熊江波， 賴發(fā)英， 李小飛， 凌志友， 郭佳瑋， 李 昊

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西南昌 330045； 2.江西省紅壤研究所，江西南昌 331717；3.江西省萬載縣農(nóng)業(yè)局，江西萬載 336100)

城市污泥是指城市生活污水處理廠在污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。我國干污泥排放量為550萬～600萬t/年，而且每年以20%的速度遞增[1]，如何科學(xué)合理地處理處置這些污泥已成為當(dāng)前亟待解決的問題[2]。李艷霞等對(duì)我國29個(gè)城市的污泥進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出我國城市污泥(不包含工業(yè)污泥)有機(jī)質(zhì)平均含量高達(dá)到384 g/kg，氮、磷、鉀分別為27.0、14.3、7.0 g/kg，有機(jī)質(zhì)、氮和磷比純豬糞分別高 1/3～2/3[3]。由于污泥中富含氮、磷和植物必需的微量元素，使污泥成為一種極具潛力的肥料[4]。污泥土地利用已成為國際上污泥處置的重要途徑之一，在我國土地施用法處置的污泥量占污泥處理總量的44.83%[5]。盡管如此，城市污泥的處置仍然存在占用土地的問題。

我國土壤沙漠化嚴(yán)重，沙漠化使土壤貧瘠，保水保肥力差，利用污泥改良沙漠化土壤具有很高的可行性和潛力[6]。李禎等用粉煤灰和城市污泥作荒漠土壤樹肥，發(fā)現(xiàn)荒漠土壤蓄水性能提高，樹木生長量增加[7]；華正偉用城市污泥施用于風(fēng)沙土壤發(fā)現(xiàn)，隨著污泥施用量增加，土壤孔隙度增加，楊樹苗株高、葉面積及成活率都明顯提高[8]。然而，污泥土地施用對(duì)土壤和地下水帶來的重金屬污染也一直是人們關(guān)注的問題。鄒通等通過模擬淋溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用污泥后土壤中Cu、Zn、Pb、Cr的總量均有增加[9]；陳碧美對(duì)城市污泥農(nóng)用重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出Cd和Hg對(duì)污染貢獻(xiàn)值較大[10]。然而，污泥施用量對(duì)沙土肥力和重金屬積累兩方面的影響少有報(bào)道。本研究以城市污泥和沙土為試驗(yàn)材料，通過室內(nèi)噴淋模擬降雨試驗(yàn)，分析不同污泥施用量對(duì)沙土氮磷肥和重金屬積累的影響，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)污泥施用量對(duì)沙土重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，以期為城市污泥量化改良沙土提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年6—9月于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試污泥取自江西省南昌市青山湖污水處理廠脫水污泥。污泥基本指標(biāo)：pH值6.16，有機(jī)質(zhì)含量338.00 g/kg，總氮含量19.00 g/kg，總磷含量11.34 g/kg，重金屬鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)含量分別為1 115.12、539.69、33.11、128.49、2.07 mg/kg。供試沙地土壤取自江西省新建縣厚田鄉(xiāng)南部，沙地土壤的沙粒粒徑較大，土壤貧瘠，對(duì)沙土樣品分析測試顯示，其養(yǎng)分和重金屬含量極低(在本試驗(yàn)中忽略不計(jì))，在取樣地多點(diǎn)分層分別取0～20、20～40、40～60 cm層沙土作為試驗(yàn)用土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬噴頭淋溶模式。試驗(yàn)用淋溶柱為聚碳酸酯(簡稱PC)材質(zhì)，柱高1 000 mm，內(nèi)徑96 mm，外徑 100 mm，柱內(nèi)模擬沙地土壤結(jié)構(gòu)由下至上分別裝40～60、20～40、0～20 cm層沙土各20 cm，最上層按照各處理施用污泥。試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，各處理污泥施用量分別為0.3、0.9、1.5 g/cm2，每個(gè)處理做3次平行試驗(yàn)，共9個(gè)淋溶柱。淋溶前，用蒸餾水淋洗土壤至水分飽和，靜置24 h之后，模擬中雨強(qiáng)度進(jìn)行淋洗，每次淋洗量為2 200 mL去離子水，頻率為 1次/周，共淋洗5次，總淋洗量相當(dāng)于沙地土壤的年均降雨量，模擬試驗(yàn)共進(jìn)行35 d，每次淋溶時(shí)用燒杯收集淋溶液，密封后于冰箱中4 ℃保存，待分析用。

1.3 分析測試方法

采用凱氏定氮法測全氮含量，鉬銻抗比色法測全磷含量，濕法消解；安捷倫3510型原子吸收分光光度計(jì)測定重金屬含量[11]。采用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同污泥施用量下沙土中養(yǎng)分含量的變化分析

