污泥炭化產物園林基質利用研究

呂 偉，劉春楠，彭 磊，王越興

（1 深圳市深水生態環境技術有限公司，廣東 深圳 518031；2.深圳市水務（集團）有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市污水和工業廢水排放量日益增加，2020年我國污水處理量預計達2.69億m3/d。污泥作為污水處理過程中的副產物，其中含有大量的有機質、氮、磷、鉀等營養元素，也含有大量有機污染物、重金屬元素等，若處理不當容易對環境造成二次污染。污泥無害化有效利用成為世界各國共同重視的一個問題，現階段污泥有效利用方式包括農用、焚燒、熱解炭化處理等。污泥處理方式應當兼顧到環境生態效益、社會效益和經濟效益的均衡，污泥的農業利用已成為其主要處置途徑，利用污泥制取炭化物因其能夠同時實現資源化、無害化以及減量化的目標而備受關注，且在土地利用和園林綠化方面具有廣闊的應用前景。

所謂污泥炭化，就是通過一定的手段，使污泥中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留了污泥中的碳值，使最終產物中的碳含量大幅提高的過程[1]。目前，污泥炭化物制備方法主要有干式炭化（含傳統熱解、微波熱解）、濕式炭化。國內外研究表明，污泥炭化物可以提高土壤的保水保肥能力，增加土壤中總氮、有機質等可利用養分的含量，增強土壤中微生物活性，并在一定程度上改善土壤質量和促進植物的生長。本研究開展了不同配比污泥炭化物基質對常見地被植物播種繁育及對主要園林綠化樹種苗期生長的影響試驗，旨在篩選出最佳污泥炭化物基質配比，以期為污泥探索合理的資源化利用方式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試植物

供試常見地被植物種子和園林植物植株（高10～20 cm）均采購于市場。

1.1.2 污泥

污泥來自深圳市某污水處理廠活性污泥，含水率98%左右，經離心脫水、自然干燥后含水率降至55%左右。

1.1.3 污泥炭化

將所取污泥放入105℃烘箱24h烘干，用磨料機粉碎過篩成30～120目顆粒；取干污泥置于石英吊籃中，在管式爐內進行炭化，加熱速率是10℃/min，惰性載氣體積流量是400mL/min，在600℃炭化1h；炭化后充入氮氣，自然冷卻至室溫；將炭化污泥加入3mol/L鹽酸，攪拌24h，過濾，剩余物在105℃烘箱蒸干。

1.2 試驗設計

選用污泥炭化物、黃心土、泥炭土為原材料配置8個基質處理，分別為CK對照組（黃心土100%）、T1（黃心土80%+污泥炭化物20%）、T2（黃心土50%+污泥炭化物50%）、T3（黃心土30%+污泥炭化物50%+泥炭土20%）、T4（污泥炭化物50%+泥炭土50%）、T5（污泥炭化物60%+黃心土20%+泥炭土20%）、T6（污泥炭化物80%+黃心土10%+泥炭土10%）、T7（污泥炭化物100%）。

表1 不同配比污泥炭化物基質配方

1.2.1 不同基質配比對常見地被植物發芽率的影響（試驗一）

按照完全隨機區組試驗設計，在大小為50cm×50cm×10cm的萌發盤內，鋪設厚度3～5cm的土壤基質，以城市草坪中常見地被植物馬尼拉草（Zoysia matralla）、狗牙根草（Cynodon dactylon）、四季青（Agrostis stolonifera）、細葉結縷草（Zoysiatenuifolia）為研究對象，探究不同配比污泥炭化物基質對地被植物發芽率的影響。

種植：每育苗盤平均分出4塊區域，每塊區域種植30粒種子，用相對應的基質覆蓋，覆蓋厚度2cm左右，澆水至飽和。在自然光下培養，試驗的外界條件保持在同一水平。

管理：植物發芽前期，每天觀察土壤濕度以便適當補水，直到發芽，以后每3d澆一次水，澆透為止。試驗從2020年2月—2020年5月結束。

觀測：從播種第3d開始每天17∶00統計種子發芽數，并計算其發芽率。

1.2.2 不同基質配比對園林植物生長的影響（試驗二）

試驗設8個處理，同上。以常見園林植物大葉傘（Schefflera microphylla）、銀葉金合歡（Acacia podalyriifolia）、秋楓（Bischofia javanica）、清香木（Pistacia weinmannifolia）、紫花風鈴木（Handroanthus impetiginosus）、鐵刀木（Cassia siamea）、紅車（Syzyglum hancei）、黃花風鈴木（Tabebuia chrysantha）、火焰木（Spathodea campanulata）、小葉榕（Ficus microcarpa）為研究對象，苗木高10～20cm。按照完全隨機區組試驗設計，在大小為70cm×40cm×18cm的種植盤內，鋪設厚度15cm的土壤基質，以探究不同配比污泥炭化物基質對園林植物生長的影響。

