污泥對不同土壤全氮和有機質及重金屬含量的影響

張 強，卜玉山

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

污泥對不同土壤全氮和有機質及重金屬含量的影響

張 強，卜玉山

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

通過室內恒溫培養試驗，探究3種城市污泥對磚紅壤、紅壤和石灰性褐土全氮和有機質及重金屬含量的影響。結果表明，施入污泥后，3種土壤中全氮和有機質的含量均有明顯增加，磚紅壤全氮和有機質含量分別增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；紅壤全氮與有機質含量分別增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮與有機質含量分別增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg；其中，紅壤和石灰性褐土中全氮和有機質含量的增加量均要高于磚紅壤。施用污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量也隨之增加，且隨著污泥施用量的增加呈持續上升的趨勢，所以，施用污泥時必須控制好用量以避免對土壤造成二次污染。

污泥；養分；重金屬

隨著社會發展和城市化進程的加快、環境質量標準及污水處理率和處理程度的提高，污泥產量急劇增加，污泥處置成為一個重要的環境問題[1]。目前，對城市污泥和垃圾的處置方式主要有填埋、焚燒、倒海和農業利用等[2-6]。相比之下，農用資源化是最為可行的處置方法。英國、美國、瑞士、荷蘭等國家城市污泥的農用率達50%以上[7-9]。我國對城市污泥的農用資源化的研究與實踐與國外相比均相差甚遠，污泥農用率低[10-12]。生活垃圾和污泥的農業利用，不僅減緩了環境壓力，并且實現了廢物資源化和養分再循環，有利于農業和全社會的可持續發展。

污泥中含有大量的植物生長所需的營養元素，可以提高土壤肥力。污泥中有機質含量較高，污泥施入土壤中，可以改良土壤結構，調節土壤理化性質[13-15]，對土壤的透水通氣、蓄水保肥性及耕作性都有良好的改善作用，從而促進作物的生長[16]。污泥通過培肥和改良土壤，可以實現廢棄物的資源化利用與營養和能量物質的再循環[16]。但是污泥中重金屬含量普遍高，這是污泥農用最大的限制因素[17]。

本試驗研究山西省3個污水處理廠的污泥在不同的土壤中施用后，土壤全氮和有機質及重金屬在土壤中的轉化規律，為污泥資源化利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤于2015年3月分別采自海南瓊海市潭門鎮西村村委會大水嶺村荒草地（19°2′N，110°13′E），土壤為磚紅壤；廣西柳江縣穿山鎮新興農場華僑隊甘蔗地（24°5′8″N，109°24′45″E），土壤為紅壤；山西太谷縣山西農大資源環境學院試驗站玉米地（37°43′N，112°28′E），土壤為石灰性褐土。

2014年10月采集供試污泥，分別采自山西運城臨猗縣污水處理廠（35°07′8.5″N，110°45′25.7″E）、山西霍州污水處理廠（36°32′58.1″N，111°41′41″E）、山西省太原市楊家堡污水處理廠（37°48′22.9″N，112°33′3.4″E），將其風干后過0.84 mm尼龍篩備用。供試土壤和污泥的理化性質列于表1。

1.2 試驗設計

采用室內恒溫培養的方式，每種土樣設置5個處理，分別添加0（CK），1%，2%，4%，6%的不同污泥到200 g土中，充分混勻后，加水使土壤保持濕潤，裝入自封袋中封口，在27℃的恒溫培養箱中培養，培養期間定期攪動，并根據土壤干濕狀況不定期補充水分。2015年6月6日開始培養，7月5日結束，共30 d。培養結束后測定土壤全氮、有機質、全銅、全鋅、全鉛、全鉻的含量。

表1 供試材料理化性狀

1.3 測定指標及方法

土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[18]；土壤全氮含量采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測定[18]；土壤全銅、全鋅、全鉛、全鉻采用HNO3，濃HCl，HF，濃HClO4消煮，原子分光光度法測定[18]。

1.4 數據分析

數據分析采用Microsoft Excel 2003和DPS數據處理系統等軟件進行試驗數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 污泥對不同土壤全氮含量的影響

