污泥基生物炭对黑麦草生长特性及重金属累积的影响

王 军，刘 程，金 鹏，杨 明，汪 军*，陶 旭，徐汝民

(1.安徽省环境科学研究院，安徽合肥 230001；2.安徽省通源环境节能股份有限公司，安徽合肥 230001；3.安徽省生态环境厅宣教中心，安徽合肥 230001)

市政污泥是城市污水处理过程中产生的副产物，是一种特殊的泥水混合物，它含有大量水分、有机物、无机物和微生物。随着我国城镇化进程的加快，污水的产生量在持续增加，污泥产生量随之急剧增大，由此造成的环境问题日益突出。如何妥善处置市政污泥，实现其安全处置与资源化利用，是当前我国城镇化进程中面临的一项重大课题，也是无废城市建设和绿色低碳发展的必然要求。

目前，市场上主流的污泥处理工艺包括填埋、好氧堆肥、厌氧消化、焚烧、热解炭化等。填埋因大量占用土地资源并容易导致周边环境污染，逐渐被禁止或限制使用。好氧堆肥使污泥达到无害化，但好氧堆肥周期较长、占地面积较大、工艺参数较难控制，处理能力受季节影响，减量率低，产物未彻底稳定，形成污泥堆肥产品气味大、感观差，市场接受度较低。厌氧消化虽能从一定程度上实现污泥的稳定化，但污泥中含有重金属及难降解的有机物，仍有潜在的环境风险。焚烧总体实现了污泥减量化和无害化，但由于含水率高，传统污泥焚烧系统能耗较高，投资成本大，且产生的二噁英气体污染环境，实际应用通常受到限制。

近年来，污泥炭化技术作为污泥“四化”的新手段受到了污泥处置市场的广泛关注。污泥炭化就是通过限氧条件下给污泥“加温和加压”，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来同时又最大限度地保留了污泥中有机质的过程。污泥炭化的优势在于其能源消耗少，剩余产物中的碳含量高，发热量大，N、P含量高。除此之外，污泥炭化过程可以降低重金属的生物有效性，促进酸可溶态和可还原态向稳定的可氧化态和残渣态转化，从而显著降低污泥资源化利用所带来的生态环境风险，有效解决污泥基生物炭土地利用时的负面效应，使得污泥基生物炭的土地利用成为可能。笔者以黑麦草盆栽试验为研究对象，通过添加不同比例的污泥基生物炭，研究其对黑麦草发芽率、植株产量产生的影响，考察其对植物生长的影响。

1 材料与方法

供试作物。选用一年生黑麦草牧大师，其具有适应性广泛、发芽快、养护简单、抗寒性强等特点。

供试土壤。供试土壤为安徽省内的黄褐土，其pH为7.26，有机质含量为16.6 g/kg，全氮含量为0.82 g/kg，全磷含量为0.37 g/kg，全钾含量为23.15 g/kg；8种重金属含量分别为砷6.66 mg/kg、镉0.11 mg/kg、铬64.19 mg/kg、铜22.32 mg/kg、锌56.59 mg/kg、镍27.50 mg/kg、铅22.66 mg/kg、汞0.04 mg/kg。

污泥基生物炭。试验所采用的污泥基生物炭全部取自安徽省芜湖市某污泥处理处置中心，该污泥处理处置中心的污泥均来自该区域生活污水处理厂，通过“调理改性+高干脱水+干化炭化”的技术路线对市政污泥进行处理处置。首先将市政污泥进行调理改性，改变市政污泥粒子表面的理化性质，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，从而改善其脱水性能；其次将调理改性后的市政污泥配合高压板框式压滤机进行脱水处理，脱水后的泥饼含水率控制在60%左右；最后利用市政污泥中有机物在无氧或缺氧条件下炭化成稳定的生物炭。

盆栽试验所用的污泥基生物炭含水率为5.01%，其pH为6.93，有机质含量为273.3 g/kg，全氮含量为3.94 g/kg，全磷含量为7.98 g/kg，全钾含量为20.68 g/kg；8种重金属含量分别为砷8.77 mg/kg、镉0.62 mg/kg、铬183.54 mg/kg、铜118.83 mg/kg、锌258.28 mg/kg、镍47.09 mg/kg、铅22.83 mg/kg、汞0.24 mg/kg。

