污泥对不同土壤全氮和有机质及重金属含量的影响

张 强，卜玉山

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

污泥对不同土壤全氮和有机质及重金属含量的影响

张 强，卜玉山

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

通过室内恒温培养试验，探究3种城市污泥对砖红壤、红壤和石灰性褐土全氮和有机质及重金属含量的影响。结果表明，施入污泥后，3种土壤中全氮和有机质的含量均有明显增加，砖红壤全氮和有机质含量分别增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；红壤全氮与有机质含量分别增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮与有机质含量分别增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg；其中，红壤和石灰性褐土中全氮和有机质含量的增加量均要高于砖红壤。施用污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量也随之增加，且随着污泥施用量的增加呈持续上升的趋势，所以，施用污泥时必须控制好用量以避免对土壤造成二次污染。

污泥；养分；重金属

随着社会发展和城市化进程的加快、环境质量标准及污水处理率和处理程度的提高，污泥产量急剧增加，污泥处置成为一个重要的环境问题[1]。目前，对城市污泥和垃圾的处置方式主要有填埋、焚烧、倒海和农业利用等[2-6]。相比之下，农用资源化是最为可行的处置方法。英国、美国、瑞士、荷兰等国家城市污泥的农用率达50%以上[7-9]。我国对城市污泥的农用资源化的研究与实践与国外相比均相差甚远，污泥农用率低[10-12]。生活垃圾和污泥的农业利用，不仅减缓了环境压力，并且实现了废物资源化和养分再循环，有利于农业和全社会的可持续发展。

污泥中含有大量的植物生长所需的营养元素，可以提高土壤肥力。污泥中有机质含量较高，污泥施入土壤中，可以改良土壤结构，调节土壤理化性质[13-15]，对土壤的透水通气、蓄水保肥性及耕作性都有良好的改善作用，从而促进作物的生长[16]。污泥通过培肥和改良土壤，可以实现废弃物的资源化利用与营养和能量物质的再循环[16]。但是污泥中重金属含量普遍高，这是污泥农用最大的限制因素[17]。

本试验研究山西省3个污水处理厂的污泥在不同的土壤中施用后，土壤全氮和有机质及重金属在土壤中的转化规律，为污泥资源化利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤于2015年3月分别采自海南琼海市潭门镇西村村委会大水岭村荒草地（19°2′N，110°13′E），土壤为砖红壤；广西柳江县穿山镇新兴农场华侨队甘蔗地（24°5′8″N，109°24′45″E），土壤为红壤；山西太谷县山西农大资源环境学院试验站玉米地（37°43′N，112°28′E），土壤为石灰性褐土。

2014年10月采集供试污泥，分别采自山西运城临猗县污水处理厂（35°07′8.5″N，110°45′25.7″E）、山西霍州污水处理厂（36°32′58.1″N，111°41′41″E）、山西省太原市杨家堡污水处理厂（37°48′22.9″N，112°33′3.4″E），将其风干后过0.84 mm尼龙筛备用。供试土壤和污泥的理化性质列于表1。

1.2 试验设计

采用室内恒温培养的方式，每种土样设置5个处理，分别添加0（CK），1%，2%，4%，6%的不同污泥到200 g土中，充分混匀后，加水使土壤保持湿润，装入自封袋中封口，在27℃的恒温培养箱中培养，培养期间定期搅动，并根据土壤干湿状况不定期补充水分。2015年6月6日开始培养，7月5日结束，共30 d。培养结束后测定土壤全氮、有机质、全铜、全锌、全铅、全铬的含量。

表1 供试材料理化性状

1.3 测定指标及方法

土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[18]；土壤全氮含量采用H2SO4-H2O2消化，凯氏定氮法测定[18]；土壤全铜、全锌、全铅、全铬采用HNO3，浓HCl，HF，浓HClO4消煮，原子分光光度法测定[18]。

1.4 数据分析

数据分析采用Microsoft Excel 2003和DPS数据处理系统等软件进行试验数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 污泥对不同土壤全氮含量的影响

表2 不同污泥施用量对土壤全氮含量的影响 g/kg

不同施用量的3种污泥处理下，3种不同土壤全氮含量差异均达显著水平（表2），且随着污泥施用量的增加，土壤全氮含量呈持续上升趋势。砖红壤和红壤施用临猗和霍州污水处理厂的污泥，在施用量≥2%时，土壤中全氮含量显著高于CK，石灰性褐土在施用这2种污泥后，施用量分别在1%和2%时显著高于CK。且在最大施用量时，红壤与石灰性褐土的全氮增加量均大于砖红壤，红壤和石灰性褐土相差不大。施用太原杨家堡污水处理厂的污泥处理后3种土壤在施用量≥1%时，土壤中全氮含量均显著高于CK，分别升高了34%，25%和37%，砖红壤每个施用量梯度的的全氮含量均显著高于CK，且其全氮含量的增加量也基本小于红壤与石灰性褐土的增加量。

