污泥不同利用形式及利用量对土壤生态环境的影响

薛万来, 李法虎



污泥不同利用形式及利用量对土壤生态环境的影响

薛万来1,2, 李法虎1*

1. 中国农业大学水利与土木工程学院, 北京 100083 2. 北京市水科学技术研究院, 北京 100048

为评估污泥短期土地利用对土壤环境质量的影响, 对比分析了污泥堆肥、生污泥及化肥对照区土壤表层化学性质, 土壤重金属含量差异, 并利用潜在生态危害指数法对不同处理下土壤环境质量进行评价。研究结果表明: 施用污泥堆肥和生污泥可以提高土壤氮磷及有机质含量, 降低土壤pH值, 对土壤全钾含量和盐分含量影响较小; 与对照区CK相比, 污泥土地利用各小区仅增加了土壤中汞含量, 其余各重金属元素与CK差异不大, 各处理重金属含量均在土壤环境质量II级范围内, 污泥短期土地利用没有显著增加土壤重金属含量; 污泥土地利用各小区潜在生态风险指数RI在64.63—127.11之间, 部分处理土壤重金属污染达到中等污染, 镉是主要的污染因子, 其对潜在生态风险指数贡献比例达到31.73%—53.36%, 其余重金属生态风险指数较低。

污泥堆肥; 生污泥; 土壤重金属; 潜在生态危害指数法

1 前言

随着城市化快速发展, 污水处理厂数量和规模日益增多, 伴随污水处理产生的污泥量也不断增多。由于污泥中含有大量的氮、磷、有机质等营养成分, 施用污泥可增加土壤养分, 促进植物生长, 为污泥土地利用提供有利条件。目前农田土地利用是污泥处理的主要方式, 约占污泥处置总量的45%[1-3]。同时污水中50%—80% 以上重金属浓缩于剩余污泥中, 重金属含量约为干污泥的0.5%—2%, 甚至高达4%, 污泥土地利用可能会对土壤生态系统产生一定影响。现有研究表明, 施用污泥可显著提高土壤中Zn, Cu 和Pb含量[4], 且随污泥施用量增加, 土壤重金属含量也随之增加, 但不同重金属增加的幅度却有所不同。傅华等[5]研究表明, 污泥施用量在4—8 kg·m-2时, 与对照相比, 土壤0—20 cm土层中Fe、Cu、Zn 的含量增加, 而Ni、Pb、Cr、As 和Hg 含量与对照差异不显著, 重金属垂向迁移性不明显。同时Madrid F等[6]研究表明, 在中性石灰性土壤中, 虽然污泥含有较大比例重金属, 但并不影响土壤对其的固定能力, 就重金属垂向迁移性而言, 施用污泥不会对环境造成影响。目前关于土壤重金属污染风险, 研究结论不一。本研究通过污泥土地利用田间试验, 研究污泥不同利用形式及利用量对土壤环境质量的影响, 并通过引入潜在生态危害指数对不同处理土壤重金属潜在生态风险程度进行评价[7-9], 以期为污泥土地合理利用提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本研究在北京市灌溉试验中心站内进行, 试验站位于北纬39°20′, 东经114°20′, 海拔12 m, 多年平均降雨量565 mm, 多年平均水面蒸发量1140 mm, 多年平均气温11.5℃, 无霜期185 d。

试验采用完全随机区组设计, 设2种处理, 分别为污泥堆肥处理和生污泥处理, 以施用化肥小区作为对照, 每个处理重复3次, 小区面积为5 m×5 m =25 m2。本试验中生污泥和污泥堆肥晾干粉碎后均匀施入土壤, 其余操作同常规化肥处理一致。每个试验小区四周采用水泥预制板与外界或相邻小区隔离, 以防止相互干扰, 预制板高0.3 m, 其中地面以上0.2 m、地面以下0.1 m; 砖墙以下采用厚1 mm的土工防渗膜隔离。

具体方案:

