污泥基生物炭重金属风险评价及对黑麦草生长的影响

马若君，贾宏宇，杜 一，于钧泷，赵晓东，张秀霞

〔中国石油大学(华东)化学化工学院，山东 青岛 266580〕

城市污泥组成复杂，不仅富含氮、磷等营养成分和微生物残体，还含有病原体、重金属等有毒有害物质[1]。在无氧条件下，城市污泥中有机物通过热裂解，将生物质转化为富碳多孔材料，得到污泥基生物炭[2]。与传统秸秆基生物炭相比，污泥中有机质含量达60%以上[3]，具有大量碳、氮、磷、铁、锌等元素，这些营养成分在污泥炭化的过程中得以保留，可以提升土壤阳离子交换量及有机碳含量，改善土壤肥力[4]。此外，污泥中含有大量无机矿物成分，热解过程中有机质和无机矿物形成致密的复合体[3]，有机质在高温下进一步分解，使污泥基生物炭具有丰富的孔隙结构。污泥基生物炭对Cd2+的吸附能力高于秸秆生物炭和活性炭[5]。

污泥基生物炭作为具有较大比表面积、较强阳离子交换吸附能力的稳定富碳产物，可以储存植物生长所需的养分，减少土壤养分淋失，被认为是非常有前景的新型土壤改良剂[6-7]。虽然城市污泥富含植物必需的微量营养和有机质，但重金属可能会影响其在土壤中的应用，因此有必要对热解后污泥中重金属的潜在风险进行分析。热解过程中重金属损失量低于有机物损失量，导致重金属富集在生物炭基质中，但重金属的有效态含量明显降低，使得重金属浸出风险减少[8-9]。随着热解温度增加，生物炭表面与重金属可配体结合的官能团增加，原始污泥的重金属环境风险有效降低[10]。

黑麦草(Loliumperenne)是一种禾本科草本植物，其茎干丛生，可以在短期内生根发芽，拥有较强的再生能力，是良好的植被恢复物种，常被选为特种植物进行生长规律研究[11-12]。研究选用城市生活污泥热解制备污泥基生物炭，对污泥及污泥基生物炭中不同化学形态的重金属进行提取及测定，评估潜在生态风险。通过盆栽试验分析城市污泥基生物炭的施用对黑麦草生长情况的影响，通过16S rRNA测序技术和生物信息学方法分析黑麦草根系土壤微生物多样性的变化，评价污泥基生物炭的生态风险，为其安全资源化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土样及污泥基生物炭的制备

试验所用土壤是典型的棕壤，取自山东省青州市口埠镇现役耕地，地理坐标为36°45′30″～36°45′31″ N，118°38′1.7″～118°38′2.7″ E。采用随机布点混合四分法进行采样，取样深度为0～20 cm，取样量约50 kg，为了模拟采样地土壤容重，将采集的土样过0.425 mm孔径筛后备用。

试验污泥取自青岛市海泊河城市污水处理厂产生的剩余活性污泥。参考GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》对干基污泥进行工业分析，干基污泥中灰分、挥发分、固定碳质量分数分别为34%、55.1%、10.9%。采用元素分析仪对干基污泥中的C、H、N、S进行元素分析，其质量分数分别为32.2%、5.92%、5.81%、1.01%，通过差值计算得到O的质量分数为21.1%。

利用恒温电热鼓风干燥箱，将污泥在105 ℃下干燥至恒重后粉碎，过0.425 mm孔径筛，得到干污泥样品。取烘干筛分后的干污泥样品置于瓷舟，通入50 mL·min-1的氮气以隔绝空气，在管式加热炉中进行热解。设定热解终温为750 ℃，升温速率为20 ℃·min-1，反应时间为30 min，制得污泥基生物炭。将污泥基生物炭研磨后过0.425 mm孔径筛，干燥备用。

1.2 供试土样和污泥基生物炭理化性质

测定试验土样和污泥基生物炭的阳离子交换量、全氮、氨氮、硝态氮、有机质含量，pH值和电导率等理化性质。阳离子交换量采用氯化钡-硫酸强制交换法测定；全氮含量通过ATN-300型全自动定氮仪测定；氨氮含量测定采用纳氏试剂分光光度法；硝态氮含量测定采用紫外分光光度校正因数法；土壤电导率测定使用土壤电导率仪；土壤有机质含量测定采用稀释热法；生物炭pH值测定依据GB/T 12496.7—1999《木质活性炭试验方法 pH 值的测定》。土样与污泥基生物炭的理化性质见表1。

