城市污泥土地利用的淋溶风险探析

徐成斌，董兴，黄野，田丹，孙学凯

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.沈阳大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110044；3.中国科学院 沈阳应用生态研究所 大青沟沙地生态实验站，辽宁 沈阳 110016)



城市污泥土地利用的淋溶风险探析

徐成斌1，董兴1，黄野1，田丹2，孙学凯3

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.沈阳大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110044；3.中国科学院 沈阳应用生态研究所 大青沟沙地生态实验站，辽宁 沈阳 110016)

科学合理地处置城市污泥业已成为中国当前亟待解决的重要环境问题.剩余污泥土地利用是一种最具发展潜力的处置方式，但是污泥中含有多种重金属、有机污染物、养分元素等，土地利用后能否产生淋溶风险，是否对土壤、地下水甚至人体健康产生危害存在较大争议.为此，本文对污泥土地利用后重金属、有机污染物以及养分的淋溶风险进行了论述，并对污泥土地利用的未来发展方向进行了展望.

城市污泥；淋溶；土地利用；环境风险

随着中国城市化的迅速发展，污水处理厂不断修建，中国城市污水处理厂剩余污泥的产量日益增加[1].据中国水网/中国固废网研究院发布的《中国污泥处理处置市场分析报告(2013版)》可知，近些年，中国的污泥产生量大幅提升，目前城镇污水处理厂湿污泥(含水率80%)产生量已超过3×107t/a.剩余污泥是污水 处理过程中产生的沉淀物，含有各种有机污染物、重金属、病原微生物、无机颗粒等，在剩余污泥的处置过程中如不能有效去除各种污染物质就会造成二次污染[2].因此，污泥有效利用和安全处置是经济、环境协调发展中的一个重要部分[3].现阶段，国内外对污泥的处理方式主要有土地利用、建材利用、焚烧、填埋、污泥干化与消化等[4].由于城市污泥中富含氮、磷等养分以及多种有机质，将城市污泥施入土壤可以改善土壤的理化性状[5].Tejada等[6]研究施用污泥的土壤发现，土壤孔隙度增加，土壤表面板结和地表径流减少.Cheng等[7]研究认为，施用污泥可增加土壤阳离子交换量，增强土壤团聚体的稳定性和保水保肥能力.Kimberley等[8]研究结果表明，施用适量污泥会显著促进松树生长，施用5年后松树的最大枝条直径较未施用污泥的最大枝条直径大1 cm.另有研究表明，向沙质土壤中施入污泥，可提高草本植物的生物量[9].因此，对城市污泥的资源化利用业已成为环境科学、生态学等诸多领域的重要研究热点[10].

城市剩余污泥在长期施用或过量施用时，往往会对土壤及地下水产生一定风险，因此污泥土地利用已经引起广大学者们的高度重视.研究表明，施用污泥中含有一定量的重金属，会在土壤中产生一定的累积，造成环境污染[11]，并能直接或间接途径进入食物链，对人体健康产生危害.城市污泥中含有多种有机污染物，在环境中具有生物累积效应以及放大效应，由于有机污染物具有“三致”作用，长期累积对人体有毒害作用[12].此外，长期施用污泥或者过量施用污泥时，土壤中的氮、磷等无机物质会有淋溶风险，进而导致地下水富营养化的加速，严重的将会导致地下水的污染[13].因此，探讨污泥土地利用的淋溶风险对中国城市剩余污泥的合理处置与资源化利用具有重要的指导意义.

1 污泥土地利用后重金属的淋溶风险

城市污水处理厂污泥中含有多种重金属成分，根据污水来源和污水处理方式工艺的不同，污泥中的重金属种类及含量也略有不同.一般情况下，污泥中主要含有的重金属有Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Cr、Ni、As等[14-15]，其中Cu和Cr的含量高于Pb、As和Cd的含量[16].目前有关施用污泥后重金属淋溶风险的研究中Pb、Cu、Cd、Zn、Cr受到较多关注，但由于污泥中重金属在土壤中的迁移与污泥中重金属的组成、土壤的性质以及施用污泥方式等因素相关，因此对施用污泥后重金属的迁移淋溶的研究结果不尽相同[17].黄丽荣等[18]研究发现，施用污泥量的增加使土壤有效态的重金属Zn、Cu、Cd、Pb的含量随之增加，但土壤中不同重金属含量增加的幅度不同.王新等[19]向草坪草施用污水处理厂污泥，研究结果表明，土壤中重金属的含量增加，土壤Cd、Pb、Cu、Zn质量分数分别在0.2～0.5、25～50、27～42、25～43 mg/kg内波动变化，并且随着施入污泥量的增加，每种重金属含量都会有不同程度的提高.Sukreeyapongse等[20]通过对污泥施用的研究，发现污泥施用后会促进土壤中Cd、Cu和Pb的释放量，并且随着pH值的下降会提高重金属的释放速率，各重金属释放速率表现为Cd>Pb>Cu.而傅华等[21]的研究表明，当污泥施用量控制在4.0～8.0 t/hm2时，黑麦草地表层土壤(0～20 cm)中Cu、Zn和Fe的含量升高，而其余重金属元素的含量与对照组无明显差异，并未对土壤造成污染.付新梅等[22]模拟土柱淋溶实验，结果表明，Cu元素在污泥施入后含量明显升高，特别是在pH4.5的酸性条件下，Cu元素会向下迁移，由此可见Cu对土壤及地下水的污染风险.Madrid等[23]则认为，重金属元素在污泥中比例很大，但由于土壤对重金属具有一定的固定能力，因此施用污泥对重金属迁移方面不会对环境产生严重危害.Fonseca等[24]研究了几种重金属在壤质砂土中不同的吸附能力，得出Cu≈Zn>Cd>Pb>Cr.由此可见，施用适量城市污泥后，短期内重金属淋溶的风险较小，长期使用或者在酸雨多发的地区应考虑重金属对生态环境的危害.