1)化肥对照CK: 以当地夏玉米常规施用量为基础, 即每亩25 kg的磷酸二铵作为基肥, 尿素每亩25 kg作为追肥;

2)污泥堆肥处理DF: 设3个水平, 分别为DF1:1 kg·m-2、DF2:2 kg·m-2和DF3:4 kg·m-2;

3)生污泥处理SW: 同污泥堆肥处理, 设3个水平, 分别为SW1:1kg·m-2、SW2: 2 kg·m-2和SW3: 4 kg·m-2。

2.2 供试材料

供试作物: 玉米品种为三北211, 于2011年6月21日种植, 9月27日收获, 种植密度约每公顷6.4万株, 按照当地常规的农业措施进行管理。

供试土壤: 碱性壤土质潮土, 试验前取土分析, 土壤中重金属含量见表1。

供试污泥: 分为生污泥和污泥堆肥两种。生污泥来自北京市高碑店污水处理厂(生活污水为主), 污泥堆肥由北京城市排水集团责任有限公司庞各庄污泥堆肥厂提供, 污泥堆肥是原料为含水率80%生污泥与返混料及蘑菇渣等物质组成, 采用CET条垛式好氧堆肥技术, 按照一定比例混合, 堆肥时间为30左右, 混合后的含水率达到50—60%。

生污泥和污泥堆肥2种污泥处理的重金属含量基本在一个水平上, 且所有处理的重金属含量在中国农用污泥中污染物控制标准范围内(GB4284- 1984)。试验前2种污泥的重金属含量见表1, 单位以干污泥计。

2.3 取样及样品处理

土壤样品于玉米收获后即2011年10月份按0—20 cm、20—40 cm分层多点采集土样, 土样采集充分混合后经风干、去杂、过筛后供土壤重金属元素和养分元素测定, 土壤重金属和养分元素测试于2011年11月在北京市理化中心实验室完成。

表1 供试土壤及污泥重金属含量(mg·kg-1)

土壤重金属Ni、Cr、Zn、Cu、Cd、Pb按GB/T 5009-2003用原子吸收分光光度法测定, As、Hg 按GB/T 5009-2003用原子荧光光谱仪测定, 全氮含量测定用半微量凯式定氮法测定, 全磷按NY/T 88-1988紫外可见分光光度计测定, 全钾按GB/T 5009.91-2003原子吸收分光光度计测定, 全盐量按NY/T 1121.16-2006烘干法测定, pH值按GB 6920-1986用pH测试仪测定, 有机质含量测定采用重铬酸钾法。

2.4 评价方法

(1)潜在生态危害指数法

本研究采用提出的潜在生态危害指数法()对污泥短期土地利用土壤重金属潜在生态风险危害进行评价[10]。该方法不仅反映某一特定条件下土壤重金属污染物的影响, 而且结合重金属的生态效应、环境效应, 重点确定了重金属的毒性系数, 按照单因子污染物生态风险指标E和总的潜在生态风险指标进行风险分级, 是目前此类研究中较为广泛利用的方法。其计算公式为:

式中,C—某一重金属的污染系数;C—土壤中重金属的实测值;C—重金属的参比值;C—重金属的综合污染程度(the Degree of Contamination);T—重金属的毒性响应系数(the Toxic Response Factor);E—单因子的潜在生态风险系数(the Potential Ecological Risk Factor);—潜在生态风险指数(the Potential Ecological Risk Index)。C、C、E、相对应的污染程度及潜在生态风险程度参照王莹[11]、贾振邦[12]、樊文华[13]等, 结果如表2所示。

1)评价要素的确定。考虑污泥施用对土壤环境质量及对作物品质可能产生的影响, 结合本研究目的, 选取土壤环境质量标准中要求的8种重金属元素作为评价因子, 即Pb、Cd、Cr、Hg、AS、Cu、Zn和Ni。