表1 土样与污泥基生物炭的理化性质

1.3 重金属潜在生态风险评价

1.3.1重金属测定与分析方法

称取等量干基污泥和污泥基生物炭，采用欧共体标准物质局(European Community Bureau of Reference，BCR)提出的三步顺序提取法进行重金属含量分析[13-15]，得到可交换态和酸溶态(F1)、可还原态(F2)、可氧化态(F3)和残渣态(F4)这4种形态的重金属。提取液中的重金属浓度通过电感耦合等离子体发射光谱进行测定。所有分析试验均设3次平行并取平均值。原始土壤样品中重金属Pb、Zn、Cr、Cu、Ni含量分别为7.965、23.947、29.923、11.958和11.369 mg·kg-1。

1.3.2重金属潜在生态风险评价方法

污泥及污泥基生物炭中重金属的生态毒性和生物有效性不仅取决于重金属的毒性和总量，还取决于它们的化学形态[16-17]。土壤中重金属环境风险通过风险评估指数(RAC)、米勒地质累积指数(Igeo)以及潜在生态风险指数(RI，IR)进行表征。RAC值为BCR法中可交换态和酸溶态含量占总金属总量的比例，可用来评价生物炭中重金属的生态累积性。当RAC值<1%时，视为无风险；1%～10%为低风险；>10%～30%为中等风险；>30%～50%为高风险；>50%为极高风险[18]。

米勒地质累积指数Igeo的计算公式[19]为

Igeo=log2(Cn/Bn/1.5)。

(1)

式(1)中，Cn为污泥及生物炭中重金属含量，mg·kg-1；Bn为土样中重金属含量背景值，mg·kg-1；乘数因子为1.5[19]。Igeo表示污泥及生物炭中重金属含量与土样中重金属含量的变化关系，用来评价生物炭中重金属对土壤的污染程度，分为7个等级：Igeo<0，污染级别为0级，表示无污染；0≤Igeo<1，污染级别为1级，表示无污染到中度污染；1≤Igeo<2，污染级别为2级，表示中度污染；2≤Igeo<3，污染级别为3级，表示中度污染到强污染；3≤Igeo<4，污染级别为4级，表示强污染；4≤Igeo<5，污染级别为5级，表示强污染到极强度污染；Igeo≥5，污染级别为6级，表示极强污染。

潜在生态风险指数IR的计算公式为

Er=Tr×Cf，

(2)

(3)

式(2)～(3)中，Cf为污泥及污泥基生物炭中重金属含量，mg·kg-1；Tr为重金属毒性反应因子，污泥及污泥基生物炭中重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni的Tr值分别为5、1、5、2和6[17,20]；Er为重金属潜在生态风险因子。IR值可用来评价生物炭中重金属的环境生态风险，分为4个等级：轻微生态风险(≤150)、中等生态风险(>150～300)、强生态风险(>300～600)、很强生态风险(>600)[21]。

1.4 黑麦草盆栽试验设计

为进一步探索污泥基生物炭对植株生长情况的影响，选用黑麦草作为特征植物进行盆栽试验。使用外径和内径分别为12和10 cm、盆高约为15 cm的花盆，盆底处铺设一定质量的细砾石，依据实际情况垫上纱网，避免发生土壤流失现象。每个花盆分别称取200 g土样，以无添加的原始土为空白，取土壤质量1%、5%、10%的污泥基生物炭与土壤混合作对照。在大量备用的黑麦草种中选取颗粒饱满的部分，以120粒·盆-1的密度，将黑麦草种播种于盆内，盖上5 mm土壤。每天用200 mL的去离子水浇灌，保障水分得以充分吸收，置于20～25 ℃环境中培养并确保足够的日照，培养过程中无其他氮肥添加。盆栽试验总计30 d，前12 d每日记录黑麦草发芽率，并在第12天测定其平均叶长及单株叶片均重，考察污泥基生物炭的施用对黑麦草发育生长情况的影响。在盆栽试验第30天，采用抖落法[22]取3处未施炭(CK)和施炭量为5%(BC)的黑麦草根际土壤，混匀后再重新3等分，进行DNA抽提和PCR扩增，探究污泥基生物炭的施用对黑麦草根系土壤微生物多样性变化的影响。通过Chao1和ACE指数表征群落丰富度。Chao1指数越大，表明群落中物种数越多；ACE指数越大，表明群落丰富度越高。通过香农指数(Shannon Wiener Diversity Index)和辛普森指数(Simpson′s Diversity Index)表征群落多样性。Shannon指数值越大，表明群落中物种分布越均匀，多样性越高；Simpson指数值越大，表明差异性越高，群落多样性越高。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据统计与计算，采用Origin 2021软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 重金属潜在生态风险评价