2.1.1 總氮和總磷淋失量動(dòng)態(tài)變化 每次淋溶時(shí)將淋溶液收集到燒杯中，采用測定全氮、全磷含量，做3次重復(fù)并計(jì)算平均值；淋失率是以淋失液中全氮或全磷含量除以淋失前污泥中全氮或全磷含量得到。由圖1可知，在3種不同污泥施用量下，淋出液中總氮淋失量的變化規(guī)律相同，隨著淋溶次數(shù)增加，淋失量增大，前2次淋失率大于后2次，第3次淋失率最大，為 28.52%。3個(gè)處理0.3、0.9、1.5 g/cm25次淋溶后，總氮淋失量分別為104.78、335.67、564.42 mg，淋失率分別 25.41%、27.14%、27.83%。總磷淋失量變化趨勢與總氮相似，如圖2所示，淋失量隨著淋溶次數(shù)增加而增加，3個(gè)處理淋失率都是在第2次淋溶時(shí)達(dá)到最大為2.97%，第2次淋溶以后淋失率逐漸減小。3個(gè)處理0.3、0.9、1.5 g/cm25次淋溶后總磷淋失量分別為6.39、8.54、10.73 mg，淋失率分別為0.87%、1.16%、2.60%。在相同污泥施用量和相同的淋溶條件下，總磷淋失率遠(yuǎn)小于總氮淋失率。

2.1.2 沙土中總氮和總磷淋滯留量 5次淋溶結(jié)束后，取 0～60 cm土層土混勻，測定全氮、全磷滯留量，每個(gè)處理做3次重復(fù)并計(jì)算平均值，結(jié)果列于表1。從表1可以看出，隨著污泥施用量的增加，總氮、總磷在沙土中的滯留量逐漸增加，由此可以推測出總氮和總磷滯留量與污泥量有一定關(guān)系。3個(gè)處理0.3、0.9、1.5 g/cm2的總氮滯留率分別為74.59%、72.86%、71.62%，總磷滯留率分別為97.40%、98.84%、99.13%，隨著污泥施用量增加，總氮滯留率有下降的趨勢，而總磷的滯留率有增加的趨勢，總磷的滯留率大于總氮，這與“2.1.1”節(jié)的研究結(jié)果一致。

2.2 不同污泥施用量下沙土中重金屬含量分析

2.2.1 重金屬淋失量動(dòng)態(tài)變化 每次淋溶時(shí)將淋溶液收集到燒杯中，采用酸消解-原子吸收分光光度計(jì)法測定重金屬含量，淋失率是淋失液中重金屬含量除以淋溶前污泥中重金屬含量計(jì)算而得。從圖3～圖7可以看出，各處理Zn、Cu、Pb、Cr、Cd淋失量隨淋溶次數(shù)增加而增加；隨污泥施用量的增加，淋失液中5種重金屬含量均增加，說明淋失液中重金屬含量與污泥施用量有一定關(guān)系，但每種元素各處理淋失率有所不同。如圖3所示，污泥施用量為0.9 g/cm2處理，Zn在第2次淋溶時(shí)淋失率最大，為1.25%；污泥施用量為1.5、 0.3 g/cm2時(shí)，Zn淋失率在第4次淋溶時(shí)最大，分別為 1.62%、0.88%；5次淋溶后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個(gè)處理的Zn淋失量分別為0.359 9、0.751 2、0.680 2 mg，淋失率分別為0.56%、1.03%、1.49%。從圖4可以看出，0.3、0.9 g/cm2這2個(gè)處理的Cu淋失量和淋失率非常接近，而污泥施用量為1.5 g/cm2的處理，淋失量和淋失率明顯高于這2個(gè)處理，淋失率在第3次淋溶時(shí)達(dá)最大，為1.08%；5次淋溶后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個(gè)處理Cu淋失量分別為 0.113 5、0.115 2、0.264 6 mg，淋失率分別為0.35%、0.33%、0.97%。由圖5可知，污泥施用量為1.5 g/cm2的處理，Pb淋失量第1次淋溶時(shí)均小于0.9、0.3 g/cm2處理，第5次淋溶時(shí)Pb淋失量和淋失率都達(dá)到最大值，分別為0.225 2 mg和9.11%。當(dāng)污泥施用量為0.9 g/cm2時(shí)，Pb淋失率也是在第5次最大，為10.94%；5次淋溶結(jié)束后，0.3、0.9、1.5 g/cm2這3個(gè)處理Pb淋失量分別為0.189 4、0.235 8、0.327 2 mg，淋失率分別為11.64%、10.94%、9.11%。從圖6可以看出，不同污泥施用量下，Cr淋失量總體變化規(guī)律與Pb相似，0.3、0.9 g/cm2這2個(gè)處理在淋失量和淋失率變化上很接近；污泥施用量為1.5 g/cm2處理第1次的Cr淋失量均小于污泥施用量為0.9、0.3 g/cm2的處理；5次淋溶結(jié)束，0.3、0.9、1.5 g/cm23個(gè)處理Cr淋失量分別為0.122 6、0.118 1、0.219 6 mg，淋失率分別為4.40%、1.41%、1.58%。Cd淋失規(guī)律如圖7所示，當(dāng)污泥施用量為1.5 g/cm2時(shí)，第1次Cd淋失量比污泥施用量0.9、0.3 g/cm2時(shí)都小，Cd在第5次淋溶時(shí)淋失率最大，而0.3、0.9 g/cm2處理的淋失量和淋失率變化程度上很接近；5次淋溶結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理Cd淋失量分別為0.027 3、0.039 0、0.045 4 mg，淋失率分別為20.52%、19.94%、20.20%。由此看來，重金屬淋失量較小，淋失率與元素性質(zhì)有關(guān)，5種元素淋失率由大到小順序?yàn)镃d>Pb>Cr>Zn>Cu。