2)参比值C的确定。目前不同学者对参比值的选择不尽相同, 部分学者以全球沉积物重金属平均值为参比; 有的以页岩中重金属含量平均值为参比; 有的以研究区当地沉积物重金属背景值作为参比。而Hakanson则提出以现代化工业前沉积物重金属的最高值为参比。一些学者在研究重金属对土壤环境质量的影响采用当地土壤背景值作为参比[14]。结合本研究目的, 本文选择北京地区土壤背景值作为参比值(见表4)。

表2 重金属污染程度及潜在生态风险程度分级

3)毒性响应系数T的确定。此值反映重金属的毒性水平和生物对其污染的敏感程度, 以制定的标准化重金属响应系数作为标准, 同时参照现有的一些研究成果[15]确定了8种重金属毒性响应系数, 即元素Pb、Cd、Cr、Hg、AS、Cu、Zn和Ni分别为5、30、2、40、10、5、1和5。

(2)潜在生态风险综合指数法

由于不同土层中重金属对环境的影响程度不同, 借鉴樊文华等人[13]的研究方法, 采用重金属潜在生态风险综合指数对不同土层土壤环境质量进行综合评价, 它是利用不同土层的权重确定重金属污染的潜在生态风险, 进而对整个土层的土壤环境质量进行综合评价。重金属潜在生态风险综合指数的计算公式为:

式中,—潜在生态风险综合指数;W—第土层的权重;P—第层土层评价指标(潜在生态风险指数)。

不同土壤层次权重采用杨秀红等[16]的方法, 利用基于Horn开发的根系活动区水的衰减深度:

式中,L—深度在处衰减水值;—土壤深度, cm;—总的根深, cm。

L在2个深度的积分值被认为反映了该深度层的土壤权重。本文采用杨秀红等[16]的做法, 取总的根深为100 cm, 据此得到0—20 cm、20—40 cm土层加权系数W分别为0.6369、0.3631。

2.5 数据处理

数据采用SPSS16.0单因素方差(One-Way ANOVA) 分析, 不同处理间多重比较采用LSD方法, 经t检验(p<0.05)。

3 结果与分析

3.1 对土壤化学性质的影响

表3是不同处理土壤表层化学性质含量值。由表3可以看出, 污泥堆肥DF和生污泥SW处理与CK相比, 都显著增加了土壤中的全氮含量, DF1、DF2、DF3、SW1、SW2和SW3全氮含量与CK相比分别提高了42.86%、45.45%、63.64%、22.08%、62.34%和55.84%。污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW不同水平间全氮含量差异不显著, 说明污泥不同利用形式对土壤中全氮含量影响较小。污泥堆肥处理DF的全磷含量与CK存在显著差异, 全磷含量分别提高了30.56%、56.94%和87.50%, 而生污泥处理中除SW1外也均与CK处理间存在显著差异, 说明污泥不同利用形式和利用量对土壤全磷含量影响较大。污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW的全钾含量都小于CK, 可见污泥对土壤全钾含量影响较小。污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW土壤表层有机质含量均随污泥施用量的增加而增加, 施用污泥可以提高土壤有机质含量, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW与CK相比有机质含量差异较小。污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW土壤pH值都小于CK, 说明施用污泥可以降低土壤pH值, 改善土壤酸碱性。生污泥处理SW土壤表层盐分与CK相比存在显著差异, 施用生污泥在一定程度上提高了土壤表层的盐分, 而堆肥污泥处理DF土壤表层盐分含量除DF3外, 与CK之间差异不显著。

