天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區植被修復的可行性

王 磊， 蘇本營， 方廣玲， 胡 鈺， 王 玥， 香 寶*

1.中國環境科學研究院， 北京 100012 2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室， 北京 100012 3.北京師范大學水科學研究院， 北京 100875

天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區植被修復的可行性

王 磊1,2， 蘇本營1,2， 方廣玲1,2， 胡 鈺1,3， 王 玥1,2， 香 寶1,2*

1.中國環境科學研究院， 北京 100012 2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室， 北京 100012 3.北京師范大學水科學研究院， 北京 100875

為解決中石化大牛地氣田天然氣開采壓裂返排液污泥(采氣污泥)難處理的困境，在測定采氣污泥成分和運用地累積指數法(Igeo)評估其環境風險的基礎上，利用三種荒漠區常見植物〔沙蒿(Artemisiadesertorum)、黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagofalcataL.)〕，通過設計采氣污泥與荒漠區土壤配比，開展天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區植被修復的可行性試驗研究. 結果表明：①采氣污泥中各污染物組分含量相對較低，w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)分別為35.187、0.181、5.502 mg/kg，PAHs(多環芳烴類)未檢出；w(OM)、w(TN)也較低，分別為1.46%、0.32%，鹽分含量為1.2%. ②重金屬風險評估結果顯示，Cr、Cd、Pb的Igeo值分別為-0.76、-8.69和-2.20，污染風險等級為清潔；Se和Ba的Igeo值分別為0.02和0.91，有輕度環境污染風險. ③5%采氣污泥處理能使土壤最大持水量、土壤保水能力和孔隙度分別提高了74.41%、14.29%和4.35%. ④低濃度(2.5%)采氣污泥處理能使沙蒿、黑麥草和苜蓿種子發芽率分別提高7.38%、3.61%和8.20%，高濃度(>2.5%)采氣污泥對種子萌發則表現為抑制作用. ⑤根據采氣污泥對沙蒿、黑麥草和苜蓿株高、根長和生物量的影響，確定采氣污泥適宜施用量分別為≤5%、≤2.5%、≤2.5%. 研究顯示，采氣污泥用于荒漠區植物修復是可行的，但適宜施用量較低，可采取去污染物和篩選耐性植物等技術來提高其用量.

采氣污泥； 環境風險； 荒漠區； 植被修復； 可行性

Abstract： In order to dispose the sludge from fracturing flow-back fluid for natural gas exploitation (gas production sludge) from Sinopec Daniudi Gas Field, the gas production sludge composition and potential environmental risk assessment byIgeowere researched. Meanwhile, the effects on soil improvement and plant growth were researched in three plant species,Artemisiadesertorum,LoliumperenneL. andMedicagofalcataL., in a compound by gas production sludge and soil. The results showed that the contents of heavy metals and harmful organic contaminants were very low in the gas production sludge; for example, the contents of Cr, Cd and Pb were 35.187, 0.181 and 5.502 mg/kg, while PAHs were under the observed effect concentration. Thew(OM) andw(TN) were small (1.46% and 0.32% respectively), but the salinity was 1.2% in gas production sludge. The results of risk assessment of 13 heavy metals indicated that theIgeoof Cr, Cd and Pb was -0.76, -8.69 and -2.20, respectively, indicating a clean environmental contamination risk level, but theIgeoof Se and Ba was 0.02 and 0.91, respectively, indicating a mild environmental contamination risk. The maximum water holding capacity, water retention capacity and porosity of soil were increased by 74.41%, 14.29% and 4.35% when the content gas production sludge application was 2.5%. The gas production sludge increased seed germination ofA.desertorum,L.perenneL. andM.falcataL. by 7.38%, 3.61% and 8.20% when the mixture ratio was 2.5%. If the content gas production sludge application exceeded 2.5%, the seed germination was restrained. Comprehensive consideration impacts on the height, root height amd fresh weight content of the three plants were detected during the growth period. The feasible gas production sludge application amounts forA.desertorum,L.perenneL. andM.falcataL. were ≤5%, ≤2.5%, ≤2.5%, respectively. The study considered that gas production sludge used for desert area plant restoration is feasible. However, we need to increase the use of pollutant removal with gas production sludge application, choose tolerant plants, etc.

