羅大富

1.福建省197地質大隊，泉州 362011 2.安徽理工大學，淮南 232001

近年來，礦區(qū)生態(tài)工程建設力度不斷加大，植物修復的方式被廣泛采用（李明順等，2005；Wang et al，2012；莫愛等，2014），但廢棄礦山土壤往往較為貧瘠，缺乏植物生長所必需的養(yǎng)分（Gupta et al，2008；Liu and Yang，2014； 莫 愛等，2015），不利于植被的恢復。市政污泥中含有豐富的氮磷鉀及有機質且大部分的氮磷是有機結合態(tài)的，經(jīng)礦化后容易被植物吸收，因而，通過施用市政污泥來恢復植被，既能迅速供肥，又能持久供肥（李艷霞等，2003；曹春梅，2008；Corrêa et al，2012）。然而，市政污泥中往往又含有較高含量的重金屬元素（譚國棟，2011；郭廣慧等，2014），污泥施用后，土壤中的重金屬含量也會有所增加，如施用不當，很可能造成土壤的二次污染，因此，評估市政污泥用于礦區(qū)土壤改良的重金屬污染風險，探索污泥施用的最佳配比具有十分重要的意義。目前，國內外在市政污泥土壤改良技術方面取得了一系列重要成果，其研究對象多集中于沙漠化、鹽漬化的草地或農田（Li et al，2010；Cincinelli et al，2012； 李 霞 等，2013；王磊等，2016），而對市政污泥用于礦區(qū)廢棄地土壤改良的研究較少；另外，由于不同區(qū)域和處理工藝的城市污泥，其理化性質和物質組成有很大差異，作為生態(tài)環(huán)境修復基質改良土壤時的作用和生態(tài)環(huán)境影響需要做具體研究。對于泉州市，礦山生態(tài)環(huán)境修復中應用城市污泥進行土壤改良理論和技術的系統(tǒng)研究尚缺乏。

本研究通過土柱淋溶試驗，分析泉州市政污泥用于礦區(qū)土壤改良的污染風險及可行性，并確定土壤、污泥的最佳混摻比例，以期為泉州市礦山生態(tài)環(huán)境修復及污泥的資源化利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤及污泥的采集

試驗污泥來源于泉州市永春污水處理廠城市污泥。永春污水處理廠位于永春縣桃城鎮(zhèn)濟川村，服務范圍為永春縣城區(qū)規(guī)劃區(qū)，2006年1月開始運行，采用Carrousel-2000氧化溝工藝；土壤來源于泉州市永春縣景山高嶺土礦區(qū)（117°55′22″E —117°55′29″E，25°24′53″N — 25°24′57″N） 的 采 礦剝離土，土壤類型為紅壤。樣品取回后存放于4℃冰箱內，取回當日測樣品含水率、pH和有機質含量，污泥和土壤樣品在避光處自然風干后剔除其中雜質備用。

1.2 分析測試方法

試驗污泥和土壤的含水量采用重量法105℃烘干后稱重（NY/T 52 — 1987）；pH采用酸堿度計測定，土水比1∶2.5（NY/T 1121.2 — 2006）；質地分析采用篩分+比重法（NY/T 1121.3 — 2006）；有機質含量采用重鉻酸鉀氧化稀釋熱法-容量法（NY/T 1121.6 — 2006）；總氮含量采用半微量凱氏法-容量法（NY/T 53 — 1987）；堿解氮、有效磷、速效鉀含量均采用提取比色法；總磷含量采用離子色譜法（NY/T 1121 — 2006）；總鉀含量采用乙酸銨提取-火焰光度法（NY/T 889 — 2004）；Cd、Pb、Cr6+、Cu、Zn、Ni含量采用原子吸收分光光度計測定（GB/T 17137、GB/T 17138、GB/T 17139、GB/T 17141）。測定的城市污泥及礦區(qū)土壤的基本理化指標、養(yǎng)分含量和微量元素指標見表1。

1.3 研究方法

（1）試驗設計：試驗在淋溶土柱中進行，土柱高30 cm，直徑10 cm，底部設滲濾液收集池，土柱周圍設防護罩，防止水分蒸發(fā)。淋溶土柱設計見圖1。土柱下部填入10 cm礦渣，上部填入土壤與污泥混摻物。裝填時，按照現(xiàn)場監(jiān)測的土壤含水量和容重，將物料分層充填壓實。每組處理做5次重復。每天用去離子水進行灌溉，灌溉量20 mm，連續(xù)灌溉15 d。試驗開始后20 d時，取土柱內的土壤污泥混摻物均勻混合，每組處理的每次重復各取1個樣品，共取樣品20個，同時取濾液樣品20個。