3.2 对土壤重金属含量的影响

由表4可以看出, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW不同水平间土壤重金属含量均呈现土壤表层大于中下土层的规律, 说明重金属在土壤中的垂向迁移性较小。研究区不同处理间铅的质量分数范围在18.12—28.40 mg·kg-1之间, 平均为22.06 mg·kg-1, 超过当地背景值的样品数有4个, 分别为DF1、DF3、SW1和SW3的表层土壤, 与CK相比, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW表层土壤铅含量均大于CK, 中下部土层铅含量均小于CK; 不同处理间的镉质量分数范围在0.118—0.19 mg·kg-1之间, 平均为0.14 mg·kg-1, 各处理镉含量值均超过当地背景值, 与CK相比, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW表层土壤镉含量与其相差不大, 中下部土层镉含量均小于CK; 不同处理间的铬质量分数范围在47.84—58.90 mg·kg-1之间, 平均为53.69 mg·kg-1, 各处理铬含量值均超过当地背景值, 与CK相比, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW各层均小于CK; 不同处理间的汞质量分数范围在0.025—0.110 mg·kg-1之间, 平均为0.054 mg·kg-1, 除DF3和SW3处理外, 各处理汞含量值均低于当地背景值, 与CK相比, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW各层汞含量均大于CK, 说明施用污泥与化肥相比, 增加了土壤中汞含量; 不同处理间的砷质量分数范围在4.25—7.50 mg·kg-1之间, 平均为5.71 mg·kg-1, 除DF3、SW1和SW2处理外, 各处理砷含量值均低于当地背景值和CK; 不同处理间的铜质量分数范围在13.78—21.40 mg·kg-1之间, 平均为17.93 mg·kg-1, 各处理土壤表层铜含量均大于当地背景值, 中下部土层小于当地背景值, 与CK相比, 各处理土壤各层铜含量均小于CK; 不同处理间的锌质量分数范围在42.76—71.50 mg·kg-1之间, 平均为55.59 mg·kg-1, 除DF1和DF3外, 各处理土壤各层锌含量均小于当地背景值, 与CK相比, 除DF3外, 各处理土壤各层锌含量均小于CK; 不同处理间的镍质量分数范围在19.86—26.50 mg·kg-1之间, 平均为23.70 mg·kg-1, 超过背景值的样品数有6个, 分别为DF1、DF3、SW1、SW2和SW3, 与CK相比, 各处理土壤各层镍含量均小于CK。纵观所有数据, 污泥处理不同土层所有元素的质量分数均在土壤环境质量标准II级范围内, 短期施用污泥对土壤质量是安全的。

表3 不同处理对土壤养分含量的影响(0—20 cm)(均值±标准误)

注: 同列小写字母不同表示差异达到0.05(LSD)的显著性水平。

3.3 土壤污染程度及潜在生态风险评价

由表5可知, 不同污泥施用形式和施用量下土壤综合污染程度C为6.63—10.18, 平均值为8.20, 处于中度的污染程度, 最大值出现在DF3即4 kg·m-2施用量的小区内。不同层次的污染等级也都呈现出0—20 cm为中等污染, 20—40 cm为低的污染水平的变化规律。污泥施用小区各重金属污染系数C平均值由高至低依次为铬>镉>锌>铜>铅>镍>砷>汞, 污染系数最小值汞的C仅为0.67, 处于较低的污染水平, 镉、铬元素的污染系数平均值均在1以上3以下, 处于中等污染水平, 铅、砷、锌和镍元素的污染系数平均值也均在1以下, 处于低的污染水平。对照区CK 0—20 cm和20—40 cm的综合污染程度分别为9.18、8.99, 处于中等污染程度。

从表5还可以看出, 不同污泥施用量及利用形式, 各重金属元素的污染系数变化没有一定规律, 并没有随着污泥利用量增加而增加, 这说明土壤中重金属污染来源除了外源输入外, 还和土壤本身理化性质密切相关。在本研究中, DF1、DF2、SW2整个土层, 以及DF3、SW1、SW3的中下部土层污染系数都小于CK, 这也说明了在本研究区内施用污泥(堆肥、生污泥)没有显著增加土壤中重金属含量。分析原因可能是本地土壤背景值中含有较高重金属含量(见表1), 加上试验所用污泥主要来源于当地生活污水, 污泥中含有的重金属总量本身就较少, 因此由污泥施用带入土壤中的重金属量相对较少, 因而出现本研究中的结果。