Keywords： gas production sludge; desert area; vegetation restoration; feasibility

近年來，隨著我國經濟發展和能源結構發生的改變，天然氣在能源結構中占比逐漸增大[1]，據周波等[2]預測，未來20年我國對天然氣的需求增長將保持在每年15%以上. 開采天然氣鉆井過程中產生大量廢水、巖屑及壓裂返排液處理污泥等，據估算，僅大牛地氣田采氣污泥產生量每年約1×104m3，目前由于缺乏合適的處理處置技術，大量的采氣污泥仍處于堆放狀態，這對天然氣可持續開采和周邊生態環境將產生很大負面影響.

目前針對城市污泥、采油污泥處理處置技術的大量研究，主要集中于采用超聲波技術[3]、冷凍技術[4]和穩定化技術[5]、土地填埋[6]及資源化回收利用[7]等手段進行減量化處理. 城市污泥最終處置是近年研究熱點，如CHEN等[8- 10]提出污泥是一種資源應加以利用；Fullana等[11- 13]研究發現，污泥焚燒處置技術是一種有效處理技術，但存在二次污染，成本較高. 城市污泥堆肥處理逐漸成為研究熱點[14- 15]，其中農田利用[16- 17]逐漸成為學者優先推薦的處置方式. 歐盟目前優先采用土地利用處理城市污泥，并于2010年制定并通過城市污泥土地利用管理條例[18- 19]，條例規定未來污泥處置方向為堆肥化、資源化利用. Semiyaga等[20- 21]從經濟性、環境友好性、技術可行性及社會可接受性多標準來評價城市污泥處置技術，結果發現排名前兩位的為污泥資源化、堆肥化. 通過對比其他類型污泥處理處置技術發現，資源化利用、堆肥化土地利用將是未來污泥處理處置的方向.

近年來，有關城市污泥用于荒漠區土壤改良和植被恢復研究不斷增加. 城市污泥具有較強的黏性、持水性和保水性，因此，施入城市污泥有利于提高沙地土壤結構穩定性和持水保水能力[22]. 李雪[23]開展了城市污泥改良沙地土壤試驗研究，結果發現沙地土壤孔隙度、團粒結構和團聚體穩定性等隨著污泥施用量的增加而增加. 華正偉[24]通過污泥與沙土配比試驗發現，城市污泥的施入能促進楊樹幼苗生長，并且隨污泥量增加，效果更加明顯，當污泥與沙土的比例為1∶1時，與對照組相比，楊樹幼苗株高、葉面積分別提高3.95和1.55倍，胸徑增加了1.68 mm.

在探索采氣污泥處理處置技術方面，筆者所在課題組前期研究了采氣污泥干化焚燒、制作免燒磚、填埋等處理方式，發現焚燒和制磚成本過高，且制磚銷路有限，當地環境保護部門不允許填埋，并要求及時處理堆積污泥. 采氣污泥產生地一般處于沙地腹地，距離城鎮距離較遠，焚燒、制建材、填埋等處理方式不適合，確保環境安全的基礎上沙地利用是有效處置方式. 為此，借鑒城市污泥用于沙地土壤改良和植被修復經驗，該研究因地制宜將采氣污泥處理處置與荒漠區沙地植物恢復相結合，在采氣污泥物質特性分析及其污染風險評價的基礎上，結合采氣污泥與荒漠區土壤混配進行植物培養試驗，明確采氣污泥組成成分及其對荒漠區土壤改良效果，分析采氣污泥對沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物生長特性的影響，篩選適宜的采氣污泥施用量，探討采氣污泥用于荒漠區植物修復的可行性，這對于緩解荒漠區土壤退化和植被恢復具有理論指導意義，同時可為探索采氣污泥安全處理處置新途徑提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年6—10月在中國環境科學研究院廢棄物資源化利用與沙地生態修復試驗基地進行，研究區位于鄂爾多斯市烏審旗境內，地處毛烏素沙地腹地，具有土地沙化嚴重、土壤養分含量少、土壤保水性差等特點. 該區域屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6.8 ℃，全年日照 2 800～3 000 h，年降水量350～400 mm，年蒸發量 2 200～2 800 mm.

1.2 供試材料

土壤樣品：取自中國環境科學研究院廢棄物資源化利用與沙地生態修復研究基地周邊沙地. 土樣采回后，置于室內通風處風干，備用. 污泥樣品和土樣經研磨，過2 mm篩后，用密實袋裝好，備用. 供試土樣和污泥樣品的理化性質見表1.