2 污泥土地利用后有机污染物的淋溶风险

多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和有机氯农药(OCPs)是几种常见的持久性有机污染物[25].在城市污泥中，以上有机污染物均可以普遍检测到[26]，其质量分数一般达到ng/kg甚至mg/kg(污泥干重)级别[27-28].Cai等[29]对中国9个城市11个污水处理厂取得的污泥进行研究分析，共检测到44种半挥发性有机组分，在这些有机污染物中PAHs是含量最多的有机污染物，PAHs干物质质量分数在1.4～7.9 mg/kg.在污泥施入土壤后可能会引起土壤中残留有机污染物通过淋溶至地下水中，进而产生影响和危害.

长期以来，人们普遍认为PAHs等这类有机污染物疏水性强、水溶性低，其活性与迁移能力十分微弱[30]，但是，这类有机污染物的有机碳-水分配系数高，可被土壤有机质强烈吸附，特别是土壤和污泥中的溶解性有机质能够通过吸附、分配、氢键、共价键、电荷转移、范德华力等多种方式与有机污染物结合，如结构复杂的富里酸(fulvic acid,FA)与胡敏酸(humic acid,HA)，它们的疏水部分是与疏水性有机污染物结合的主要部位，进而导致有机污染物在环境中更大范围迁移和扩散[31].目前，许多学者探讨溶解性有机碳对有机污染物迁移转化等环境行为的影响，以及有机污染物在环境中最终归宿的问题[32-34].近来有研究表明，土壤中PAHs与溶解性有机碳有相似的淋出规律[35].Yu等[36]研究发现，腐殖酸溶液可显著提高PAHs的迁移性.韦婧等[37]通过室内土柱淋溶实验探讨溶解性富里酸对土壤中多环芳烃迁移的影响，结果表明，富里酸提取的溶解性有机质在土壤中具有较强的迁移能力，在溶解性有机质持续淋溶条件下，菲、芘以及苯并[a]芘在淋出液中的浓度明显提高，并有少量二苯并[a，h]蒽淋出，溶解性有机质可作为载体提高 PAHs在土壤中的迁移性，进而增加PAHs这类有机污染物向深层土壤和地下水迁移的可能性.可见，在施用城市污泥后，土壤和污泥中所含的PAHs等持久性有机物会在可溶性有机物的作用下产生迁移，具有一定淋溶风险.Oleszczuk和Baran[38]通过研究发现施污泥后的植物中2～3环芳香烃含量明显增加，但其含量对于人体健康暂不能产生影响.赵毅等[39]采用RBCA(risk based corrective action)模型对有机氯农药污染场地进行了风险评估，结果表明，土壤表层有机污染物的浓度最大，随着土层加深，浓度逐渐减小，应重点考虑有机污染物迁移至地下水的风险．这一评价分析为城市剩余污泥的土地利用可行性提供重要参考.

3 污泥土地利用后养分的淋溶风险

城市污泥中富含各种氮、磷等养分，土地利用后可对土壤理化性质加以改善.一般情况下，污泥土地利用后土壤中氮、磷等养分的含量会显著提高[40].城市污泥中含有大量可被植物吸收的速效氮、速效磷，有研究表明，土壤中速效氮、磷、钾等养分的含量会随污泥施用量的增加而提高，其效应可以持续较长的时间[41].此外，污泥中的有机氮、有机磷可在施入土壤后进行矿化，进而能够保持较长时间的肥效，对土壤培肥具有良好的作用[42].但是，污泥施用过量或长期施用时，土壤中氮、磷等养分会大量累积并存在流失风险，以及对地表水、地下水产生危害，因此，城市污泥中养分的淋溶问题也备受关注.

