洪湖底泥特性及生產有機肥的分析研究

王瑞露 劉湛 董偉 吳翔鵬 陳帥 萬端極

[摘 要]為研究洪湖底泥生產有機肥的可行性，對洪湖底泥的有機質、營養物質和重金屬含量進行檢測分析。研究表明：洪湖底泥有機質平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染；全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。此外，洪湖底泥中重金屬汞（Hg）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）的含量平均值均低于有機肥限量標準，但砷（As）的含量略高于限量標準。全湖范圍內Hg、Pb、Cd、Cr、As單因子污染指數Pi均≤1，為無污染狀態。南、北部湖區重金屬的內梅羅綜合污染指數P值分別為0.81、0.80，處于尚清潔狀態。以上結果表明洪湖底泥是作為有機肥料的良好資源。

[關鍵詞]洪湖底泥；有機質；營養物質；重金屬；有機肥

[中圖分類號]X524[文獻標識碼]A

湖泊作為生態環境的重要組成部分，近年來污染加劇，湖泊水體水質富營養化嚴重^[1]。污染物通過地表徑流、雨水沖刷、大氣循環及不合理排水等途徑進入湖泊系統，逐漸在湖底沉積形成湖泊內源污染物^[2]。主要內源污染物包括有機質、氮磷化合物和重金屬^[3]。底泥是組成湖泊系統的一個重要部分，一方面底泥可以吸附湖泊水體的污染物，凈化水質；另一方面，底泥釋放污染物進入上覆水影響湖泊水質，兩者相互聯系，相互制約^[4-5]。

在湖泊水體的內源污染控制中，底泥疏浚得到廣泛的應用，治理效果明顯^[6]。

底泥疏浚可以清除殘存在底泥中的藻類、水生動植物殘骸和絮狀膠體，同時疏浚后的底泥攜帶大量營養鹽，減輕了湖泊內源污染威脅^[7]。但是疏浚出來的底泥中攜帶大量的氮、磷營養物質以及重金屬，如果得不到良好的處置，會使底泥中的有害物質隨雨水沖刷再次進入水體，對環境造成二次污染。將底泥進行資源化處理利用是當下環保行業需要著重考慮的問題^[8]，也是當前階段底泥資源化處置的熱點。

以疏浚底泥為原材料制備有機肥就是資源化處置利用的方式之一。有機肥的發酵過程釋放大量的熱，可以殺死底泥中潛在的病原微生物、寄生蟲，發酵放熱的過程還可以帶走大量的水分，使生產出來的有機肥作用于土壤更加安全^[9]。但底泥生產有機肥也存在諸多技術壁壘，如有機肥制備過程中重金屬的安全性、底泥中土著微生物對發酵過程的影響等^[10]。

本研究以洪湖底泥為研究對象，對底泥有機質、營養元素和重金屬含量及污染等級進行分析評價?；谘芯拷Y果，評估以洪湖底泥作為原材料生產有機肥的可行性。

1 材料與方法

1.1 洪湖污染現狀

洪湖（N29°39′- 30°12′；E113°7′- 114°05′）位于湖北省洪湖市、監利縣之間，年平均降雨量約為1174 mm。洪湖作為湖北省最大的湖泊，水域面積常年保持在350 km²。洪湖有“湖北之腎”的美譽，對流域的供水灌溉、旅游航運發揮著重要功能。在保護當地生態系統方面也具有重要意義。然而，外源污染、過度捕撈、圍湖造田和不合理的開發導致洪湖水體富營養化嚴重，流域飲用水安全受到影響，流域經濟發展也受到威脅^[11]。

