城市污泥改良沙土的環境影響

熊江波， 賴發英， 李小飛， 凌志友， 郭佳瑋， 李 昊

(1.江西農業大學國土資源與環境學院，江西南昌 330045； 2.江西省紅壤研究所，江西南昌 331717；3.江西省萬載縣農業局，江西萬載 336100)

城市污泥是指城市生活污水處理廠在污水處理過程中產生的固體廢棄物。我國干污泥排放量為550萬～600萬t/年，而且每年以20%的速度遞增[1]，如何科學合理地處理處置這些污泥已成為當前亟待解決的問題[2]。李艷霞等對我國29個城市的污泥進行統計分析，得出我國城市污泥(不包含工業污泥)有機質平均含量高達到384 g/kg，氮、磷、鉀分別為27.0、14.3、7.0 g/kg，有機質、氮和磷比純豬糞分別高 1/3～2/3[3]。由于污泥中富含氮、磷和植物必需的微量元素，使污泥成為一種極具潛力的肥料[4]。污泥土地利用已成為國際上污泥處置的重要途徑之一，在我國土地施用法處置的污泥量占污泥處理總量的44.83%[5]。盡管如此，城市污泥的處置仍然存在占用土地的問題。

我國土壤沙漠化嚴重，沙漠化使土壤貧瘠，保水保肥力差，利用污泥改良沙漠化土壤具有很高的可行性和潛力[6]。李禎等用粉煤灰和城市污泥作荒漠土壤樹肥，發現荒漠土壤蓄水性能提高，樹木生長量增加[7]；華正偉用城市污泥施用于風沙土壤發現，隨著污泥施用量增加，土壤孔隙度增加，楊樹苗株高、葉面積及成活率都明顯提高[8]。然而，污泥土地施用對土壤和地下水帶來的重金屬污染也一直是人們關注的問題。鄒通等通過模擬淋溶試驗發現，施用污泥后土壤中Cu、Zn、Pb、Cr的總量均有增加[9]；陳碧美對城市污泥農用重金屬進行風險評價，得出Cd和Hg對污染貢獻值較大[10]。然而，污泥施用量對沙土肥力和重金屬積累兩方面的影響少有報道。本研究以城市污泥和沙土為試驗材料，通過室內噴淋模擬降雨試驗，分析不同污泥施用量對沙土氮磷肥和重金屬積累的影響，在此基礎上評價污泥施用量對沙土重金屬污染的風險，以期為城市污泥量化改良沙土提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年6—9月于江西農業大學中心實驗室進行，供試污泥取自江西省南昌市青山湖污水處理廠脫水污泥。污泥基本指標：pH值6.16，有機質含量338.00 g/kg，總氮含量19.00 g/kg，總磷含量11.34 g/kg，重金屬鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)含量分別為1 115.12、539.69、33.11、128.49、2.07 mg/kg。供試沙地土壤取自江西省新建縣厚田鄉南部，沙地土壤的沙粒粒徑較大，土壤貧瘠，對沙土樣品分析測試顯示，其養分和重金屬含量極低(在本試驗中忽略不計)，在取樣地多點分層分別取0～20、20～40、40～60 cm層沙土作為試驗用土。

1.2 試驗設計

試驗采用室內模擬噴頭淋溶模式。試驗用淋溶柱為聚碳酸酯(簡稱PC)材質，柱高1 000 mm，內徑96 mm，外徑 100 mm，柱內模擬沙地土壤結構由下至上分別裝40～60、20～40、0～20 cm層沙土各20 cm，最上層按照各處理施用污泥。試驗共設3個處理，各處理污泥施用量分別為0.3、0.9、1.5 g/cm2，每個處理做3次平行試驗，共9個淋溶柱。淋溶前，用蒸餾水淋洗土壤至水分飽和，靜置24 h之后，模擬中雨強度進行淋洗，每次淋洗量為2 200 mL去離子水，頻率為 1次/周，共淋洗5次，總淋洗量相當于沙地土壤的年均降雨量，模擬試驗共進行35 d，每次淋溶時用燒杯收集淋溶液，密封后于冰箱中4 ℃保存，待分析用。

1.3 分析測試方法

采用凱氏定氮法測全氮含量，鉬銻抗比色法測全磷含量，濕法消解；安捷倫3510型原子吸收分光光度計測定重金屬含量[11]。采用Origin軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同污泥施用量下沙土中養分含量的變化分析