（2）試驗處理：整個試驗共設計4組處理，每組處理做5次重復，具體試驗處理如下：

試驗處理1（LT1），土壤與污泥干重的混摻比例為5∶1；試驗處理2（LT2），土壤與污泥干重的混摻比例為5∶2；試驗處理3（LT3），土壤與污泥干重的混摻比例為5∶3；試驗處理4（LT4），土壤與污泥干重的混摻比例為5∶4。

（3）測定項目：試驗前主要測定土壤和城市污泥理化性質、肥力、微量元素等各項指標的初始值；試驗結束再次測定土柱填充物的理化性質、肥力、微量元素等各項指標終點值以及滲濾液的微量元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 進行原始數(shù)據(jù)處理、分析。

2 結果與分析

2.1 污泥泥質及土壤肥力分析

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農用泥質（CJ/T 309 — 2009）》，將污泥按污染物濃度分為A、B兩級。A級污泥允許施用于蔬菜、糧食作物、果樹等作物；B級污泥適用于油料作物、果樹、飼料作物、纖維作物的施用，不能施用于蔬菜、糧食作物。A、B兩級污泥規(guī)定的重金屬濃度限值見表2。

表1 城市污泥及礦區(qū)土壤各指標初始值Tab.1 The initial values of each index of urban sludge and soil

圖1 土柱淋溶實驗設計示意圖Fig.1 The schematic diagram of soil column leaching experiment

結合表1、表2，試驗污泥中Zn、Cu濃度分 別 為（2817.00 ± 99.30）mg ? kg-1、（602.20 ±11.40）mg ? kg-1，超出 A 級污泥濃度限值，其它重金屬含量均未超出A級污泥污染物限值；但各污染物都未超出B級污泥濃度限值。

按照全國第二次土壤普查推薦土壤分級標準（張鳳榮等，2014），污泥中除速效鉀含量較低外，有機質、全氮、速效氮、速效磷含量遠遠大于一級肥力的含量，具有很高的肥力。礦區(qū)土壤中除速效磷含量分級達到一級外，其余各養(yǎng)分含量分級均為四—五級，即“低或很低”。

由以上數(shù)據(jù)可知，污泥具有很高的肥力，而礦區(qū)土壤肥力相對貧乏，污泥中Cu、Zn濃度超出A級污泥濃度限值，但各重金屬含量均未超出B級污泥濃度限值，試驗污泥適宜于污泥農用，可施用于油料作物、果樹、飼料作物、纖維作物，不能施用于蔬菜、糧食作物。

2.2 污泥添加對地下水污染的風險評估

試驗處理后4組處理的污泥與土壤配比的滲濾液微量元素分析數(shù)據(jù)見表3。

表2 A、B兩級污泥重金屬濃度限值Tab.2 Limit value of heavy metal concentration of class A and class B sludge

表3 滲濾液中微量元素濃度數(shù)據(jù)Tab.3 Trace element concentrations in leachate / (mg ? L-1)

依據(jù)國家地下水質量標準（GB/T 14848 —93）中設定的地下水質量分類指標，LT1滲濾液中除As的含量處于Ⅲ類水質外，其余微量元素含量均符合Ⅰ類水質含量；LT2滲濾液中Cu、As符合Ⅲ類水質含量，其它微量元素均符合Ⅱ類以上水體微量元素含量；LT3滲濾液中除Pb、As符合Ⅲ類水質含量，其它微量元素均符合Ⅱ類以上水體微量元素含量；LT4滲濾液中除As符合Ⅲ類水質含量，其它微量元素均符合Ⅱ類以上水體微量元素含量。

2.3 土壤、污泥最佳混摻比的確定

試驗處理后取各處理中土壤樣品進行分析，分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 試驗處理后土壤理化性質與肥力測定結果Tab.4 Determination of soil physical and chemical properties and fertility after test

按照全國第二次土壤普查推薦土壤分級標準，將4組處理的土壤進行肥力分級，4組處理的土壤分級分別見表5。

由表5可知，4組處理中，速效鉀含量分級均為六級“極低”，全氮、速效磷含量分級均為一級“很高”，有機質含量分級除LT1為二級外，其它處理均為一級，速效氮含量分級隨污泥含量增加肥力遞增，其中LT4速效磷含量分級最高，為一級“很高”。從土壤肥力角度分析，污泥混摻量越大，土壤肥力整體最好，但也應適量施入一定量的鉀肥。

試驗處理后，測定的土壤pH及重金屬含量見表6。

表5 4組處理中土壤分級Tab.5 Soil classif i cation in four treatments

表6 試驗處理后土壤pH及重金屬含量Tab.6 PH value and heavy metal content of soil after treatment / (mg ? kg-1)