表1 供試土壤和采氣污泥基本理化性質

采氣污泥樣品：取自于中國石油化工股份有限公司華北分公司九普污水處理廠，將采氣污泥樣品放置在陰涼通風處風干，備用. 沙蒿、黑麥草和苜蓿

供試植物：選擇退化沙地修復、植被重建常見的三種植物——沙蒿(Artemisiadesertorum)、黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagofalcataL.)；供試植物種子均為鄂爾多斯百禾種業有限責任公司提供；試驗用聚乙烯花盆(長45 cm、寬25 cm、高30 cm).

1.3 試驗設計

將自然風干后的采氣污泥樣品與土樣按照不同質量比(均以干質量計)進行混合配比，共設置6個配比濃度：①100%沙土，作為對照，記做C0；②2.5%污泥+97.5%沙土，記做C1；③5%污泥+95%沙土，記做C2；④10%污泥+90%沙土，記做C3；⑤15%污泥+85%沙土，記做C4；⑥20%污泥+80%沙土，記做C5. 不同污泥配比濃度設置3次重復試驗.

于各花盆中裝混合基質50 kg，并混合均勻，沙蒿、黑麥草、苜蓿種子各100粒均勻撒播于盆中，覆蓋一層薄薄的混合細土，以蓋沒種子為宜. 試驗在野外條件下進行，溫度、濕度和光照不做控制，每天早晨澆水1次，每次500 mL；試驗時間為6—8月；種植期間其他管理措施保持一致，保證植物統一的生長環境.

1.4 測定方法

1.4.1重金屬含量測定

樣品前處理：取樣品10～20 mg，置于特氟龍瓶(容積7 mL)中，加入高氯酸1 mL、硝酸1 mL、氫氟酸0.5 mL，扣上蓋子后放入高壓不銹鋼消解罐中，在150 ℃電烤爐中消解7～9 h，冷卻后打開瓶子，并在電熱板上加熱至190 ℃，直到液體剩余幾百μL. 在殘余液體中加入0.5 mL氫氟酸，加熱到剩余幾百μL，重復以上步驟直至硅酸鹽礦物完全溶解. 最終的消解液用1%的硝酸稀釋10倍，過0.45 μm的濾膜.

重金屬含量測定：取經消解、過濾后的采氣污泥浸出液4 mL，使用ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry)檢測其中的重金屬含量.

1.4.2有機污染物含量測定

樣品前處理：稱取10 g過篩污泥樣品，加入回收率指示物混合標樣和活化銅片，后經200 mL二氯甲烷索氏抽提72 h，最后經旋蒸濃縮至5 mL左右，轉移至雞心瓶，用正己烷為置換溶劑，過硅膠/氧化鋁(質量比2∶1)層析柱分離純化.

有機污染物含量測定：對分離純化的液體用70 mL 二氯甲烷/正己烷(體積比3∶7)淋洗并收集，經旋轉蒸發至1 mL，再用柔和氮流吹至0.5 mL，加入內標進行氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS:Gas Chromatography-Mass Spectrometer，USA)分析.

氣相色譜條件：毛細管柱為VF- 5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣為高純氦氣(≥99.999%)，恒流，載氣流速為1.0 mL/min；進樣體積為1 μL. 質譜條件：離子源溫度280 ℃，四極桿溫度40 ℃，電離模式MS，電子轟擊離子源(EI)，電子能量70 eV；溶劑延遲時間5.00 min；碰撞氣為高純氫氣(99.999%)，碰撞壓力0.24 Pa；Q1峰寬3.00，Q2峰寬1.00；數據采集模式為多反應離子監測模式(Multiple Reactions Monitoring Mode，MRM).

1.4.3土壤理化性質測定

土壤容重采用環刀法測定.

土壤最大持水量、土壤失水時間采用烘干法測定.

土壤孔隙度計算方法如式(1)所示.

S=(1-ρ/μ)×100

(1)

式中：S為土壤孔隙度，%；ρ為土壤容重，g/cm3；μ為比重，g/cm3.

1.4.4植物生長指標測定

種子發芽率采用前14 d正常發芽數計算，方法見式(2)：

β=A/T×100

(2)

式中：β為種子發芽率，%；A為前14 d正常發芽數，個；T為供試種子數，個.

