[18-19]。Xie 等[20]、陳同斌等[21]、Parkpian 等[22]、Garrido 等[23]、王連敏等[24]、林代炎等[25]分別對(duì)污泥堆肥在水稻、小麥、大豆上的應(yīng)用做了研究，發(fā)現(xiàn)施用適量污泥后水稻、小麥返青加快、分蘗增多，葉片葉綠素含量增加，產(chǎn)量及品質(zhì)顯著提高。污泥堆肥與化肥混配可以顯著提高土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，促進(jìn)土壤中鉀元素礦化，顯著提高土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮含量[26]。施用污泥堆肥可以提高玉米秸稈、籽粒中氮含量，增加穗粒數(shù)、百粒重，提高玉米的品質(zhì)[27]。施用污泥堆肥可以替代50%的化學(xué)氮肥，但施用量過高會(huì)減少小麥產(chǎn)量，增加秸稈、籽粒重金屬超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)[28]。城市污泥堆肥具有緩釋、長效特點(diǎn)，適當(dāng)適量施用污泥堆肥可以起到修復(fù)、改良土壤的作用[29]。

2城市污泥堆肥土地利用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2.1重金屬風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1重金屬對(duì)土壤、地下水的風(fēng)險(xiǎn)與水污染、大氣污染相比，土壤污染具有隱蔽性、滯后性、積累性的特點(diǎn)，從污染到發(fā)現(xiàn)問題需要較長的時(shí)間。Gavalda 等[30]、Antolín 等[31]、Garrido 等[23]分別在法國、西班牙、墨西哥研究了短期常量施用污泥堆肥對(duì)土壤重金屬的影響，與對(duì)照相比，施用污泥堆肥的土壤重金屬含量有少量增加，但都在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。研究表明，長期施用重金屬含量較低的污泥堆肥不會(huì)造成重金屬污染[32-34]，但長期施用重金屬含量高的污泥堆肥會(huì)造成土壤表層重金屬含量超標(biāo)[35-36]。

2.1.2對(duì)作物的風(fēng)險(xiǎn)城市污泥堆肥施用于土壤后，污泥中的有機(jī)質(zhì)會(huì)在各種微生物及酶的作用下分解，與有機(jī)質(zhì)相結(jié)合的部分重金屬會(huì)被釋放出來，增加了重金屬生物富集的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[37]。重金屬在作物上的富集情況還與重金屬的形態(tài)有密切的關(guān)系，水溶態(tài)的重金屬可以被作物直接吸收，較容易在作物上富集[38]。Xie 等[20]、陳同斌等[21]、郭郿蘭等[39]分別將堆肥污泥應(yīng)用到小麥、水稻、番茄等作物上，作物中重金屬含量與對(duì)照相比有所增加，但都在我國食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。此外，不同作物的不同部位對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)也不相同。

2.2鹽分的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

污泥中鹽類種類較多。生活污水中氯化鈉濃度較高，污水處理使用的無機(jī)絮凝劑主要是鋁鹽，導(dǎo)致污泥中氯化鈉及鋁鹽含量比其他鹽分高很多，過高的鹽分含量導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率明顯提高，同時(shí)抑制了作物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收，鹽類離子之間的抗拮作用導(dǎo)致營養(yǎng)元素淋失加劇。如不對(duì)污泥加以處理便直接施用于作物可能會(huì)造成作物少苗等問題。

2.3持久性有機(jī)物風(fēng)險(xiǎn)

目前關(guān)于污泥堆肥土地利用的重金屬研究較多，對(duì)于污泥中有機(jī)物研究較少。污泥堆肥農(nóng)用后有機(jī)污染物的環(huán)境行為主要包括揮發(fā)、吸附、淋濾、動(dòng)植物吸收、生物或非生物降解等幾種。污泥堆肥土地利用后，一些揮發(fā)性的有機(jī)污染物會(huì)向土壤表面遷移。部分水溶性有機(jī)污染物會(huì)沿著土壤空隙向下遷移，有可能對(duì)地下水造成污染，難降解的有機(jī)污染物如PAHs、PCDD/Fs、PCBs等容易被土壤吸附，不易遷移到地下水層[40]。施用污泥堆肥后，部分有機(jī)污染物會(huì)在土壤中積累。Goodin發(fā)現(xiàn)，污泥改良土的PAHs濃度比對(duì)照高5倍以上，苯并芘濃度高達(dá)200 μg/kg。目前我國僅對(duì)苯并芘的含量制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其安全使用標(biāo)準(zhǔn)為3 mg/kg，歐盟也規(guī)定了9種PAHs的含量限制。

3結(jié)論

城市污泥經(jīng)堆肥后可以殺死絕大部分的病原菌，有機(jī)質(zhì)逐漸向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，同時(shí)改變重金屬形態(tài)，脫水污泥中的重金屬有效性低于原污泥，污泥經(jīng)堆肥后重金屬有效性低于脫水污泥。由于我國城市污泥重金屬含量普遍低于歐美發(fā)達(dá)國家，并且重金屬含量呈逐年遞減趨勢(shì)，因此城市污泥經(jīng)堆肥后完全可以施用于土壤，不必?fù)?dān)心重金屬污染問題，但要禁止長期大量施用，同時(shí)未經(jīng)堆肥腐熟的生物泥也禁止施用于土壤。短期適量施用污泥堆肥不會(huì)對(duì)作物、土壤、地下水造成危害。污泥堆肥短期利用未見明顯的鹽分、有機(jī)污染物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。污泥堆肥廠的上游城市污水處理廠要嚴(yán)格限制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高的工業(yè)廢水排入，充分利用土壤容量消納大量城市污泥堆肥。

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