國家《土壤環(huán)境質量標準（GB 15618 — 1995）》將土壤環(huán)境質量分為三類，其中，第Ⅲ類土壤主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產附近等地的農田土壤（蔬菜地除外），且規(guī)定第Ⅲ類土壤環(huán)境質量執(zhí)行第三級標準規(guī)定的土壤臨界值，即本試驗應執(zhí)行土壤環(huán)境質量第三級標準。由表6可知，隨著污泥混摻量的增加，各重金屬的含量呈升高趨勢，因此，從土壤重金屬污染角度分析，污泥混摻量越小，土壤受污染風險越低。

按照三級標準要求，第Ⅲ類土壤中Zn的含量要≤500 mg ? kg-1，4組處理中，LT3、LT4中 Zn的含量均超標，相應配比的混摻物不可作為礦區(qū)附近農田土壤；LT1、LT2中各重金屬含量均能滿足第三級標準的要求，可應用于礦區(qū)附近農田種植，且LT2處理的土壤肥力較LT1處理大。

綜上分析，LT2處理中土壤、污泥干重混摻比5∶2為最佳土壤、污泥干重混摻比，即該市政污泥用于礦區(qū)土壤改良時，礦區(qū)土壤和市政污泥干重比在5∶2左右時，混合土壤具有最大肥力且滿足土壤環(huán)境質量第三級標準的要求。

3 結論與討論

（1）市政污泥改良礦區(qū)土壤適宜性

永春縣景山高嶺土礦區(qū)土壤除速效磷含量較高外，其余養(yǎng)分含量分級為四 — 五級，即“低 — 很低”；永春污水處理廠污泥中除速效鉀含量較低外，其余養(yǎng)分含量分級均遠大于一級，即“很高”；污泥中Cu、Zn濃度超出A級農用污泥濃度限值，但各重金屬含量均未超出B級農用污泥濃度限值，試驗污泥可施用于油料作物、果樹、飼料作物、纖維作物，不能施用于蔬菜、糧食作物。楊軍等（2009）對我國部分污水處理廠污泥統(tǒng)計結果表明，我國污泥重金屬Zn含量最高，Cu、Cr次之，毒性較大的Cd、Hg、As含量較低，這和本研究結果相一致，且本試驗污泥中Cd、Hg、As的含量遠低于其統(tǒng)計結果。郭廣慧等（2014）從全國范圍內選取了98個城市污泥樣品，城市污泥中有機質、總氮、總磷及總鉀的平均含量分別為280 g ? kg-1、29.6 g ? kg-1、22.2 g ? kg-1和 5.83 g ? kg-1，與本試驗研究結果相比，除有機質含量稍低外，本試驗污泥中其他養(yǎng)分含量遠高于其統(tǒng)計結果。

（2）污泥施用對地下水的污染風險

通過對土柱淋溶試驗終點4組處理的滲濾液微量元素進行分析，各微量元素含量均滿足地下水質量標準（GB/T 14848 — 93）中Ⅲ類地下水質量要求。譚國棟（2011）選取北京高碑店污水廠污泥與通州區(qū)農田土壤混摻后進行土柱淋溶試驗，對淋濾液檢測發(fā)現(xiàn)淋濾液中各重金屬含量均滿足Ⅲ類以上水質要求。俞珊等（2010）利用土柱淋溶試驗研究了綿陽市塔子壩污水廠污泥施用于農田土壤后Cu對地下水污染的風險，發(fā)現(xiàn)淋濾液最高峰Cu的濃度遠低于Ⅲ類水質標準，周海浩（2011）的研究也得出了相似結論。這些研究表明市政污泥的適量施用，造成地下水污染風險較小。

（3）土壤、污泥最佳混摻比例

通過對土柱淋溶試驗終點各處理的土壤樣品的土壤養(yǎng)分及重金屬含量進行測定分析，綜合分析土壤肥力及重金屬污染因素，該試驗中最佳土壤、污泥干重混摻比為5∶2，由于礦區(qū)土壤及市政污泥中速效鉀含量均較低，故在按土壤、污泥干重最佳配比施用時，可適量加入一定量的鉀肥。安康（2014）通過盆栽實驗分析了不同比例污泥施肥對植物生長影響和重金屬累積情況，發(fā)現(xiàn)在30%的堆肥污泥和70%的土壤混合處理具有最高的植物出苗率和成活率，而最適宜的施肥量應該是在施肥量占總重量的40%以下，即30%堆肥污泥和70%土壤為最佳配比，這和本試驗研究結果5∶2相近。

綜上所述，城市污泥用于礦區(qū)土壤改良是一種經(jīng)濟有效的處置方式，既解決了污泥處置問題，又促進了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復。但特別要注意的是，要根據(jù)污泥中的有毒有害物質，特別是重金屬含量確定其施用比例，以免對改良土壤造成污染。此外，在合理施用的同時，還應定期對污泥、土壤、農作物進行監(jiān)測，以控制重金屬等有毒有害物質的累積，保證土壤養(yǎng)分的充足，使得污泥施用更加安全有效。

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