株高：每個試驗處理選取10株長勢均勻的植株，取其第35天時的平均株高作為測量值.

根長：每個試驗處理選取10株長勢均勻的植株，取其第35天時的平均根長作為測量值.

生物量：在第35天時選取具有代表性的植物割刈，稱其質量，算其平均值. 為便于作圖分析，將黑麥草和苜蓿生物量換算成10株植株生物量，沙蒿采樣單株.

1.5 重金屬環境風險評估方法

對于采氣污泥中重金屬污染風險，采用德國科學家Muller[25]于1969年提出的地積累指數模型進行評價，其評價原理見式(3)：

Igeo i=log2(Ci/kBi)

(3)

式中：Igeo i為土壤污染物i的地累積指數;Ci為土壤污染物i實測含量的統計均值，mg/kg；B為污染物i的地球化學背景值，mg/kg；k為修正造巖運動引起的背景波動而設定的系數，一般取1.5.

依據Igeo把土壤中重金屬污染程度分為7個等級(見表2). 通過對九普污水處理廠不同工序、不同時間采集的43個污泥樣品，采用GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》中的方法測定重金屬含量，運用地累積指數評價模型，結合內蒙古自治區重金屬背景值[26]，得到采氣污泥中地累積指數值.

表2 基于地累積指數的土壤重金屬污染程度分級

1.6 數據處理

數據處理應用SPSS軟件(version 17，SPSS，Chicago，IL，USA)進行. 該研究中試驗數據用單因素方差分析(one-way ANOVA)，S-N-K(Student-Newman-Keulsa)檢驗處理間差異的顯著性，不同的字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05).

2 結果與分析

2.1 污泥利用潛在環境風險

2.1.1采氣污泥特性

采氣污泥及其浸出液中重金屬含量如表3所示. 由表3可見，采氣污泥浸出液中重金屬含量較低，ρ(Cr)、ρ(Cd)、ρ(Pb)、ρ(Ni)、ρ(Cu)、ρ(As)、ρ(Ag)、ρ(Hg)分別為 0.008 1、0.000 2、0.002 1、0.006 9、0.042 9、0.042 5、0.000 2、0.015 8 mg/L，均遠低于GB 5085.3—2007中相應限值(分別為15、1、5、5、100、5、5、0.1 mg/L)，采氣污泥中苯并芘、甲苯、氯苯等有機污染物均未檢出，因此采氣污泥不屬于危險廢物范疇. 采氣污泥中重金屬和有機污染物的含量較低，w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)、w(Ni)、w(Cu)、w(As)、w(Hg)分別為35.19、0.18、5.50、4.82、3.50、7.06、0.05 mg/kg，也遠低于CJ/T 309—2009《城鎮污水處理 廠污泥處置 農用污泥》中規定的相應限值(<500、<3、<300、<100、<500、<30、<3)，分別是CJ/T 309—2009中規定相應污染物含量限值的 1/14、1/17、1/55、1/21、1/143、1/4、1/60；污泥中PAHs(多環芳烴類)、甲苯、氯苯等有機污染物未檢出.

表3 采氣污泥及其各類浸出液中重金屬含量

注：重金屬均以總量計. —表示未檢出; +表示未做規定; *表示未做測定.

2.1.2采氣污泥重金屬污染風險評價

采氣污泥中重金屬含量和Igeo值如表4所示. 采氣污泥成分與季節變化、不同區域采氣井有關，為客觀反映采氣污泥成分，該研究共采集新鮮污泥和堆積污泥43個樣品，發現各樣品中重金屬含量差異較大. 如采氣污泥中w(Cr)、w(Cu)、w(As)最小值分別為11.594、0.118、1.004 mg/kg，而最大值分別為114.077、12.019、75.202 mg/kg. 該研究采用43個污泥樣品平均值評估采氣污泥重金屬環境污染風險，結果發現采氣污泥中Cr、Ni、As、Cd、Pb的Igeo值分別為-0.76、-2.54、-0.38、-8.69、-2.20，均小于0，表明污染程度為清潔；但Se、Ba的Igeo值分別為0.02、0.91，具有輕度污染風險. 地累積指數風險評價結果也表明，采氣污泥中Cr、Ni、As等11種重金屬無環境污染風險，僅重金屬Se、Ba有輕度污染風險，但通過污泥施用濃度控制可有效降低重金屬污染風險.