表1 5次淋溶后沙土中總氮和總磷滯留量

2.2.2 沙土中重金屬滯留量 5次淋溶結(jié)束后，取0～60 cm土層土混勻，采用酸消解-原子吸收分光光度計(jì)法測量重金屬含量，每個(gè)處理做3次重復(fù)并計(jì)算滯留量，滯留率以滯留量除以污泥中重金屬總含量計(jì)算。由表2可知，Zn、Cu、Pb、Cr、Cd在沙土中的滯留量隨污泥施用量增加而增加，每種重金屬元素都是以1.5 g/cm2處理的滯留量最大，滯留量從大到小依次為Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，Zn最大，為120.32 mg，Cd最小，為0.18 mg； 從滯留率來看，3個(gè)處理Zn、Cu、Cr的滯留率均大于95%，Pb在90%左右，Cd約為80%。

表2 五次淋溶后沙土中重金屬滯留量

2.2.3 重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 由以上研究得出，5種重金屬在土壤中的滯留量隨污泥施用量的增加而增加，因此選擇污泥施用量最大的處理1.5 g/cm2進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估足夠說明問題。從表3可以看出，5種重金屬在沙土中的最大滯留量(表2)均比土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)小得多，其內(nèi)梅羅指數(shù)均小于1，由此看來，以1.5 g/cm2污泥施用量改良沙土不存在重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表3 1.5 g/cm2處理沙土中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

注：GBⅢ表示GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(pH值>6.5)；PN表示內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，PN≤0.7表示土壤清潔，0.7

3 結(jié)論與討論

污泥中全氮、全磷含量遠(yuǎn)高于土壤，能充分補(bǔ)充沙漠土壤的氮素、磷素[12]。本試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬中強(qiáng)度降雨淋溶模式研究不同污泥施用量與土壤中總氮和總磷滯留量的關(guān)系，結(jié)果表明，沙土中總氮和總磷的滯留量與污泥施用量有一定關(guān)系，污泥施用量越大，總氮和總磷的滯留量越大。5次淋溶結(jié)束時(shí)，總氮和總磷的淋失量和滯留量均以1.5 g/cm2處理最大，總氮淋失量最大為564.42 mg，占污泥總氮含量的27.38%，滯留量最大為1 497.27 mg，占污泥總氮含量的 72.62%；總磷最大淋失量為10.73 mg，占污泥總磷含量的99.13%，滯留量最大為1 219.77 mg，占污泥總磷含量的 0.87%?？偟牧苁蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)大于總磷的淋失率，而滯留率總磷比總氮大，研究結(jié)果與李霞等以科爾沁沙土為研究對(duì)象采用室內(nèi)淋溶模擬試驗(yàn)[13]相同。盡管總氮的淋失率遠(yuǎn)大于總磷，但污泥中總氮的含量比總磷高，所以最終滯留在沙土中總氮和總磷的量都較高，這對(duì)提高沙土肥力有利。

污泥富含有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等營養(yǎng)元素，但污泥中也含有大量的有毒有害生物和物質(zhì)，尤其是重金屬，成為限制其農(nóng)業(yè)土地利用的主要障礙[14]。本試驗(yàn)同時(shí)也考察了污泥施用量對(duì)重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Cd淋失和滯留的影響。結(jié)果表明，3個(gè)處理Cu、Zn、Cr的淋失率較小，均小于5%，Pb和Cd的淋失率較大，Pb約為10%，Cd約20%。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd在沙土中的滯留量均以1.5 g/cm2處理最大，滯留量順序?yàn)閆n>Cu>Cr>Pb>Cd，Zn最大，為120.32 mg，Cd最小，為 0.18 mg；從滯留率來看，3個(gè)處理中Cu、Zn、Cr的滯留率均大于95%，Pb在90%左右，Cd的滯留率約80%。由此看來，Cu、Zn、Cr、Pb容易滯留于土壤中，造成土壤重金屬污染，而Cd相對(duì)較容易淋失，這可能是因?yàn)镃u和Zn對(duì)有機(jī)質(zhì)具有很強(qiáng)的親和性，形成了較為穩(wěn)定的有機(jī)絡(luò)合態(tài)，從而提高了在土壤中的滯留量[15-16]。李霞等的研究結(jié)果表明，Cd在沙土中容易淋失造成地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)比Cu、Zn大[13]。

以污泥最大施用量1.5 g/cm2進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明，沙土中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd滯留量均小于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》國家土壤環(huán)境質(zhì)量 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)除Zn(為0.9)，達(dá)警戒線值外，Cu、Cr、Pb、Cd都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.7。因此，加強(qiáng)污泥中重金屬Zn的源頭監(jiān)測與控制，以1.5 g/cm2的污泥施用量改良沙土，短期內(nèi)不會(huì)造成重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。