选取均匀、饱满的黑麦草种子，用自来水洗净后再用40 ℃的温水浸泡15～20 min，作为试验种子。首先将盆栽用土、污泥基生物炭自然风干，接着将盆栽用土、污泥基生物炭磨细分别过5和2 mm的网筛，最后按照污泥基生物炭在土壤干重比例分别为0、5%、10%、20%、30%进行混合，装于直径25 cm、高35 cm聚乙烯塑料盆，每盆装4 kg混合样，盆底垫上2张滤纸防止土壤渗漏，每个处理设置3个平行。每盆播种100粒黑麦草种子，将种子均匀播撒到土壤表面，然后覆细土0.5～1.0 cm。

试验期间定期浇灌，保证植物生长所需水分，将花盆放置于玻璃温室内，温度15～23 ℃，湿度15%～20%。试验共计40 d，计算10 d内种子的发芽率，并在第10天、第20天、第40天测量和记录植物的各项生长指标。试验结束后取植物样本分别进行重金属含量及养分含量的测定。

样品中pH的测定采用玻璃电极法(1∶2.5土水比)，有机质采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定，全氮采用开氏定氮法测定，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定。样品中重金属总量采用微波消解-电感耦合等离子发射光谱法测定。

数据处理和统计分析采用Excel 2010和Origion。

2 结果与分析

从不同添加比例的污泥基生物炭在第10天时对黑麦草发芽率的影响(图1)可以看出，随着污泥基生物炭添加比例的增加，黑麦草的发芽率呈现先增大后减小的趋势。当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的发芽率最高，为84.33%；当污泥基生物炭添加比例为30%时，黑麦草的发芽率最低，为69.67%，说明当污泥基生物炭的添加量超过一定比例时，污泥基生物炭可能会改变土壤的物理结构和化学性质，从而干扰黑麦草的发芽。

图1 污泥基生物炭对黑麦草发芽率的影响Fig.1 Effect of sludge-based biochar on the germination rate of ryegrass

从不同添加比例的污泥基生物炭对黑麦长势的影响(图2)可以看出，污泥基生物炭不同程度地促进黑麦草的生长。在添加污泥基生物炭组中，当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草株高在第40天达到最高(19.76 cm)，与空白对照相比，株高提高了2.54%；添加污泥基生物炭后，黑麦草产量(鲜重)较空白对照有所提高。这表明添加污泥基生物炭可以促进黑麦草的生长，增加黑麦草的产量，可能是污泥基生物炭中含有丰富的氮、磷、钾等养分促进了黑麦草的生长。当污泥基生物炭添加比例达到30%时，黑麦草的产量出现下降趋势，这表明污泥基生物炭的添加比例只有在适宜的范围内才可以提高作物的产量。当施用污泥基生物炭添加量超过一定比例时，污泥基生物炭中的营养元素将不再起主导作用，污泥基生物炭中重金属和其他有害物质可能对植物根系产生抑制作用，影响作物的产量。

从不同添加比例的污泥基生物炭对黑麦草体内养分的影响(图3)可以看出，与对照相比，添加不同比例的污泥基生物炭后，黑麦草中全氮、全钾含量均得到不同程度的增加。全氮、全钾含量分别较对照增加幅度为28.57%～685.71%和44.83%～275.86%；当污泥基生物炭添加比例超过5%时，黑麦草中全磷含量得到不同程度的增加，与对照相比增加幅度为24.05%～71.37%。在污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草中全氮和全磷含量均最高，分别为0.55和17.96 mg/kg；在污泥基生物炭添加比例为20%时，黑麦草中全钾含量最高，为1.09 mg/kg。

从不同添加比例的污泥基生物炭对黑麦草植株中重金属含量的影响(表1)可以看出，添加不同比例的污泥基生物炭后，黑麦草植株中砷、镉、铬、镍、铅和汞的含量相比对照处理均有所提高。黑麦草植株中重金属砷的含量在污泥基生物炭添加比例为30%时达到最高，为0.014 mg/kg；重金属镉的含量随着污泥基生物炭添加比例的增加而增加，最高含量为0.17 mg/kg；重金属铬的含量在污泥基生物炭添加比例为5%时达到最大值，其含量为2.33 mg/kg；添加不同比例的污泥基生物炭会导致黑麦草植株中重金属铜的含量下降，在5%、10%、20%和30%处理下重金属铜的含量相比对照分别降低了39.69%、28.06%、28.06%和47.36%；在污泥基生物炭4种不同添加比例下，黑麦草植株中重金属镍的含量分别是对照的1.27、1.20、1.17和1.01倍；重金属铅的含量相比对照提高了13.79%～47.13%；重金属锌的含量随着污泥基生物炭添加比例的增加呈先上升后降低的趋势，在污泥基生物炭添加比例为20%时达到峰值，为35.65 mg/kg，比对照增加了18.05%。随着污泥基生物炭的增加，汞的含量表现为先增加后减少的趋势，在污泥基生物炭添加比例为10%时最大。黑麦草对不同类型重金属的吸收呈现不同的趋势，主要是因为土壤中的重金属含量及其形态、土壤理化性质所导致的。