表4 采氣污泥中重金屬含量和地累積指數值

2.2 污泥對沙地土壤理化性質影響

土壤理化性質隨污泥濃度變化如見圖1所示. 由圖1(A)可知，采氣污泥能大幅提高土壤最大持水量，不同處理間存在顯著差異(P<0.05)，當污泥施用量為20%時，土壤最大持水量為19.05%，與對照組相比，提高了近3倍. 由圖1(B)可見，污泥施入還能增強沙地土壤保水能力，但C0和C1處理間差異不顯著(P>0.05)；與C0相比，其他處理土壤保水能力顯著增加(P<0.05)，污泥施用量為20%時，能延長土壤持水時間達11 d. 由圖1(C)可見，隨著污泥施入量增加，土壤容重逐漸降低，C0、C1和C2處理間差異不顯著(P>0.05)，C4、C5較C0顯著降低(P<0.05)，當污泥施用量為20%時，土壤容重為1.43 g/m3，較C0降低7.14%；由圖1(D)可見，隨著污泥施入量增加，土壤孔隙度逐漸增加，與C0相比，C1、C2、C3和C4間無顯著差異(P>0.05)，但C5土壤孔隙度顯著增加(P<0.05)，當污泥施用量為20%時，土壤孔隙度為54%，較C0增加22.73%.

2.3 采氣污泥對沙生植物生長的影響

2.3.1植物種子發芽率的變化

種子發芽率指發芽種子數占實際播種種子數的百分比，也是檢測種子質量的重要指標之一. 三種植物發芽率計算結果見表5，污泥施用量為C1時，沙蒿和苜蓿種子發芽率分別為73.23%和63.10%，均高于C0(68.20%、58.32%)，分別比C0高7.38%和8.20%；當污泥施用量為C2時，沙蒿和苜蓿種子發芽率分別降至55.46%和45.67%；當污泥施用量為C5時，沙蒿、苜蓿種子發芽率分別為35.70%和35.00%. 污泥施用量為C1時，黑麥草發芽率比C0高3.61%；當污泥施用量為C3時，黑麥草發芽率降為56.17%，比C0下降了28.00%.

2.3.2植物株高變化

沙蒿試驗中播種與移栽同步進行，沙蒿株高選取移栽植株. 由圖2可知，污泥施用量為C1、C2、C3、

注：小寫字母代表處理間差異性，不同字母代表差異顯著(P<0.05)，相同字母代表差異不顯著(P>0.05). 下同.圖1 土壤理化性質隨污泥濃度變化Fig.1 The variation of physical and chemical characters of soil with sludge content

%

圖2 植物株高隨污泥濃度變化Fig.2 The variation of plant height with sludge content

C4、C5時，株高分別為18.33、17.50、17.67、16.67、16.23 cm，均低于C0(23.33 cm)，分別下降了21%、25%、24%、29%、30%，與C0差異均不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，株高分別為6.93、7.17、7.23、5.53、6.00 cm，均低于C0(12.33 cm)，分別下降了44%、42%、41%、55%、52%，C1～C5與C0比較均差異顯著(P<0.05)，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，苜蓿株高分別為2.03、2.00、1.50、1.67、1.17 cm，均顯著低于C0(4.50 cm)(P<0.05)，分別下降了55%、56%、67%、63%、74%，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05).

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物株高均隨污泥施用量增加而降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 采氣污泥施加沒有增加植物株高，可能是污泥中鹽分抑制植物生長，且采氣污泥中營養物質含量較少. 從三種植物株高受采氣污泥影響程度來看，沙蒿受影響程度較小，黑麥草和苜蓿株高受抑制明顯.

2.3.3植物根長變化

植物根長隨污泥濃度變化見圖3. 從圖3可以看出，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，沙蒿根長分別為16.10、14.33、13.50、14.50、13.20 cm，均低于C0(16.67 cm)，分別下降了3%、14%、19%、13%、21%，C0～C5差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，黑麥草根長分別為8.53、6.17、6.33、6.67、6.5 cm，均低于C0(9.33 cm)，分別下降了9%、34%、32%、29%、30%，C1與C0差異不顯著(P>0.05)，C2～C5與C0差異顯著(P<0.05)，C2～C5之間差異不顯著(P>0.05)；苜蓿幼苗根部對于污泥響應明顯，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，苜蓿根長分別為9.67、6.67、7.83、6.80、6.00 cm，顯著低于C0(18.17 cm)(P<0.05)，分別下降了47%、63%、57%、63%和67%，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05).