2.1.1 總氮和總磷淋失量動態變化 每次淋溶時將淋溶液收集到燒杯中，采用測定全氮、全磷含量，做3次重復并計算平均值；淋失率是以淋失液中全氮或全磷含量除以淋失前污泥中全氮或全磷含量得到。由圖1可知，在3種不同污泥施用量下，淋出液中總氮淋失量的變化規律相同，隨著淋溶次數增加，淋失量增大，前2次淋失率大于后2次，第3次淋失率最大，為 28.52%。3個處理0.3、0.9、1.5 g/cm25次淋溶后，總氮淋失量分別為104.78、335.67、564.42 mg，淋失率分別 25.41%、27.14%、27.83%。總磷淋失量變化趨勢與總氮相似，如圖2所示，淋失量隨著淋溶次數增加而增加，3個處理淋失率都是在第2次淋溶時達到最大為2.97%，第2次淋溶以后淋失率逐漸減小。3個處理0.3、0.9、1.5 g/cm25次淋溶后總磷淋失量分別為6.39、8.54、10.73 mg，淋失率分別為0.87%、1.16%、2.60%。在相同污泥施用量和相同的淋溶條件下，總磷淋失率遠小于總氮淋失率。

2.1.2 沙土中總氮和總磷淋滯留量 5次淋溶結束后，取 0～60 cm土層土混勻，測定全氮、全磷滯留量，每個處理做3次重復并計算平均值，結果列于表1。從表1可以看出，隨著污泥施用量的增加，總氮、總磷在沙土中的滯留量逐漸增加，由此可以推測出總氮和總磷滯留量與污泥量有一定關系。3個處理0.3、0.9、1.5 g/cm2的總氮滯留率分別為74.59%、72.86%、71.62%，總磷滯留率分別為97.40%、98.84%、99.13%，隨著污泥施用量增加，總氮滯留率有下降的趨勢，而總磷的滯留率有增加的趨勢，總磷的滯留率大于總氮，這與“2.1.1”節的研究結果一致。

2.2 不同污泥施用量下沙土中重金屬含量分析

2.2.1 重金屬淋失量動態變化 每次淋溶時將淋溶液收集到燒杯中，采用酸消解-原子吸收分光光度計法測定重金屬含量，淋失率是淋失液中重金屬含量除以淋溶前污泥中重金屬含量計算而得。從圖3～圖7可以看出，各處理Zn、Cu、Pb、Cr、Cd淋失量隨淋溶次數增加而增加；隨污泥施用量的增加，淋失液中5種重金屬含量均增加，說明淋失液中重金屬含量與污泥施用量有一定關系，但每種元素各處理淋失率有所不同。如圖3所示，污泥施用量為0.9 g/cm2處理，Zn在第2次淋溶時淋失率最大，為1.25%；污泥施用量為1.5、 0.3 g/cm2時，Zn淋失率在第4次淋溶時最大，分別為 1.62%、0.88%；5次淋溶后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個處理的Zn淋失量分別為0.359 9、0.751 2、0.680 2 mg，淋失率分別為0.56%、1.03%、1.49%。從圖4可以看出，0.3、0.9 g/cm2這2個處理的Cu淋失量和淋失率非常接近，而污泥施用量為1.5 g/cm2的處理，淋失量和淋失率明顯高于這2個處理，淋失率在第3次淋溶時達最大，為1.08%；5次淋溶后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個處理Cu淋失量分別為 0.113 5、0.115 2、0.264 6 mg，淋失率分別為0.35%、0.33%、0.97%。由圖5可知，污泥施用量為1.5 g/cm2的處理，Pb淋失量第1次淋溶時均小于0.9、0.3 g/cm2處理，第5次淋溶時Pb淋失量和淋失率都達到最大值，分別為0.225 2 mg和9.11%。當污泥施用量為0.9 g/cm2時，Pb淋失率也是在第5次最大，為10.94%；5次淋溶結束后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個處理Pb淋失量分別為0.189 4、0.235 8、0.327 2 mg，淋失率分別為11.64%、10.94%、9.11%。從圖6可以看出，不同污泥施用量下，Cr淋失量總體變化規律與Pb相似，0.3、0.9 g/cm2這2個處理在淋失量和淋失率變化上很接近；污泥施用量為1.5 g/cm2處理第1次的Cr淋失量均小于污泥施用量為0.9、0.3 g/cm2的處理；5次淋溶結束，0.3、0.9、1.5 g/cm23個處理Cr淋失量分別為0.122 6、0.118 1、0.219 6 mg，淋失率分別為4.40%、1.41%、1.58%。Cd淋失規律如圖7所示，當污泥施用量為1.5 g/cm2時，第1次Cd淋失量比污泥施用量0.9、0.3 g/cm2時都小，Cd在第5次淋溶時淋失率最大，而0.3、0.9 g/cm2處理的淋失量和淋失率變化程度上很接近；5次淋溶結束時，3個處理Cd淋失量分別為0.027 3、0.039 0、0.045 4 mg，淋失率分別為20.52%、19.94%、20.20%。由此看來，重金屬淋失量較小，淋失率與元素性質有關，5種元素淋失率由大到小順序為Cd>Pb>Cr>Zn>Cu。