图2 污泥基生物炭对黑麦草长势的影响Fig.2 Effect of sludge-based biochar on the growth of ryegrass

图3 污泥基生物炭对黑麦草体内养分的影响Fig.3 Effect of sludge-based biochar on nutrients in ryegrass

黑麦草是我国常见的一种良好牧草，其重金属含量是否超标可以参考《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)。由表1可知，不同添加比例污泥基生物炭处理的黑麦草植株中重金属含量均未超过国家饲料卫生标准。

表1 污泥基生物炭对黑麦草植株重金属含量的影响

从不同添加比例的污泥基生物炭对土壤理化性质的影响(图4)可以看出，土壤有机质和全氮的含量在污泥基生物炭的添加比例为20%达到峰值，全钾在污泥基生物炭的添加比例为5%和20%达到峰值，全磷在污泥基生物炭的添加比例为30%达到峰值，与对照相比，分别提升了32.84%、21.21%、7.70%和42.86%。当污泥基生物炭添加比例超过5%时，土壤中全磷含量随着污泥基生物炭添加量的增加而增加，分别是对照的1.02、1.16和1.43倍。综上所述，市政污泥经过炭化工艺产生的污泥基生物炭中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等养分，能促进土壤养分的积累，提高土壤肥力，改善土壤质量。

从不同添加比例的污泥基生物炭对土壤重金属含量的影响(表2)可以看出，添加污泥基生物炭后，添加比例5%、10%和20%处理中的砷含量均低于对照处理，分别降低了10.27%、13.52%和3.85%，这可能与黑麦草可以吸收土壤中的砷有关；添加污泥基生物炭导致土壤中的镉含量和铬含量增加，相比对照处理分别增加了12.50%～31.25%和0.30%～4.30%；铜、镍、铅和锌的含量均在污泥基生物炭添加比例为30%处理下达到最大，分别为27.10、29.20、25.04和86.70 mg/kg，分别是对照的1.26、1.02、1.06和1.58倍。与对照相比，添加污泥基生物炭后，土壤汞含量均有所增加，增加幅度为22.22%～66.67%。

图4 污泥基生物炭对土壤理化性质的影响Fig.4 The effect of sludge based biochar on soil physical and chemical properties

施用污泥基生物炭的土壤重金属含量是否超标可以参考《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)。由表2可知，施用污泥基生物炭的土壤重金属含量均达到土壤环境质量中的二级标准。

表2 污泥基生物炭对黑麦草盆栽土壤重金属的影响

3 结论

(1)随着污泥基生物炭添加比例的增加，其对黑麦草生长作用先增后减，当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的发芽率和株高均达到最高，发芽率为84.33%，株高在40 d达到19.76 cm。污泥基生物炭施用量在适宜范围内可以显著促进黑麦草发芽和生长，提高黑麦草的营养和产量，当污泥基生物炭施用量过量时，会抑制其生长，可能会减产。

(2)添加污泥基生物炭可为黑麦草提供养分，其全氮、全钾含量较空白组分别增加28.57%～685.71%和44.83%～275.86%；当污泥基生物炭添加比例为20%时，黑麦草中全钾达到最高，含量为1.09 mg/kg；当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的全磷和全氮达到最高，含量分别为17.96和0.55 mg/kg。总体来说，污泥基生物炭施用量在适宜范围内可以显著增加土壤中氮、磷、钾和有机质含量，有利于提高土壤肥力，促进植物生长，对土壤改良起到一定的效果。

(3)施用污泥基生物炭后，黑麦草植株中重金属砷、镉、铬、镍、铅和汞的含量相比对照均有所提高；铜的含量呈现下降趋势；锌的含量随着污泥基生物炭添加量的增加呈先上升后下降的趋势，但黑麦草植株中重金属含量均未超过国家饲料卫生标准。

(4)施用污泥基生物炭的土壤重金属含量均达到土壤环境质量中的二级标准。因此，污泥基生物炭可以施用于一般农田、园林绿化等土壤。