2.1.1重金属总量和形态分析

重金属毒性及危害不仅取决于其含量，更大程度上受赋存形态影响[22]。通过BCR三步提取法测定城市污泥及污泥生物炭中各重金属总量和提取态含量。可交换态和酸溶态(F1)、可还原态(F2)为生物有效态(F1+F2)，在环境中容易浸出，具有直接的生态毒性；而可氧化态(F3)和残渣态(F4)为非生物有效态(F3+F4)，在可氧化性和强酸性环境中表现出长期的稳定性，基本不具有生态毒性。

由表2可知，污泥基生物炭中的Pb、Zn、Cr、Cu和Ni含量均高于污泥样品，这可能是因为污泥经过热解处理后，重金属损失量低于有机物损失量，导致重金属富集在其固体产物中[20]。污泥及污泥基生物炭中重金属含量顺序为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni，其中污泥中Zn总量为98.38 mg·kg-1，明显高于其他重金属。与污泥相比，污泥基生物炭中各重金属的生物有效态占比均大幅降低，非生物有效态占比增加。因此，污泥基生物炭能够对重金属起到稳定化作用，降低重金属潜在生态风险[23]。污泥经热解反应转化为污泥基生物炭后，Ni的生物有效态占比从85.44%降低至4.41%，非生物有效态占比从14.56%增加至95.59%，生物有效态Ni基本上被固化；Cr的生物有效态占比由82.45%下降到8.07%，非生物有效态占比从17.53%增加到91.97%。CHEN等[20]发现，热解对污泥中Cr的浸出有抑制作用，笔者的试验结果与其一致。与GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的重金属风险筛选值及《生物炭标准化产品定义和产品测试指南》中的最大阈值[24]进行比对，污泥基生物炭中的重金属含量均低于两者。

表2 污泥及污泥基生物炭中各重金属总量和不同形态重金属含量

综上，通过热解作用，污泥中大部分不稳定形态(F1+F2)的重金属转化为稳定形态(F3+F4)，从而降低了污泥中重金属的浸出风险[25]。热解过程中生物炭的碱性导致内源重金属的固定性得到提高[26]，进而使得污泥中的重金属保留在生物炭基质中。同时热解温度、升温速率等热解条件都会影响重金属形成不同的晶格结构。4种重金属形态中，生物有效态的稳定性较差，会随pH值和氧化还原电位的变化发生解吸和交换作用；而非生物有效态的稳定性好，易被固定在晶体结构中[10]。试验结果也验证了这点，热解反应后污泥中5种重金属的非生物有效态占比均有一定程度的升高，因此热解过程可有效减少污泥中重金属的迁移运动，起到固定重金属的作用。

2.1.2污泥基生物炭中重金属的潜在生态风险评价

由表3可知，污泥Ni、Zn的RAC值分别为28.07%和26.89%，属于中风险。在这种情况下，重金属容易进入食物链，影响人体健康。污泥经热解处理后，污泥基生物炭中Ni、Zn的RAC值大幅减少至1.82%和6.44%。除Pb在F1态未检出外，Cr和Cu的RAC值也有不同程度减少。污泥基生物炭中Pb为无风险，Ni、Zn、Cr、Cu为低风险。RAC值减小说明污泥基生物炭中重金属有效性明显降低[27]。由此判定，热解制备污泥基生物炭的处理方式能够实现重金属稳定化。