表1 5次淋溶后沙土中總氮和總磷滯留量

2.2.2 沙土中重金屬滯留量 5次淋溶結束后，取0～60 cm土層土混勻，采用酸消解-原子吸收分光光度計法測量重金屬含量，每個處理做3次重復并計算滯留量，滯留率以滯留量除以污泥中重金屬總含量計算。由表2可知，Zn、Cu、Pb、Cr、Cd在沙土中的滯留量隨污泥施用量增加而增加，每種重金屬元素都是以1.5 g/cm2處理的滯留量最大，滯留量從大到小依次為Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，Zn最大，為120.32 mg，Cd最小，為0.18 mg； 從滯留率來看，3個處理Zn、Cu、Cr的滯留率均大于95%，Pb在90%左右，Cd約為80%。

表2 五次淋溶后沙土中重金屬滯留量

2.2.3 重金屬污染風險評估 由以上研究得出，5種重金屬在土壤中的滯留量隨污泥施用量的增加而增加，因此選擇污泥施用量最大的處理1.5 g/cm2進行風險評估足夠說明問題。從表3可以看出，5種重金屬在沙土中的最大滯留量(表2)均比土壤環境質量三級標準小得多，其內梅羅指數均小于1，由此看來，以1.5 g/cm2污泥施用量改良沙土不存在重金屬污染的潛在風險。

表3 1.5 g/cm2處理沙土中重金屬污染風險評價

注：GBⅢ表示GB 15618—1995《土壤環境質量標準》三級標準(pH值>6.5)；PN表示內梅羅綜合污染指數，PN≤0.7表示土壤清潔，0.7

3 結論與討論

污泥中全氮、全磷含量遠高于土壤，能充分補充沙漠土壤的氮素、磷素[12]。本試驗采用室內模擬中強度降雨淋溶模式研究不同污泥施用量與土壤中總氮和總磷滯留量的關系，結果表明，沙土中總氮和總磷的滯留量與污泥施用量有一定關系，污泥施用量越大，總氮和總磷的滯留量越大。5次淋溶結束時，總氮和總磷的淋失量和滯留量均以1.5 g/cm2處理最大，總氮淋失量最大為564.42 mg，占污泥總氮含量的27.38%，滯留量最大為1 497.27 mg，占污泥總氮含量的 72.62%；總磷最大淋失量為10.73 mg，占污泥總磷含量的99.13%，滯留量最大為1 219.77 mg，占污泥總磷含量的 0.87%。總氮的淋失率遠遠大于總磷的淋失率，而滯留率總磷比總氮大，研究結果與李霞等以科爾沁沙土為研究對象采用室內淋溶模擬試驗[13]相同。盡管總氮的淋失率遠大于總磷，但污泥中總氮的含量比總磷高，所以最終滯留在沙土中總氮和總磷的量都較高，這對提高沙土肥力有利。

污泥富含有機質和氮磷鉀等營養元素，但污泥中也含有大量的有毒有害生物和物質，尤其是重金屬，成為限制其農業土地利用的主要障礙[14]。本試驗同時也考察了污泥施用量對重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd淋失和滯留的影響。結果表明，3個處理Cu、Zn、Cr的淋失率較小，均小于5%，Pb和Cd的淋失率較大，Pb約為10%，Cd約20%。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd在沙土中的滯留量均以1.5 g/cm2處理最大，滯留量順序為Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，Zn最大，為120.32 mg，Cd最小，為 0.18 mg；從滯留率來看，3個處理中Cu、Zn、Cr的滯留率均大于95%，Pb在90%左右，Cd的滯留率約80%。由此看來，Cu、Zn、Cr、Pb容易滯留于土壤中，造成土壤重金屬污染，而Cd相對較容易淋失，這可能是因為Cu和Zn對有機質具有很強的親和性，形成了較為穩定的有機絡合態，從而提高了在土壤中的滯留量[15-16]。李霞等的研究結果表明，Cd在沙土中容易淋失造成地下水污染的風險比Cu、Zn大[13]。

以污泥最大施用量1.5 g/cm2進行風險評估，結果表明，沙土中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd滯留量均小于GB 15618—1995《土壤環境質量標準》國家土壤環境質量 三級標準，內羅梅綜合污染指數除Zn(為0.9)，達警戒線值外，Cu、Cr、Pb、Cd都遠遠小于0.7。因此，加強污泥中重金屬Zn的源頭監測與控制，以1.5 g/cm2的污泥施用量改良沙土，短期內不會造成重金屬污染的風險。