鄭煌等于2014年在洪湖中部地區對采集到的柱狀沉積物進行檢測分析，發現TN含量在1480～4920 mg/kg之間^[4]。陳超等于2014年對洪湖全湖沉積物中的TN進行檢測，TN平均含量為2167 mg/kg，比太湖TN平均值高出419 mg/kg、比巢湖TN平均值高出349 mg/kg，與長江中下游地區典型富營養化湖泊的底泥污染相比，洪湖底泥中的TN污染最為嚴重^[3]。潘雄等在非汛期對洪湖有機質含量展開調查，測得結果顯示有機質含量占比在5.0%～24.9%之間。對采集的底泥進行分層檢測，發現底層沉積物的有機質含量較低，而位于底泥表層部分的有機質濃度較高。最表層沉積物（0～10 cm）中有機質濃度處于9.5%～24.9%，30～50 cm底泥中有機質濃度在5.0%～9.7%。研究還發現底泥有機質含量與底泥深度呈正比，而當底泥深度達到40 cm以下時，有機質濃度就基本趨于穩定^[12]。

1.2 樣品采集

洪湖底泥采集于2020年12月底，在洪湖全湖范圍內共布設20個采樣點。南區和北區各10個采樣點。利用重力采樣器采集無擾動的柱狀底泥，沉積物柱狀樣品泥深控制在30 cm左右。對采集后的南北區域底泥進行標記后并于4℃冷藏保存，運回實驗室冷凍干燥。冷凍干燥后將底泥中的大顆粒雜質剔除，通過100目篩進一步去除大顆粒物質，裝袋標記后保存于陰涼干燥處備用。待檢測時，將南區和北區的底泥樣品分別進行混合，對南區混合后的10個樣品和北區混合后的10個樣品分別進行基本理化性質、營養物質和重金屬含量檢測。

1.3 樣品分析

底泥的檢測指標包括：pH、電導率、有機質、全氮（干基）、全磷（干基）、粒徑（D90）、As（干基）、Hg（干基）、Pb（干基）、Cd（干基）、Cr（干基）。pH值測定采用精密pH計S-3C（中國上海），電導率測定采用電導率儀，有機質測定按照土壤有機質測定（NY/T 1121.6-2006）的方法進行，全氮測定按照堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）進行測定，全磷按照連續流動-鉬酸銨分光光度法（HJ 670-2013）測定，粒徑D90采用重力沉降+離心沉降法進行測定，Pb、Cd、Cr、As采用電感耦合等離子體法（ICP-MS）測定，Hg采用催化熱解-冷原子吸收分光光度法測定。

1.4 營養物質評價

目前，國內尚未形成底泥中氮、磷、有機質等生源要素的環境評價標準。國際上的一些沉積物環境評價標準存在較大差異，主要因為基準建立方法的不同，同時影響生物多樣性的因素也不相同。加拿大安大略省環境與能源部出版的沉積物質量指南涉及的指標較為全面，我國黃河口、洞庭湖、北部灣等一些流域沉積物環境評價均采用安大略質量基準。本研究將根據加拿大安大略省沉積物質量基準評價指南對洪湖底泥環境質量進行評價^[13]（表1）。

1.5 重金屬污染評價

1）單因子污染指數法 單因子污染指數法是評價主要重金屬污染種類的重要方法，對疏浚底泥中的重金屬進行污染評價時常采用單因子指數法，通過評價可以確定具體哪種重金屬含量超標，并且可以進一步判別超標程度。我國在評價各類環境介質中的重金屬污染時，通常將某種重金屬含量的實測值與該種重金屬在介質中的標準值進行對比，以此來反應該種重金屬的污染累積現狀^[14]。計算公式如下：

Pi=Ci/Si

其中：Pi為重金屬i的單因子指數；Ci為重金屬i的實測值；Si為重金屬i環境質量限值，Pi與底泥中重金屬濃度呈正比，Pi值增大反映出底泥污染加劇。表2為單因子污染程度劃分標準。

2）內梅羅綜合污染指數法 內梅羅指數法是通過Pi最大值和Pi平均值來準確全面反映環境中重金屬污染的評價方法，該方法在Pi指數法基礎上做了調整，規避了Pi指數法評價的單一性缺點，是一種計權型多因子環境質量指數評價方法。其計算公式如下：

其中：P為采樣點重金屬的內梅羅綜合污染指數；Pi 為單因子指數；Pi_max為污染最嚴重的重金屬。通過分級標準對P值進行評價分類，P值越大，重金屬污染越嚴重。具體分級標準如表 3 所示。