種植：每個處理平行兩個種植盤，每個種植盤種5種植物，每種植物3株。

管理：種植后澆飽水，每隔3d澆1次水。

觀測：種植后3d后，每天測量地徑和株高，連續測7d。此后每隔3d測量1次，連續測30d。再此后，每隔7d監測1次，直至試驗結束。

1.3 指標測定

1.3.1 基質物理性質

土壤配置好后，取一個礦泉水瓶，裝200mL水，蓋好蓋后倒立，在200mL水面處做上記號，倒掉水后沿記號處割開，使之成為一個200mL的容器，稱其重量W1，加滿基質后再稱重W2（不同重復間重量基本相同），將容器兩端用紗布包扎好后放在水中浸泡一晝夜，使基質吸水至飽和。除去頂部紗布并蓋好蓋后在水中倒置取出容器，除去紗布稱重W3，然后包扎好紗布，再倒置，并打開瓶蓋排除重力水，放置2h左右，直至容器中沒有水分滲出為止，取下紗布加蓋稱重W4。

容重（g/cm3）=（W2-W1）/500；

總孔隙度（%）=（W3-W2）/500×100；

通氣孔隙度（%）=（W3-W4）/500×100；

持水孔隙度（%）=總孔隙度-通氣孔隙度=（W4-W2）/500×100。

1.3.2 基質化學性質

pH值：利用酸度計測定，混合基質風干粉碎，按5∶1水土比放入150mL三角瓶中，充分振蕩后靜置30min，預熱酸度計，用標準緩沖液校正后測定樣品懸浮pH值，重復3次。

有機質總量：取一定量混合基質樣品，經550～600℃高溫灼燒，稱量灼燒前后質量差，即為有機質總量；

全氮：用凱式法測定；

堿解氮：利用堿解擴散法測定；

速效磷：0.5 M NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法。

1.4 數據分析

數據采用SPSS 20.0軟件進行處理和統計分析，處理間差異顯著性采用單因素方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行比較。利用WPS Office軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同配比污泥炭化物基質的理化性質分析

對8個基質處理進行理化性質分析，分析結果如表2所示：8種基質的pH值為4.41～7.39，除全黃心土基質CK呈偏酸性外，其他基質均呈中性（pH 6.25～7.39）；8種不同配比基質的土壤容重為0.81～1.6g/cm3，其中，T3、T4、T5、T6、T7容重較小，且總孔隙度高于對照組，基質T4、T3通氣孔隙度最大，基質T6持水孔隙度最大。

表2 不同配比污泥炭化物基質的理化性質分析

營養成分方面，相較于對照組，加入污泥炭化物的基質其有機質含量、總氮含量、有效磷含量總體上較高，隨著污泥炭化物占比的增加，基質營養成分有逐漸上升的趨勢。總氮含量和污泥炭化物占比兩者相關性系數為正，顯示正相關性（r=0.907，P＜0.01）；有機質含量基質T4最高，T3次之；銨態氮含量基質T3最高，T4次之；有效磷含量基質T4最高。

綜合來看，基質處理T4、T3（污泥炭化物占比50%）在營養成分方面表現較好。

2.2 不同基質處理對常見地被植物播種繁育的影響

2.2.1 不同基質處理對常見地被植物綜合發芽率的影響

對4種常見地被植物在不同基質處理中綜合發芽率進行均值統計與方差分析（表3）。結果表明，基質處理T4地被植物綜合發芽率最高（67.5%），基質處理T3（65.83%）次之，基質處理T5（64.17%）第三，基質處理T6發芽率最低（23.33%）。通過多重比較分析發現，不同基質處理中T4、T3地被植物綜合發芽率顯著高于T6。通過方差分析得知，4種地被植物在不同基質處理的綜合發芽率無顯著差異。

表3 不同基質地被植物綜合發芽率均值分析

綜合來看，地被植物發芽率在基質處理T4、T3中表現最好，即基質中污泥炭化物占比50%，并配比一定量其他基質，地被植物發芽率較高。

2.2.2 不同基質處理對單一植物發芽率的影響-以四季青為例

選取四季青在不同基質處理中發芽率的表現，由圖1可知，四季青在基質處理T3、T2種發芽率最高，其中基質處理T2、T3、T4、T5、T1四季青發芽率優于對照組。結果顯示，在基質中添加一定配比污泥炭化物（50%左右）對四季青種子萌發有促進作用。