圖3 植物根長隨污泥濃度變化Fig.3 The variation of plant root length with sludge content

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物根長均隨污泥施用量增加而降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 從三種植物根長受采氣污泥影響程度來看，沙蒿受影響程度較小；黑麥草受高濃度污泥(>2.5%)影響較小；苜蓿受污泥影響較大.

圖4 植物生物量隨污泥濃度變化Fig.4 The variation of plant fresh weight with sludge content

2.3.4植物生物量變化

由圖4可見，不添加采氣污泥處理，沙蒿生物量(1.96 g)達到最大，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，沙蒿生物量分別為1.96、1.54、1.41、1.21、1.19、1.17 g，均顯著低于C0(P<0.05)，分別下降了21%、28%、38%、40%、41%；C1～C3之間差異顯著(P<0.05)，C3和C4差異不顯著(P>0.05)，C4和C5差異不顯著(P>0.05). 不添加污泥的處理下，黑麥草生物量達最大值(0.78 g)，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時，黑麥草生物量分別為0.65、0.58、0.26、0.20、0.27 g，均顯著低于C0(P<0.05)，分別下降了17%、27%、66%、74%、66%；C1和C2差異顯著(P<0.05)，C3～C5 之間差異不顯著(P>0.05). 不添加污泥的處理，苜蓿生物量達最大值(1.06 g)，污泥施用量為C1、C2、C3、C4和C5時，苜蓿生物量分別為0.58、0.27、0.21、0.24、0.17 g，分別下降了46%、74%、80%、77%、84%；C1與C2～C5差異顯著(P<0.05)，C2～C4之間差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C5時，與C0～C4差異均顯著(P<0.05).

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物生物量均隨污泥施用量增加而逐漸降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 與對照組比較，隨著采氣污泥施用量增加，三種植物生物量均受到顯著影響.

3 討論

污泥堆肥處理[14- 15]和農田利用[16- 17]已成為當前優先推薦的處置方式，且對其應用的風險評價也有大量報道[29]. 該研究通過室內分析技術，明確了采氣污泥物質特性，采氣污泥中重金屬、苯并芘等有機污染物含量較低，遠低于城市污泥中的含量，用于土壤改良環境風險更小，但鹽分含量相對較高(見表1). 運用地累積指數評價模型對采氣污泥中13種重金屬含量進行環境風險評估，發現常見重金屬(Cr、As、Cd、Pb)的Igeo均為負值，污染風險等級處于清潔，Se、Ba的Igeo分別為0.02、0.91，為輕度污染風險. 近年來，城市污泥用于沙地植被修復、農業還田的研究發現，城市污泥中重金屬和有機污染物含量高[29- 30]、污染風險大[31- 32]是限制其廣泛應用的主要因素，而采氣污泥中重金屬和有機污染物含量低，相對于城市污泥應用風險小. 但是，采氣污泥中鹽分含量高，沙區本身存在鹽堿化風險，需嚴格控制，后續應加強采氣污泥去鹽分技術研究，結合篩選耐性植物、降低施用量和減少施用次數等技術措施將風險控制在安全范圍內，這些技術措施的應用同時也可降低采氣污泥中鹽分對土壤、植物的影響.

通過采氣污泥與土壤配比試驗發現，采氣污泥中有機質和營養元素(氮、磷、鉀)含量較低，與城市污泥比較可利用營養元素較少[33]，但也能起到提高土壤中養分含量的效果. 該研究還發現，采氣污泥能夠明顯提高土壤最大持水量、土壤孔隙度，降低土壤容重、延緩土壤失水時間，與城市污泥特性相似[34- 36]. 荒漠區土壤養分貧瘠，土壤容重相對較高，孔隙度和土壤持水性低，植物無法獲得足夠的水分、養分，植物立地條件惡化，導致植被覆蓋度降低，采氣污泥施入有利于提高沙化土壤保水特性、促進土壤微生物活動、改良植物生長立地環境，從而將可能有利于荒漠區退化土壤的生態恢復.