表3 污泥及污泥生物炭中重金属的生态风险评价结果

根据表3中污泥及污泥基生物炭的Igeo值可知，Pb、Cr、Ni污染级别为0～1级，表明这3种重金属对土壤的污染程度很小甚至没有。污泥经热解处理后，污泥基生物炭中重金属的Igeo值均出现不同程度提高。因此，当原材料中含有较高含量重金属时，通过热解制备生物炭的方式可以降低重金属有效性，但会导致土壤的地质累积风险增加。

污泥的RI值为663.78，经过热解工艺处理后，污泥基生物炭的RI值降低到83.30。这表明污泥直接施用于环境中会导致很强的潜在生态风险(>600)，但经过热解处理后的污泥基生物炭施用于土壤，仅存在着低水平的潜在生态风险(<150)。

有学者将污泥基生物炭施入土壤并钝化70 d，随着钝化时间的增加，Cd、Zn、Cr的活性系数逐渐降低[28]。活性系数越小，表明土壤中的重金属存在形式越稳定。污泥基生物炭中被钝化的重金属在短时间内不会被活化，土壤中的残渣态相对稳定，很难被植物吸收，导致重金属在土壤中的生物有效性降低，阻滞了重金属从土壤向植物迁移、转化[29]，但污泥基生物炭中重金属稳定态的持久性亟待研究。

2.2 污泥基生物炭对黑麦草生长情况的影响

2.2.1施用污泥基生物炭对黑麦草发芽率的影响

为探究土壤中施用污泥基生物炭对黑麦草发芽情况的影响，对种子发芽阶段的前12 d进行考察分析。试验发现，撒播种子12 d后，黑麦草种子的发芽数不再发生改变，因此在第12天时计算黑麦草种子的最终发芽率，结果见图1。

图1 不同施炭量对黑麦草发芽率的影响

在播种第3天，施炭量1%和5%的土壤中黑麦草种开始发芽；播种第4天，施炭量10%的土壤和未施炭土壤中草种开始发芽。这表明在土壤中施加污泥基生物炭对黑麦草的发芽速度有一定影响。对比未施炭的原始土壤，当污泥基生物炭施加比例为1%～10%时，黑麦草的最终发芽率均得到有效提升。施炭量5%处理黑麦草的最终发芽率最高，为94%，相比于原始土壤增加16百分点。但随着生物炭用量继续增加，施炭量达10%时黑麦草最终发芽率降低至85%，低于施炭量5%处理。分析发现，污泥基生物炭施用量和植株发芽率存在直接的关系，污泥基生物炭施用量过大时，对发芽率的促进作用开始逐渐减弱。

2.2.2施用污泥基生物炭对黑麦草叶片生长的影响

为探究土壤中不同施炭量对黑麦草叶片生长情况的影响，在盆栽试验第12天测定黑麦草平均叶长和单株叶片均重，结果见图2。

图2 不同施炭量对黑麦草叶片质量和叶长的影响

图2表明，污泥基生物炭施用量5%处理对叶片生长产生的促进作用最为显著，此时单株叶片均重和平均叶长均达最大值，分别达0.179 8 g和13.74 cm，相比于未施用污泥基生物炭时分别增加62.12%和29.15%。当污泥基生物炭施用比例超过5%时，单株叶片均重和平均叶长呈下降趋势。生物炭具有吸附水分和储存养分的功能，可有效增加土壤有机质含量，调节多种元素在土壤中的循环。随着污泥基生物炭的施用量逐步增加，土壤中黑麦草发芽率、叶片生长速度均呈先升高后降低的趋势。当施炭量为5%时，发芽率达最大值94%，相比于未施炭时增加16百分点，单株叶片均重和平均叶长分别达0.179 8 g和13.74 cm。然而在施用10%污泥基生物炭的土壤中，发芽率减少至85%，单株叶片均重也降低至0.160 2 g。可见污泥基生物炭不是施用越多越有利，此结果也与已有研究[30]一致。生物炭具有较高的阳离子交换能力，可以提高土壤有机质含量并改变土壤pH值，促进NH4+和NO3-的直接吸收；同时，生物炭的施用可以增强植物叶片对氮、磷、钾的吸收[31]，延缓土壤营养成分流失，增强土壤生产能力，提高作物产量。但当污泥基生物炭施用量高于5%时，发芽率及叶片根部生长受到明显的抑制。生物炭添加超过一定量时，会增加土壤中的硝态氮和有机氮淋失[32]，降低碱解氮和有效磷含量，导致单株含量及平均产量随生物炭的添加呈先增加后减少的现象[33]。因此，当大量污泥基生物炭作为外源性物质添加到土壤中时，黑麦草难以适应土壤环境的改变，出现凋亡现象。

