喀斯特石漠化土壤中施用城市污泥的环境影响分析*

杨 丹 李 冕 冯梦芹

(贵阳学院生物与环境工程学院，贵州 贵阳 550005)

近年来，随着城市化的发展，城市污水处理量日益增加，污泥的产生量也随之增加。污泥中富含营养物质[1-2]，在土壤改良方面具有良好效果[3]。我国拥有大面积石漠化中低产土壤[4]，因此城市污泥土地利用具有重要意义[5]。然而，由于污泥含有重金属、氮等污染物[6]，不合理的土地利用将导致土壤污染，甚至危及地下水[7]201,[8-10],[11]195。

兴仁县由于石漠化带来的区域土壤质量退化、水土流失，使得土壤资源锐减，且土壤质量恶化[12-13]。因此，本研究以兴仁县石漠化土壤为对象，探讨不同质量分数的城市污泥添加对土壤重金属和淋溶液重金属、氮的影响，以期为城市污泥在石漠化地区的安全土地利用提供科学指导。

1 方 法

1.1 材料及其来源

土壤于2017年5月采自兴仁县郊石漠化区，为黄壤，采样深度为20 cm；污泥采自兴仁县一污水处理厂，为消化脱水污泥，含水率约60%。将采集的土壤和污泥在25 ℃下风干，研磨后分别过2 mm筛。土壤和污泥的基本理化性质如表1所示。

自然雨水于2017年6月在贵阳学院温棚实验室露天栽培基地收集，pH为6.18，4 ℃冰箱中保存。

表1 土壤和污泥基本理化性质

1.2 实验方法

(1) 污泥施用对土壤重金属的影响实验

将风干、过筛后的污泥分别以0、20%、25%、35%、50%、75%的质量分数均匀混入土壤形成混配土壤，装入直径18 cm、高12 cm的塑料花盆中，土壤和污泥总质量2.5 kg。室温下放置熟化45 d，含水量保持在饱和持水量的70%。熟化结束后各取50 g混配土壤，风干，测定总Cu、总Zn、总Cd、总Pb、总Cr、总Ni含量，每个处理重复3次。

(2) 污泥施用对淋溶液重金属和氮的影响实验

淋溶实验装置如图1所示，由进水部分、土柱部分和收集部分组成[7]200,[14]。进水部分中注入自然雨水。土柱部分采用内径5 cm、高50 cm的透明塑料管，其中混配土壤高度为20 cm，上方盖3 mm石英砂。收集部分由2 cm用纱布包裹的石英砂及烧杯组成。铁丝网用来起固定作用。混配土壤配置同实验方法(1)。分别于15、30、45 d时进行淋溶，淋溶速率为100 mL/h，每次连续淋溶12 h，测定淋溶液中的总Cu、总Zn、总Cd、总Pb、六价Cr、总Ni以及氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量。

图1 淋溶实验装置Fig.1 Leaching experimental device

1.3 分析方法

污泥及土壤样品的总Cu、总Zn、总Cd、总Pb、总Cr、总Ni采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法测定；淋溶液的总Cu、总Zn、总Cd、总Pb、六价Cr、总Ni用原子吸收分光光度法测定，氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮用AA3连续流动分析仪(SEAL，德国)测定。

2 结果分析与讨论

2.1 污泥施用对土壤重金属的影响

由表1、表2可见，由于污泥中的总Cu、总Zn、总Cd和总Pb含量高于土壤，因此这4种重金属含量总体上随混配土壤污泥质量分数的提高而升高。当混配土壤中污泥质量分数低于50%时，重金属均未超标；但总Cd在混配土壤中污泥质量分数为50%～75%时超标7.8%～32.8%，总Zn在混配土壤中污泥质量分数为75%时超标6.8%。由于污泥中的总Cr和总Ni含量低于土壤，因此这两种重金属含量随混配土壤污泥质量分数的提高而降低。