2.2 污泥对不同土壤有机质含量的影响

砖红壤、红壤、石灰性褐土在施入3种不同污泥后，其有机质含量差异均达显著水平（表3），且随施用量的增加，土壤中有机质的含量持续升高。其中，砖红壤施用临猗污水处理厂和杨家堡污水处理厂污泥后，在施用量≥2%时，有机质含量显著高于CK，分别增加了33%和62%；施用霍州污水处理厂的污泥，在施用量≥1%时，有机质含量显著高于CK，增加了23%。红壤在施用临猗污水处理厂污泥后，在施用量≥4%时，有机质含量显著高于CK，增加了35.6%；而施用霍州污水处理厂和太原杨家堡污水处理厂污泥后，在施用量≥1%时，有机质含量显著高于CK，分别增加了19%和15%。石灰性褐土在施用太原杨家堡污水处理厂污泥后，在施用量≥4%时，有机质含量显著高于CK且较CK提高了26.7%。在施用临猗和霍州污水处理厂污泥后，均在污泥施用量≥6%时，与CK呈显著性差异，分别提高了63%，97%。不同土壤对污泥有机质的积累量为红壤＞石灰性褐土＞砖红壤。但由于砖红壤本身的有机质含量较低，在最大施用量时，有机质含量较CK增长的百分率明显高于红壤和石灰性褐土，说明污泥对砖红壤的改良效果也是十分明显。

表3 不同污泥施用量对土壤有机质含量的影响 g/kg

2.3 污泥对不同土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响

2.3.1 临猗污水厂污泥对3种土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 重金属含量作为污泥施用的主要限制因素，直接影响污泥的施用量。供试土壤在施入临猗污水处理厂污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均随污泥施用量增加，呈持续上升趋势（表4）。

表4 临猗污泥对3种土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 mg/kg

砖红壤、红壤和石灰性褐土，在污泥施用量分别为1%，1%，6%时，土壤中Cu的含量与CK间差异达显著水平，分别增长了27.4%，10.5%和43.9%，在最大施用量时，3种土壤中Cu的积累为石灰性褐土＞红壤＞砖红壤。砖红壤、红壤和石灰性褐土施入污泥后，土壤中Zn的含量随着污泥施用量的增加呈上升趋势，在施用量分别为2%，2%和4%时，土壤中Zn的含量与CK间差异达显著水平，且较CK分别增长了26.2%，23.8%和30.9%。

砖红壤、红壤、石灰性褐土在污泥施用后，在施用量分别为4%，4%和2%时，土壤中Pb含量与CK间差异显著，且分别增加了6.5%，6.5%和5.7%；在最大施用量时，3种土壤Pb的增加量为红壤＞砖红壤＞石灰性褐土。施用临猗污水处理厂污泥后，砖红壤、红壤、石灰性褐土分别在施用量为4%，4%，6%时，土壤中Cr含量与CK间差异显著，分别增长了17.3%，11.5%和13.8%，在最大污泥施用量时，红壤中Cr的积累量略大于砖红壤和石灰性褐土。2.3.2 霍州污水处理厂污泥对3种土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 在施用霍州污水处理厂污泥后，3种土壤中Cu，Zn和Pb的含量均显著提高（表5），Cr在红壤和石灰性褐土中差异达显著水平，在砖红壤中差异不显著。

施用霍州污水处理厂污泥后，3种土壤在污泥施用量分别为6%，4%，6%时，土壤中Cu含量与CK间差异达显著水平，且分别增加了10.2%，3.6%，4.8%；土壤中Zn的含量在施用霍州污水处理厂污泥后，均有显著提高，且3种土壤均在污泥施用量≥4%时，与CK间差异达显著水平，较CK分别增加了5.4%，3.7%和4.2%，在污泥最大施用量时，土壤中Zn含量的增加量为石灰性褐土＞红壤＞砖红壤。施用霍州污水处理厂污泥后，在低施用量时，3种土壤中Pb的含量均与CK间差异不显著，在污泥施用量分别达到6%，4%和6%时，土壤中Pb的含量与CK间差异达显著水平，在污泥施用量为6%时，石灰性褐土中Pb的积累量要明显高于红壤和砖红壤。在施用霍州污水处理厂污泥后，砖红壤各个处理之间的Cr含量差异均不显著，红壤和石灰性褐土在施用量为4%时与CK间差异显著，分别较CK增加了1.28%和1.22%。