综上所述，在施用1%～5%的污泥基生物炭后，黑麦草长势明显优于未施炭土壤。但当施炭比例达到10%时，对黑麦草的生长开始呈现负面影响。因此，土壤中生物炭的最佳施用比例应为5%。

2.3 污泥基生物炭对黑麦草根系土壤微生物多样性的影响

土壤微生物量及群落多样性是土壤肥力评价的重要指标[34]。在盆栽试验第30天时，分别收集未施炭的黑麦草根系土壤(CK)和施炭量5%的黑麦草根系土壤(BC)，采用16S rRNA测序技术对土壤微生物丰富度及多样性进行测试分析，黑麦草根系土壤细菌群落丰富度及多样性变化见图3。

由图3可见，未施炭黑麦草根系土壤的Chao1和ACE指数变化范围分别为767.0～940.2和767.0～940.4，施炭量5%处理根系土壤的Chao1和ACE指数变化范围分别为773.0～861.5和773.3～861.7。在丰富度表现上，施炭量5%处理根系土壤和未施炭处理根系土壤无明显差异。未施炭根系土壤的Simpson和Shannon指数变化范围分别为0.995 5～0.996 8和8.855～9.160，施炭量5%根系土壤的Simpson和Shannon指数变化范围分别为0.992 9～0.994 9和8.415～8.757。在群落多样性方面，未施炭处理优于施炭量5%处理。结果表明，施加污泥基生物炭对土壤细菌丰度无明显影响，群落多样性有所降低。

箱体上下竖线代表数据的最高值和最低值，箱体上下框线代表数据的上四分位数和下四分位数，箱体中间线为数据的中位数，离散点为数据异常值。

施用污泥基生物炭改变了土壤理化性质，势必也会影响微生物群落。生物炭通常含有可以作为微生物底物的不稳定碳[35]，可使参与氮循环的微生物群落结构及多样性发生变化。施炭培养30 d后，黑麦草根系土壤微生物丰度与未施炭土壤相比无明显差异，此结果与高文慧等[36]的研究结果一致。FIERER等[37]发现，施氮对细菌群落结构影响显著，寡营养细菌相对丰度会随施氮量增加而降低。从生物炭物理性质分析，其较大的比表面积和多孔结构可以增强土壤的持水能力，为土壤微生物生长提供栖息地；从生物化学性质分析，添加生物炭通常会升高土壤pH值[38]，提高土壤C、N、P含量[39]，为微生物提供重要的碳源和氮源，刺激微生物的生长和周转[40]。

3 结论

(1)通过热解技术将城市污泥制备成污泥基生物炭，除Pb为无风险外，其余4种重金属的RAC值均有不同程度减少，同时污泥的RI值由663.78减少至83.30。这表明经热解处理后，污泥中大部分不稳定形态的重金属可以转化为稳定形态。但热解后各重金属Igeo有所增高，尤其是污泥自身富含重金属的情况下，污泥及污泥基生物炭对环境仍具有一定程度的地质累积潜在风险。

(2)盆栽试验表明，在污泥基生物炭施用量为5%时，黑麦草发芽率达最大值94%，相比于未施炭时增加16百分点；单株叶片均重和平均叶长分别达0.179 8 g和13.74 cm，相比未施炭时分别增加62.12%和29.15%。因此，污泥基生物炭的施用可以提高发芽率，促进黑麦草生长。但随着施炭比例持续增加，也会出现消极影响。16S rRNA测序分析结果表明，施炭培养30 d后，黑麦草根系土壤细菌群落丰度与未施炭土壤相比无明显差异，但群落多样性有所降低。

(3)热解后，污泥基生物炭中重金属含量低于我国农田风险筛选值标准及《生物炭标准化产品测试指南》允许的最大阈值，仅存在低水平的潜在生态风险，且在一定的施炭比例下对植株生长具有促进作用。该研究结果可为评估污泥基生物炭土地利用的环境风险及资源化利用提供参考。