表2 混配土壤的重金属质量浓度

注：1)指《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)的农用地污染土壤风险筛选值。

重金属污染问题是限制污泥土地利用的主要原因[15]。本研究中所用污泥虽然满足《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》(GB/T 24600—2009)，但仍有可能造成土壤重金属超标，带来一定的土壤重金属污染风险。本研究中混配土壤中污泥质量分数必须低于50%。

2.2 污泥施用对淋溶液重金属和氮的影响

2.2.1 污泥施用对淋溶液重金属的影响

图2 不同污泥质量分数混配土壤淋溶液中重金属质量浓度Fig.2 Heavy metal mass concentrations in mixed soil leachate with different mass fraction of sewage sludge

土壤熟化过程中，淋溶液中总Cu含量在污泥质量分数0～50%时变化不大，但污泥质量分数75%时明显升高；淋溶液中总Zn含量在污泥质量分数0～50%时增幅较小，50%～75%时增幅较大；总Cd和六价Cr含量随污泥质量分数提高基本一直都处于升高状态；总Pb含量也是在污泥质量分数0～50%时变化不大，污泥质量分数75%时明显升高；总Ni含量随污泥质量分数提高大体呈下降状态。

污泥土地利用中的淋溶液目前尚无明确的评价标准[17]3972，但降水后淋溶液可能主要进入地下水，因此本研究以《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)作为评价标准。GB/T 14848—2017规定Ⅳ类标准：地下水中化学组分含量较高，以农业和工业用水质量要求及一定水平的人体健康风险为依据，适用于农业和部分工业用水，适当处理后可作生活饮用水。本研究以GB/T 14848—2017的Ⅳ类标准进行评价。除污泥质量分数为75%的混配土壤熟化30 d时总Cu超标外，其他情况下各重金属均不超标。金树权等[17]3973将污泥用于草坪基质利用的研究时发现，污泥质量分数超过50%，淋溶液出现总Cd超标现象。因此，从污泥利用对地下水环境重金属影响的角度考虑，既要控制污泥的施用量，又要保证足够的熟化时间[19-20]。

2.2.2 污泥施用对淋溶液氮的影响

由图3可见，与淋溶液中除总Ni外的重金属含量变化规律相似，淋溶液中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量随着污泥质量分数的提高而升高。从时间上看，随着土壤熟化时间的延长，淋溶液中氮含量先升高后降低，与李小龙[21]的研究结果相似。原因可能是由于淋溶初期污泥中的氮迅速释放进入水溶液，此后已经过淋溶的混配土壤氮减少，加上熟化程度提高，一部分氮被土壤颗粒牢牢吸附，因此淋溶液中氮浓度逐步降低[18]44。

图3 不同污泥质量分数混配土壤淋溶液中氮质量浓度Fig.3 Nitrogen concentration in mixed soil leachate with different mass fraction of sewage sludge

同样用GB/T 14848—2017的Ⅳ类标准进行评价，土壤熟化过程中，氮含量均未超标。污泥在进行实际土地利用时，其上还有植物生长，淋失的氮会更少，因此淋溶液更不会超标。

在污泥土地利用中，应防止氮的淋失。污泥质量分数低，淋溶液中氮一般不会对地下水造成污染[22]。张琪等[23]的研究发现，污泥质量分数在30%以下对地下水造成氮污染的风险较低。

综合污泥施用对土壤重金属含量以及对淋溶液重金属和氮含量的影响，建议污泥在石漠化土壤中进行土地利用时，污泥质量分数低于50%，熟化30 d以上。

3 结 论

(1) 当混配土壤中污泥质量分数低于50%时，重金属均未超标；但总Cd在混配土壤中污泥质量分数为50%～75%时超标7.8%～32.8%，总Zn在混配土壤中污泥质量分数为75%时超标6.8%。

(2) 污泥土地利用中的淋溶液，除污泥质量分数为75%的混配土壤熟化30 d时总Cu超标外，其他情况下各重金属均不超标。

(3) 土壤熟化过程中，混配土壤淋溶液氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量均不超标。

(4) 污泥在石漠化土壤中进行土地利用时，为避免重金属及氮对土壤及地下水造成潜在影响，建议污泥质量分数低于50%，熟化30 d以上。