采氣污泥施用量對植物種子發芽率影響較大. 當污泥施用量為2.5%時，對沙蒿、黑麥草和苜蓿種子發芽均有促進作用；而污泥施用量為5%時，沙蒿、苜蓿種子發芽受到抑制，黑麥草無顯著影響；當污泥施用量≥10%時，三種植物種子發芽率均受到明顯抑制. 采氣污泥具有持水性好、失水速度慢的特性，少量污泥施用會改善植物種子萌發環境，這可能是引起種子發芽率提高的原因；而污泥施用量超過10%時，土壤中的有害物質(如鹽分)會顯著增加，從而將會抑制植物種子萌發. 低濃度污泥(2.5%)對三種植物種子萌發均有促進作用，高濃度污泥對植物種子萌發起抑制作用，這與楊濤等[37]研究城市污泥對植物影響類似，低濃度城市污泥(10%)促進黑麥草和高羊茅種子萌發，高濃度則抑制. 荒漠化區域環境惡劣，導致種子發芽率低，種子萌發是植被修復的關鍵，低濃度采氣污泥施用能提高植物種子萌發，將為荒漠化區域植物恢復起到促進作用.

該研究還表明，不同濃度采氣污泥施用對沙蒿株高、根長無顯著影響(見圖2、3)，但對沙蒿生物量影響達到顯著水平，綜合采氣污泥對沙蒿株高、根長和生物量的影響程度，推薦采氣污泥的適宜施用量為5%以內；對于黑麥草而言，污泥的施用對株高、根長和生物量會對其產生一定影響，但采氣污泥用量為2.5%時對黑麥草根長無顯著影響，而對苜蓿根長存在一定影響，因此，低于2.5%的采氣污泥施用量對于苜蓿和黑麥草的生長較為適宜. 三種植物的株高、根長、生物量均隨采氣污泥濃度升高而降低，未表現出與城市污泥處理類似的趨勢[38- 39]，即低濃度促進生長，高濃度抑制生長特性，這可能跟采氣污泥中鹽分含量高有關[40].

采氣污泥的施入對荒漠區植物生長影響顯著，筆者研究表明，采氣污泥施入沙土后植物可以存活，說明其用于沙地植被恢復是可行的，這對于采氣污泥處理處置新途徑研究具有重大意義. 采氣污泥就地資源化利用可以大幅節約成本，盡管其用量較低，后續可以通過去除污染物、調節施用量、篩選耐性植物等技術措施提高其施用量.

4 結論

a) 大牛地氣田采氣污泥中重金屬、苯系物等有害物質含量遠低于GB 5085.3—2007相應標準限值，不屬于危險廢物，但鹽分含量相對較高；重金屬風險評價結果顯示，重金屬Ba、Se存在輕微污染風險，但可通過污泥施用量和施用次數的調節予以有效控制.

b) 采氣污泥與沙土配比試驗發現，采氣污泥可以提高沙土孔隙度、降低沙土容重；且采氣污泥保水性好，能提高沙土最大持水量、增強土壤保水能力.

c) 低濃度污泥的應用有利于植物種子萌發，但不同植物的采氣污泥適宜施用量存在差異，如沙蒿的采氣污泥適宜施用量為5%以內，黑麥草和苜蓿的則控制在2.5%以內為宜.

d) 采氣污泥用于荒漠區植被恢復是可行的，但應嚴格控制采氣污泥施用量，并選取適宜的修復植物.

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Feasibility of Using Sludge from Fracturing Flow-Back Fluid Treatment for Natural Gas Exploitation for Restoring Desert Area Vegetation

WANG Lei1,2, SU Benying1,2, FANG Guangling1,2, HU Yu1,3, WANG Yue1,2, XIANG Bao1,2*

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Regional Ecological Processes and Functions Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

X705

1001- 6929(2017)10- 1570- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.74

2017-01-13

2017-05-30

國家重點研發計劃課題(2016YFC0500904)；中國環境科學研究院院所長基金(2006001001004028)

王磊(1991-)，男，安徽省阜陽人，mywlei@yeah.net.

*責任作者，香寶(1965-)，男(蒙古族)，內蒙古通遼人，研究員，博士，主要從事污泥資源化利用、農業生態研究，xiangbao@craes.org.cn

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