表4 不同处理土壤重金属含量分析结果

表5 不同处理土壤重金属的污染系数及综合污染程度分析

表6是不同处理土壤各重金属潜在生态风险系数和生态风险指数。从表6可以看出, 污泥堆肥处理DF和生污泥处理SW不同处理不同层次土壤重金属潜在生态风险指数在64.63—127.11之间, 部分处理达到了中等污染程度, 其平均值为89.66, 潜在生态风险达到较低程度, 与CK相比差异不大。从不同处理土壤单个污染要素来看, 镉元素潜在生态风险系数E最高, 介于30.76—47.90之间, 平均为36.45, 低于CK平均值41.85, 总体来说为低污染程度, 其余各重金属的潜在生态风险系数也都小于40, 为低污染程度。从总体污染程度来看, 各重金属对生态风险影响程度从大到小依次为镉>汞>砷>铜>镍>铅>铬>锌。

从表6还可以看出, 不同处理土壤重金属生态风险综合指数介于84.74—107.56, 属于低的污染程度, 与CK相比, 各处理的生态风险综合指数都大于CK处理的82.19, 由生态风险综合指数可以看出污泥施用与CK相比, 增加了土壤的生态风险, 需引起关注。此外, 无论是污泥堆肥DF处理还是生污泥SW处理, 镉都是主要的污染因子, 其对潜在生态风险指数所贡献的比例达到了31.73%—53.36%。这可能是由于污泥施用区中镉含量较背景值高许多, 另一面也与镉具有较大的生物毒性系数有关。

4 讨论

4.1 污泥土地利用对土壤理化性质的影响

本研究结果表明, 无论是施用污泥堆肥还是生污泥都提高了土壤全氮、全磷和有机质含量, 而土壤全钾含量变化不大, 土壤pH值也随污泥施用量的增加而不断降低 , 这与路庆斌[18]、李梦红[19]等人的研究结果一致。这可能是因为污泥土地利用能够改善土壤物理特性, 增加土壤有效孔隙, 改善孔隙结构和大小分布, 提高土壤水分含量和持水量[19],减少因径流导致的营养元素流失, 同时由于污泥中含有聚丙烯酰胺、脂肪以及水溶性多糖等物质, 能促进土壤团粒结构的形成, 改善土壤的持水和透气性能, 增加水稳性团聚体数量, 从而使土壤保持较高的肥力特性; 另一方面, 污泥中含有大量的速效氮、磷能够直接被植物吸收利用, 且污泥中有机态的氮、磷含量也较高, 尤其经过堆肥处理的污泥, 施进土壤后有机态的氮、磷在土壤微生物的作用下逐渐矿化, 向土壤中供肥持续时间较长[20]。因此, 污泥土地利用能够增加土壤的保肥和供肥能力, 改善土壤的肥力特性。

表6 不同处理土壤重金属潜在生态风险评价结果

4.2 污泥土地利用对土壤重金属含量的影响

由于污水中大部分重金属最后都浓缩于剩余污泥中, 污泥土地利用可能产生的土壤重金属累积是限制其大规模利用的最主要因素。在本研究中, 与对照CK相比, 污泥堆肥处理和生污泥处理土壤重金属仅汞含量大于CK, 但也在当地土壤背景值范围内, 其余重金属含量都与CK相当或是小于CK, 说明污泥短期土地利用相对于常规化肥施用, 并没有显著增加土壤中重金属含量, 同时参考土壤环境质量II级标准, 所有处理都在II级范围内。因此, 在本研究区范围内污泥短期土地利用是安全的, 这与傅华等[6]的研究结论正好相反分析。原因可能是本次所用污泥主要来自于生活污水, 污泥中本身含有的重金属量很微弱, 加上本次试验污泥施用量较小, 由污泥利用而带入土壤中的重金属量就更少, 同时本研究结果基于的是一年试验数据, 土壤重金属外源输入较少, 因此, 土壤中重金属的量主要由土壤本身决定。由于重金属污染是累积性污染, 关于污泥土地利用对土壤环境质量的影响需要进一步延长试验年限来进一步验证。