2 結果與分析

2.1 底泥理化性質

對采集到的洪湖底泥進行分析檢測，基本理化性質數據如表4所示。全湖有機質平均濃度為10.5%，全氮平均濃度為4026 mg/kg，全磷平均濃度為1632 mg/kg。通過和2016年對洪湖底泥采樣檢測的數據對比發現，有機質含量有所上升，這是因為隨著洪湖治理取得顯著效果，洪湖水生植物恢復到較高水平，有接近40余萬畝的水域水草豐茂，然而在洪湖的日常管養中由于缺乏對水生植物殘體的及時打撈清理，導致水草豐茂水域植物腐爛堆積現象嚴重，洪湖有機質含量進一步提高，高有機質含量的沉積物在水中會對水質造成嚴重污染，然而將底泥沉積物進行打撈清理，將底泥作為有機肥生產的原材料，便賦予底泥二次利用的價值。

采用加拿大安大略沉積物營養物質質量基準對洪湖底泥環境質量進行評價，可以看出洪湖底泥有機質平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染，全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。由洪湖底泥的粒徑數據可以發現，湖內底泥中90%的顆粒粒徑為140 μm，具有較大顆粒粒徑，在大量吸水后不容易板結，具有較好的通透性。

2.2 底泥重金屬含量

相較于2016檢測到的重金屬含量，2020年重金屬含量有一定程度變化，在洪湖南部區域，Hg、Cd和As的含量均有所上升，上升后的Hg、Cd和As的含量分別為1.65 mg/kg、0.40 mg/kg、15.05 mg/kg，Hg和Cd的含量仍低于重金屬限量指標，As的含量略有超標。而Pb和Cr含量有所降低，分別為23.30 mg/kg、69.50 mg/kg；在洪湖北部區域，Hg、Cd和As的含量也所上升，上升后的Hg、Cd和As含量分別為1.50 mg/kg、0.35 mg/kg、15.10 mg/kg，Pb和Cr含量有所下降，分別為20.55 mg/kg、69.10 mg/kg。

根據《生物有機肥》（NY 884-2012）中對5種重金屬含量的控制指標可以發現，洪湖底泥中Hg、Cd、Pb、Cr的含量平均值均低于限量標準，而As含量略高于限量標準。采用單因子污染指數法對洪湖底泥重金屬進行評價，在洪湖南部區域，Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數Pi分別為0.47、0.83、0.13、0.46、1.00；在洪湖北部區域，Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數Pi分別為0.41、0.75、0.12、0.46、1.00。單因子分析可以發現重金屬均為無污染狀態。采用內梅羅指數法評價底泥重金屬，可以發現在南、北部湖區，P值分別為0.81、0.80，屬于警戒級，即處于尚清潔狀態。但不足以對土壤造成污染。P值略高主要是由于底泥中的As含量略微超標，而在有機肥生產過程中底泥作為有機肥生產的輔料，添加量是按照一定配比添加制備，輔料中的As含量略微超標不影響最終有機肥成品的重金屬檢測要求。也就是說洪湖底泥中重金屬含量滿足有機肥生產，將洪湖底泥進行再利用不會對土壤農作物帶來重金屬污染。

如表6所示為農用污泥中重金屬含量的控制指標，以2020年洪湖底泥重金屬含量為分析對象，洪湖底泥中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr的含量均低于國標（GB 4284-2018）中A級控制指標，說明洪湖底泥中重金屬指標滿足牧草地、園地、種植食用農作物耕地的要求。

2.3 底泥生產有機肥應用

有機肥是指有機質含量豐富，既能為植物生長提供必要的養分，又能作用于土壤中改良土壤肥力的肥料。有機肥一部分來自農戶就地取材、自行堆肥，還有一部分來自工廠規?；a的商品肥。施用有機肥既能增加作物產量、還能改善農產品質量。有機肥作用于土壤中通過減少養分的固定，來進一步提高養分的有效性，在我國農業生產中應用廣泛。以湖泊底泥為原料生產有機肥，分別做草地、林地、果樹肥料和復墾土壤改良劑，對于湖泊疏浚底泥的處置利用具有重要意義。