表2 不同污泥施用量對土壤全氮含量的影響 g/kg

不同施用量的3種污泥處理下，3種不同土壤全氮含量差異均達顯著水平（表2），且隨著污泥施用量的增加，土壤全氮含量呈持續上升趨勢。磚紅壤和紅壤施用臨猗和霍州污水處理廠的污泥，在施用量≥2%時，土壤中全氮含量顯著高于CK，石灰性褐土在施用這2種污泥后，施用量分別在1%和2%時顯著高于CK。且在最大施用量時，紅壤與石灰性褐土的全氮增加量均大于磚紅壤，紅壤和石灰性褐土相差不大。施用太原楊家堡污水處理廠的污泥處理后3種土壤在施用量≥1%時，土壤中全氮含量均顯著高于CK，分別升高了34%，25%和37%，磚紅壤每個施用量梯度的的全氮含量均顯著高于CK，且其全氮含量的增加量也基本小于紅壤與石灰性褐土的增加量。

2.2 污泥對不同土壤有機質含量的影響

磚紅壤、紅壤、石灰性褐土在施入3種不同污泥后，其有機質含量差異均達顯著水平（表3），且隨施用量的增加，土壤中有機質的含量持續升高。其中，磚紅壤施用臨猗污水處理廠和楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥2%時，有機質含量顯著高于CK，分別增加了33%和62%；施用霍州污水處理廠的污泥，在施用量≥1%時，有機質含量顯著高于CK，增加了23%。紅壤在施用臨猗污水處理廠污泥后，在施用量≥4%時，有機質含量顯著高于CK，增加了35.6%；而施用霍州污水處理廠和太原楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥1%時，有機質含量顯著高于CK，分別增加了19%和15%。石灰性褐土在施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥4%時，有機質含量顯著高于CK且較CK提高了26.7%。在施用臨猗和霍州污水處理廠污泥后，均在污泥施用量≥6%時，與CK呈顯著性差異，分別提高了63%，97%。不同土壤對污泥有機質的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤。但由于磚紅壤本身的有機質含量較低，在最大施用量時，有機質含量較CK增長的百分率明顯高于紅壤和石灰性褐土，說明污泥對磚紅壤的改良效果也是十分明顯。

表3 不同污泥施用量對土壤有機質含量的影響 g/kg

2.3 污泥對不同土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響

2.3.1 臨猗污水廠污泥對3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 重金屬含量作為污泥施用的主要限制因素，直接影響污泥的施用量。供試土壤在施入臨猗污水處理廠污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均隨污泥施用量增加，呈持續上升趨勢（表4）。

表4 臨猗污泥對3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

磚紅壤、紅壤和石灰性褐土，在污泥施用量分別為1%，1%，6%時，土壤中Cu的含量與CK間差異達顯著水平，分別增長了27.4%，10.5%和43.9%，在最大施用量時，3種土壤中Cu的積累為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤。磚紅壤、紅壤和石灰性褐土施入污泥后，土壤中Zn的含量隨著污泥施用量的增加呈上升趨勢，在施用量分別為2%，2%和4%時，土壤中Zn的含量與CK間差異達顯著水平，且較CK分別增長了26.2%，23.8%和30.9%。

磚紅壤、紅壤、石灰性褐土在污泥施用后，在施用量分別為4%，4%和2%時，土壤中Pb含量與CK間差異顯著，且分別增加了6.5%，6.5%和5.7%；在最大施用量時，3種土壤Pb的增加量為紅壤＞磚紅壤＞石灰性褐土。施用臨猗污水處理廠污泥后，磚紅壤、紅壤、石灰性褐土分別在施用量為4%，4%，6%時，土壤中Cr含量與CK間差異顯著，分別增長了17.3%，11.5%和13.8%，在最大污泥施用量時，紅壤中Cr的積累量略大于磚紅壤和石灰性褐土。2.3.2 霍州污水處理廠污泥對3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 在施用霍州污水處理廠污泥后，3種土壤中Cu，Zn和Pb的含量均顯著提高（表5），Cr在紅壤和石灰性褐土中差異達顯著水平，在磚紅壤中差異不顯著。

施用霍州污水處理廠污泥后，3種土壤在污泥施用量分別為6%，4%，6%時，土壤中Cu含量與CK間差異達顯著水平，且分別增加了10.2%，3.6%，4.8%；土壤中Zn的含量在施用霍州污水處理廠污泥后，均有顯著提高，且3種土壤均在污泥施用量≥4%時，與CK間差異達顯著水平，較CK分別增加了5.4%，3.7%和4.2%，在污泥最大施用量時，土壤中Zn含量的增加量為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤。施用霍州污水處理廠污泥后，在低施用量時，3種土壤中Pb的含量均與CK間差異不顯著，在污泥施用量分別達到6%，4%和6%時，土壤中Pb的含量與CK間差異達顯著水平，在污泥施用量為6%時，石灰性褐土中Pb的積累量要明顯高于紅壤和磚紅壤。在施用霍州污水處理廠污泥后，磚紅壤各個處理之間的Cr含量差異均不顯著，紅壤和石灰性褐土在施用量為4%時與CK間差異顯著，分別較CK增加了1.28%和1.22%。