表5 霍州污水处理厂污泥对3种土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 mg/kg

2.3.3 太原市杨家堡污水处理厂污泥对3种土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 施用太原杨家堡污水处理厂污泥后，3种土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量均有不同程度的提高（表6），其中，土壤中Cu的含量在施用污泥后，在施用量分别达4%，4%和2%时与CK间差异达显著水平。在施用量为6%时，土壤中Cu的积累量为红壤＞石灰性褐土＞砖红壤。在施用太原杨家堡污水处理厂污泥后，砖红壤和红壤中Zn的含量在低施用量时差异不显著，在施用量分别为4%和6%时，土壤中Zn含量与CK间差异达显著水平。石灰性褐土中Zn的含量在施用量为1%时，与CK间差异显著，且增加了1.50%。土壤中的Pb含量，在污泥低施用量时，各处理间差异均不显著，3种土壤均在污泥施用量为4%时，土壤中Pb含量与CK间差异达显著水平，分别较CK增加了3.9%，6.6%和8.6%。在最大污泥施用量时，石灰性褐土中Pb的积累量要明显高于红壤和砖红壤。施用太原杨家堡污水处理厂污泥后，3种土壤中Cr的含量分别在污泥施用量为6%，2%和4%时与CK间差异达显著水平，分别增加了4.8%，0.86%和2.6%。在污泥施用量为6%时，Cr的增加量为石灰性褐土＞砖红壤＞红壤。

表6 太原市杨家堡污水处理厂污泥对3种土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影响 mg/kg

3 结论与讨论

污泥施入砖红壤、红壤、石灰性褐土后，3种土壤中的全氮和有机质含量均得到明显提高，其中，砖红壤全氮和有机质含量分别增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；红壤全氮与有机质含量分别增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮与有机质含量分别增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg，红壤和石灰性褐土中全氮和有机质含量的增加量均要高于砖红壤，土壤肥力有所提升。因此，污泥对贫瘠土壤有良好的改良作用。但污泥中重金属元素含量普遍较高，其中，Cu和Zn含量最高，Cr次之[19]。施入污泥后，土壤中Cu的积累量为红壤＞石灰性褐土＞砖红壤；3种土壤中Zn积累量为石灰性褐土＞红壤＞砖红壤；而Pb在石灰性褐土中的积累量要大于砖红壤和红壤；土壤中Cr的增加量为石灰性褐土＞砖红壤＞红壤。可见，石灰性褐土中Cu，Zn，Pb，Cr的积累处于较高水平，砖红壤的积累量较低。但是，3种土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均随着污泥施用量的提高呈上升趋势，所以，在施用污泥提高土壤肥力的同时，必须兼顾到施用污泥造成的土壤中重金属含量的增加，要科学控制好污泥的施用量，以避免对土壤造成二次污染。

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Effect of Sewage Sludge on Total Nitrogen，Organic Matter and Heavy Metals Content in Different Soils

ZHANGQiang，BUYushan

（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Through incubation experiments,this paper discussed the influence of 3 kinds of city sludge on the brick red soil,red soil and calcareous cinnamon soil total nitrogen,organic matter and heavy metal content.The sludge collected from Linyi sewage treatment plant,Huozhou sewage treatment plant，Yangjiapu in Taiyuan sewage treatment plant sludge,sludge application rate were 0, 1%,2%,4%and 6%.The results showed that the content of the total nitrogen and organic matter of the three kinds of soil applied with sludge increased significantly.The nitrogen and organic matter content of laterite soil increased 0.03-1.00,0.43-8.06 g/kg,respectively. The total nitrogen and organic matter content of red soil increased 0.10-1.05,1.04-15.21 g/kg,respectively.The total nitrogen and organic matter content of calcareous cinnamon soil increased 0.16-1.06,1.05-13.40 g/kg,respectively.The increment of the total nitrogen and organic matter in red soil and calcareous cinnamon soil exceeded laterite soil.With the increasing of applying sludge content,the content of Cu,Zn,Cr and Pb in soil also increased.Thus the applying sludge content should be controlled to avoid two pollution ofthe soil.

sewage sludge;nutrient;heavy metals

X705

A

1002-2481（2017）03-0433-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.28

2016-11-30

山西省回国留学人员科研资助项目（2013-重点7）；山西省科技攻关项目（20130313007-3）

张 强（1991-），男，山西河津人，在读硕士，研究方向：施肥与环境。卜玉山为通信作者。