已有有機肥生產廠家針對目前農業和土壤中存在的重點問題，以含碳礦物為主要原料研發生產了新型有機肥。以泥炭、煙煤、褐煤和草炭為主的一些低質煤為原料，通過二級生物發酵方法激活微生物活性，制備出的有機肥具有有機質含量高、中微量元素配比合理、微生物種類豐富的特點。產品富含有機質和易吸收的高活性有機營養物，同時還富含作物生長發育所需的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等元素。

在有機肥制備過程中，一些廠家采用完全厭氧發酵工藝，不會消耗土壤中的氮元素，安全可靠，可以直接施用。培育出的有機肥具有平衡肥力、改良土壤、促根壯苗、降解殘留、生態環保、防病抗旱和增值提效的優點。在多個省區多種作物上進行實驗示范，水果、蔬菜、糧食、花卉和經濟作物均有普遍增產和改善品質的效果。

2.4 底泥生產有機肥的可行性

洪湖底泥可清除面積達200 km²，若按30 cm厚度進行底泥疏浚，則可清除底泥（60%含水率）約300萬噸，可將疏浚底泥作為有機肥生產的主要原料，對底泥進行脫水預處理，通過二級生物發酵激活微生物活性生產出高質量的有機肥。底泥生產有機肥具有良好的社會效益。底泥中富含的營養元素和礦物質使底泥成為制備有機肥的良好原材料，底泥處置得到資源化利用，底泥中的營養物、有機質得到二次利用，以底泥為原材料制備的有機肥進入到土壤中能增強土壤肥力。底泥發酵過程中產生的熱帶走大量水分，同時還可以殺死底泥中潛在的寄生蟲卵、病原微生物，使得生產出的有機肥更加安全。底泥生產有機肥可以從根本上解決有機廢棄物對生態環境的污染，具有減量化、無害化、資源化的特點。

3 結論

1）洪湖疏浚底泥有機質平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染；全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。

2）洪湖底泥的重金屬含量除砷外均低于有機肥限量標準。Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數Pi≤1，五種重金屬均無污染；內梅羅綜合污染指數分析得到，南北部湖區重金屬綜合污染指數P分別為0.81、0.80，處于警戒級狀態。

3）綜合分析可以發現洪湖底泥是作為有機肥料的良好資源，底泥生產有機肥不會為環境帶來二次污染。

[ 參 考 文 獻 ]

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Research on The Lakebed Sludge Characteristics of Honghu Lake

and Its Feasibility of Producing Organic Fertilizer

WANG Ruilu¹， LIU Zhan¹， DONG Wei¹， WU Xiangpeng²， CHEN Shuai¹， WAN Duanji³

（1 Wuhan Kunjian Ecological Environment Planning and Design Co. LTD， Wuhan 430080，China;

2 School of Information and Media，Hubei Land Resources Vocational College，Wuhan 430090，China;

3 School of Civil Engin. Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：To investigate the feasibility of producing organic fertilizer from the lakebed sludge of Honghu Lake， the organic matter， nutrients， and heavy metals contents of the sludge collected at Honghu Lake were detected and analyzed. The results showed that the average content of organic matter was 10.5%， which indicated a moderate pollution state. The content of total nitrogen （TN） was 4026 mg/kg， which indicated a severe pollution state. The content of total phosphorus （TP） was 1632 mg/kg， which indicated a moderate pollution state. In addition， the average contents of heavy metals mercury （Hg）， lead （Pb）， cadmium （Cd）， and chromium （Cr） in the lakebed sludge were all lower than the limit standards of organic fertilizer. But the content of arsenic （As） was slightly higher than limit standards. The single-factor pollution index （Pi） of Hg， Pb， Cd， Cr， and as in the whole lake were all ≤1， which was defined as a pollution-free state. The Nemero index （P） of comprehensive pollution of heavy metals in the southern and northern lake areas were 0.81 and 0.80， respectively， which were in a clean state. Based on the above analysis， it is determined that the lakebed sludge of Honghu Lake was a good resource for producing organic fertilizer.

Keywords：lakebed sludge of Honghu lake; organic matter; nutrients; heavy metal; organic fertilizer

[責任編校：裴 琴]