表5 霍州污水處理廠污泥對3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

2.3.3 太原市楊家堡污水處理廠污泥對3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量均有不同程度的提高（表6），其中，土壤中Cu的含量在施用污泥后，在施用量分別達4%，4%和2%時與CK間差異達顯著水平。在施用量為6%時，土壤中Cu的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤。在施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，磚紅壤和紅壤中Zn的含量在低施用量時差異不顯著，在施用量分別為4%和6%時，土壤中Zn含量與CK間差異達顯著水平。石灰性褐土中Zn的含量在施用量為1%時，與CK間差異顯著，且增加了1.50%。土壤中的Pb含量，在污泥低施用量時，各處理間差異均不顯著，3種土壤均在污泥施用量為4%時，土壤中Pb含量與CK間差異達顯著水平，分別較CK增加了3.9%，6.6%和8.6%。在最大污泥施用量時，石灰性褐土中Pb的積累量要明顯高于紅壤和磚紅壤。施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，3種土壤中Cr的含量分別在污泥施用量為6%，2%和4%時與CK間差異達顯著水平，分別增加了4.8%，0.86%和2.6%。在污泥施用量為6%時，Cr的增加量為石灰性褐土＞磚紅壤＞紅壤。

表6 太原市楊家堡污水處理廠污泥對3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

3 結論與討論

污泥施入磚紅壤、紅壤、石灰性褐土后，3種土壤中的全氮和有機質含量均得到明顯提高，其中，磚紅壤全氮和有機質含量分別增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；紅壤全氮與有機質含量分別增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮與有機質含量分別增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg，紅壤和石灰性褐土中全氮和有機質含量的增加量均要高于磚紅壤，土壤肥力有所提升。因此，污泥對貧瘠土壤有良好的改良作用。但污泥中重金屬元素含量普遍較高，其中，Cu和Zn含量最高，Cr次之[19]。施入污泥后，土壤中Cu的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤；3種土壤中Zn積累量為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤；而Pb在石灰性褐土中的積累量要大于磚紅壤和紅壤；土壤中Cr的增加量為石灰性褐土＞磚紅壤＞紅壤?？梢?，石灰性褐土中Cu，Zn，Pb，Cr的積累處于較高水平，磚紅壤的積累量較低。但是，3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均隨著污泥施用量的提高呈上升趨勢，所以，在施用污泥提高土壤肥力的同時，必須兼顧到施用污泥造成的土壤中重金屬含量的增加，要科學控制好污泥的施用量，以避免對土壤造成二次污染。

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Effect of Sewage Sludge on Total Nitrogen，Organic Matter and Heavy Metals Content in Different Soils

ZHANGQiang，BUYushan

（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Through incubation experiments,this paper discussed the influence of 3 kinds of city sludge on the brick red soil,red soil and calcareous cinnamon soil total nitrogen,organic matter and heavy metal content.The sludge collected from Linyi sewage treatment plant,Huozhou sewage treatment plant，Yangjiapu in Taiyuan sewage treatment plant sludge,sludge application rate were 0, 1%,2%,4%and 6%.The results showed that the content of the total nitrogen and organic matter of the three kinds of soil applied with sludge increased significantly.The nitrogen and organic matter content of laterite soil increased 0.03-1.00,0.43-8.06 g/kg,respectively. The total nitrogen and organic matter content of red soil increased 0.10-1.05,1.04-15.21 g/kg,respectively.The total nitrogen and organic matter content of calcareous cinnamon soil increased 0.16-1.06,1.05-13.40 g/kg,respectively.The increment of the total nitrogen and organic matter in red soil and calcareous cinnamon soil exceeded laterite soil.With the increasing of applying sludge content,the content of Cu,Zn,Cr and Pb in soil also increased.Thus the applying sludge content should be controlled to avoid two pollution ofthe soil.

sewage sludge;nutrient;heavy metals

X705

A

1002-2481（2017）03-0433-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.28

2016-11-30

山西省回國留學人員科研資助項目（2013-重點7）；山西省科技攻關項目（20130313007-3）

張 強（1991-），男，山西河津人，在讀碩士，研究方向：施肥與環境。卜玉山為通信作者。