4.3 污泥土地利用对土壤重金属潜在生态风险评价

由于目前国家没有统一规定的标准, 在土壤重金属污染评价中对同一对象选择不同的标准, 会得出不同的结论。如采用当地土壤背景值进行评价时得出的结论最为严重, 采用土壤环境质量II标准, 一般均不超标, 本研究中土壤重金属含量相对于土壤环境质量II级标准均不超标, 这与梁丽娜等[20]的研究结论较为一致, 而通过引入重金属毒性系数对土壤重金属进行潜在生态风险评价, 得出DF3和SW3表层土壤重金属污染达到中等污染, 需引起足够的重视。这也是潜在生态风险指数的优势, 即不仅可以反映特定环境中全部污染物的影响, 而且通过这一指数指出需要关注的污染因子, 这对于通过某一主要污染因子来确定污泥合理施用量具有重要作用。

5 结论

通过试验分析了污泥短期土地利用对土壤环境质量的影响, 得到以下结论:

1)施用污泥堆肥和生污泥可以提高土壤氮、磷和有机质含量, 同时降低土壤pH值, 对土壤全钾含量和盐分含量影响较小。

2)与对照CK化肥施用小区相比, 污泥堆肥处理和生污泥处理仅增加了土壤中汞含量, 其余重金属含量都与CK相当或小于CK, 各处理重金属含量均在土壤环境质量II级范围内, 污泥短期土地利用相对于化肥常规施用并没有显著增加土壤重金属含量, 对土壤生态环境是安全的。

3)污泥堆肥和生污泥不同处理土壤重金属潜在生态风险指数在64.63—127.11之间, DF3和SW3表层土壤重金属污染达到中等污染。各处理下镉是主要的污染因子, 其潜在的生态风险指数所贡献的比例达到了31.73%—53.36%, 应引起足够重视。

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Effects of short-term land use of sewage sludge on soil environmental quality

XUE Wanlai1,2, LI Fahu1*

1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China 2. Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China

To assess the impact of short-term land use of sewage sludge on soil environmental quality, it comparatively analyzed the soil surface chemical properties and difference in soil heavy metal contents of sludge compost, raw sludge and fertilizers areas, and used the potential ecological risk index to evaluate soil environmental quality of different treatments. The results showed that raw sludge and sewage sludge compost increased soil nitrogen and phosphorus and organic matter content, reduced soil pH, and had less impact on the soil total potassium content and salt content. Compared with CK, treatments of sludge only increased mercury levels in soil, and other heavy metals contentswere under the range of level II in the soil environment quality; short-term land use of sludge did not significantly increased the heavy metal content in soil. The potential ecological risk index (RI) of sludge treatments was 64.63-127.11; part of the soil heavy metal pollution was in medium pollution. Cadmium was a major pollution factor, and its contribution to the potential ecological risk index ratio reached 31.73% - 53.36%; the ecological risk indexes of other heavy metals were low.

sludge compost; raw sludge; soil heavy metals; the potential ecological risk index

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.016

X53

A

1008-8873(2018)04-130-08

2017-03-25;

2017-05-18

水利部“948”项目“蒸渗仪在城镇污泥土地利用研究中的应用”（201314）

薛万来（1989—），男，江苏淮安人，博士研究生，主要从事水土保持与土壤生态修复研究，E-mail：xuewanlai@126.com

李法虎（1963-），男，河南新乡人，博士，教授，主要从事农业水土工程与水土环境的研究，E-mail：lifahu@cau.edu.cn

薛万来, 李法虎. 污泥不同利用形式及利用量对土壤生态环境的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 130-137.

XUE Wanlai, LI Fahu. Effects of short-term land use of sewage sludge on soil environmental quality[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 130-137.