Kidd等[43]探究了长期(10年)施用污泥的土壤及渗漏液中的磷含量，发现施污泥土壤中水溶性磷浓度比未施污泥的浓度高出8倍以上.李霞等[44]研究发现在施用污泥后的土壤中，磷在0～20 cm内变化明显，这与表层土壤对于磷的容纳能力有一定关系，并且磷在土壤中迁移性较弱，在40 cm以下土壤中磷含量与施用污泥前无明显差异.由此可见，施用城市污泥后磷素污染的潜在环境风险较小.而对于另外一种重要养分氮素来说，特别是以硝态氮形态存在的氮素，由于其难以被土壤颗粒吸附，存在淋溶的风险较大.Oladeji等[45]研究了矿区修复场地长期施用污泥对地下水中氮含量的影响，发现硝态氮有淋溶现象，并且地下水中硝态氮含量增加.Correa等[46]对使用污泥修复的土壤中硝态氮的淋失风险进行研究，指出当施用污泥量在(0.5～8.0)×103kg/hm2时，地下水中硝态氮存在的风险较低.张亚欣等[47]研究了科尔沁沙质草地氮素添加对硝态氮淋溶的影响，结果表明，在氮添加处理条件下，土壤层次为20 cm 和40 cm处的淋溶量分别是对照的1.96和1.39倍，氮添加能够促进土壤中的硝态氮向深层次淋溶，具有增加硝态氮向地下水淋失的风险.此外，氮磷的淋失与降雨量、土壤的结构及其类型、污泥类型和施用量等因素相关[48-49]，因此，污泥土地利用的方式、污泥的施入量等诸多问题还需要深入研究和探讨.

4 展望

城市污泥中含有多种能够促进植物生长的营养物质和微量元素，同时也包含可改善土壤性质和生物学特性的多种有机质及腐殖质，有较高的土地利用价值，因此，国内外许多学者将城市污泥作为土壤改良剂应用于退化的土壤，以增加土壤有机质含量和提高土壤肥力，城市污泥不仅得到资源化利用，而且在改良土壤方面也发挥着重要作用.但是，城市污泥中含有的重金属、病原体和有机污染物等有害物质，可能会淋溶到地下水，进而对生态环境与人类健康造成潜在危害，目前已经成为城市污泥在土地利用方面的一个严重弊端.因此，需要在以下几个方面做出努力：1)选择适合用于剩余污泥土地利用的土壤或生态系统，如中国北方地区的樟子松人工林、草地等退化沙地生态系统，不仅可为贫瘠的沙质土壤提供营养源和能源，而且能够降低城市污泥中有毒有害物质带来的食物链风险，提高城市污泥资源化利用率；2)摸索污泥土地利用的施入方式，针对污泥的施用量、施入时间、污泥与其他物料的配比等方向开展研究，科学合理地进行污泥有效利用，降低其环境风险；3)分析污泥土地利用后有机污染物、重金属等的迁移规律，综合评价施用污泥的环境风险，为城市污泥资源化利用的可行性论证提供科学依据.

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(责任编辑：赵藏赏)

A review on leaching risk of land application of urban sewage sludge

XU Chengbin1,DONG Xing1,HUANG Ye1,TIAN Dan2,SUN Xuekai3

(1.College of Environmental Science,Liaoning University,Shenyang 110036,China;2.College of Information Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;3.Daqinggou Ecological Station,Institute of Applied Ecology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

In our country,dealing with sewage sludge scientifically and reasonably has become an important and urgent environmental problem.Land application of urban sewage sludge is the most promising way of the disposal.However,sludge contains a variety of heavy metals,organic contaminants and nutrients.It remains unclear whether these pollutants in the sludge may leach into soil and groundwater,and cause harm to human health.In this paper,the risk of heavy metals,organic contaminants and nutrients after the sludge land use were reviewed.The problems in the future development about land application of urban sewage sludge were pointed out.

urban sludge;leaching;land application;environmental risk

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.01.012

2016-06-30

国家自然科学基金资助项目(41401262)；国家“十二五”科技重大专项子课题(2012ZX07202003-05)；辽宁省教育厅一般项目(L2015202);2016年辽宁省级本科教改立项项目；辽宁省博士科研启动基金计划项目(201501131)

徐成斌(1980—)，男，辽宁大连人，辽宁大学副教授，主要从事环境污染与防治、环境工程研究.E-mail:xuchengbin80@163.com

孙学凯(1980—)，男，辽宁沈阳人，中国科学院沈阳应用生态研究所工程师，主要从事碳氮养分循环、植被生态恢复与环境污染控制的研究.E-mail:sunxuekai@iae.ac.cn

X53;X705

A

1000-1565(2017)01-0080-06