圖1 不同基質處理對四季青發芽率的影響

表4 不同基質地被植物綜合發芽率方差分析

2.3 不同基質對園林植物生長的影響

由表5可知，不同基質處理對園林植物地徑增長量、苗高增長量存在一定差異。地徑增長方面，基質處理T5、T4、T3地徑增長量位列前三位，對照組最小。多重比較結果表明，基質處理T5、T4、T3地徑增長量顯著高于其他基質處理。苗高增長方面，不同基質處理由大到小依次為T3＞T5＞T4＞T2＞T1＞T7＞T6＞CK。多重比較結果表明，基質處理T3、T5、T4、T2苗高增長量顯著高于對照組。方差分析結果顯示，地徑增長量、苗高增長量在不同基質處理間均存在顯著差異。

表5 不同基質對園林植物生長的影響

對10種園林植物在不同基質處理中地徑增長量、苗高增長量進行統計，并根據其表現賦予得分，分類匯總結果如表7所示，綜合得分由大到小依次為T3＞T5＞T4＞T2＞T7＞T6＞CK。其中基質處理T3、T4、T2污泥炭化物占比均為50%，基質處理T5中污泥炭化物占比為60%，由此可得，基質中加入一定量的污泥炭化物（占比50%左右）有利于園林植物的生長。

表7 不同基質對園林植物生長綜合得分一覽表

表6 不同基質園林植物生長方差分析

3 討論

國內已有學者開展污泥作為育苗基質的研究，王淑影等發現基質中施入一定配比的污泥，對馬尼拉草、波斯菊的生長有促進作用，其株高、生物量、葉綠素含量均優于對照組[2]；何仕濤研究發現，以污泥為主料的育苗基質理化性質優于傳統基質（草炭土∶蛭石=3∶1），育苗基質中一定配比污泥發酵物對番茄幼苗（污泥發酵物占比50%）、辣椒幼苗（污泥發酵物占比33%）的生長有促進作用[3]；高浩潔和趙鳳香研究了不同含量污泥堆肥栽培基質對油松幼苗生長的影響，結果表明：當污泥堆肥含量為30%時，油松幼苗的苗高、地徑、地上部分的鮮重和干重均達到最高值[4]。

雖然污泥可以增強土壤肥效，并改善土壤的通透性，對植物生長有一定促進作用，但污泥中含有大量的難分解的有機物、病原微生物、無機顆粒等，從而限制了其土地利用[5]。污泥炭化后可有效利用污泥中的有機質、氮、微量元素等，既減少了污泥帶來的污染，又充分利用了污泥的有效價值，同時節約了綠化成本，解決了園林綠化中的難題。污泥炭化物適用于園林、林地、草地、市政綠化、育苗基質中，另外還可以將其用于礦場的尾礦區、森林采伐場、垃圾填埋場、地表嚴重破壞區等需要復墾的土地，既可改良土壤特性，增加土壤養分，促進植物生長，同時在固定重金屬、吸附農藥多菌靈等方面均有顯著成效，兼顧了生態效益和社會效益。

本研究發現，育苗基質中污泥炭化物占比50%時，有利于地被植物種子萌發和常見園林植物的苗期生長。研究表明，污泥炭化物加入土壤后，其孔結構使土壤孔隙變大、孔隙體積和表面積增加，可以提高土壤的曝氣和滲透性；其表面豐富的官能團可以提高土壤的離子交換能力和營養物質利用效率；污泥炭化物能夠吸附土壤有機分子，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成有機質；污泥炭化物極為緩慢的分解有助于腐殖質的形成，促進土壤肥力提高[6]。育苗基質中加入污泥炭化物能夠改善土壤理化性質，提高土壤養分循環與利用。除此之外，由于污泥炭化物的比表面積和孔隙度較大，增強了土壤通氣性和土壤保水性，為植物根系的生長和發育創造了良好的環境條件。

4 結論

該研究表明，在常見地被植物種子繁育和園林植物苗期生長階段，適當地加入污泥炭化物作為基質，可以緩解土壤酸性，降低土壤容重，提高土壤總孔隙度和通氣孔隙度；可以增加土壤有機質、總氮、有效磷含量，且隨著污泥炭化物占比的增加，基質營養成分有逐漸上升的趨勢。土壤環境的改善，提高了地被植物的綜合發芽率，也使園林植物地徑增長量和苗高增長量顯著增加。綜合來看，污泥炭化物占比50%的基質處理在營養成分、地被植物發芽率，以及園林植物地徑增長量和苗高增長量方面表現優于其他處理。