厌氧消化污泥对退化苗圃土壤的改良效果研究

杨长明， 范博博， 荆亚超

(同济大学 长江水环境教育部重点实验室，上海 200092)

目前我国随着城镇污水处理规模不断增加，污泥的产生量也在急剧上升，从而面临着巨大的有效科学处理和处置压力[1].实现市政污泥的减量化、稳定化和资源化是解决污泥问题的主要手段和思路.由于市政污泥富含有机质和营养元素，符合相关标准的污泥土地利用将是未来发展趋势.高品质的市政污泥土地利用可能是未来污泥最终处置的重要途径和方向，但在土地利用之前，污泥必须进行稳定化处理，以降低其对土壤环境带来的生态风险[2].

厌氧消化(Anaerobic digestion)是集中式污泥稳定化的一项重要技术，不但可以实现污泥的稳定化过程，还可以实现能源回收[3-4].但是，厌氧消化后的污泥出路问题至今尚未得到完全解决，从而严重制约了污泥厌氧消化技术的发展.市政污泥经过厌氧消化稳定化处理以后，仍富含氮、磷、微量元素和有机质等营养物质，而且养分更为均衡，特别是消化后污泥具有腐殖质胶体，能使土壤形成团粒结构，保持很好的养分和水分作用[5].将厌氧消化稳定化后污泥就地进行土地利用，这不仅可以彻底解决厌氧消化污泥出路问题，降低污泥的处置成本，同时还可以对一些退化土壤进行改良，进而提高土壤质量.但是，目前对厌氧消化后污泥土地利用后的土壤质量以及重金属累积特征的研究较少[6]，而且多以短期的实验为主，连续数年的施用效果研究尚未见报道.

本论文以严重退化的苗圃土壤作为研究对象，通过连续3年的厌氧消化污泥施用的柱状模拟实验，并结合对土壤主要理化指标以及微生物生理生态指标的测定，较为全面研究了厌氧消化污泥连续施用对退化苗圃土壤的改良效果.同时，还对厌氧消化污泥施用后土壤重金属的累积过程进行了分析和探讨，以全面评估厌氧消化污泥施入土壤后对土壤质量和土壤健康的影响，以期为今后厌氧消化稳定化污泥土地安全利用和资源化处理处置提供科学依据.

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤采自合肥市包河区大圩镇某香樟苗圃基地，其主要理化指标见表1.由于多年连续种植，加上不合理的施肥和灌溉，导致该苗圃土壤呈现轻度的盐渍化状态，电导率(EC)高达245 μS·cm-1；土壤pH为8.28，也较周边土壤偏高.该苗圃土壤容重也较高，土壤板结严重，透气性较差.另外，该苗圃土壤有机质含量也偏低，仅为15.2 g·kg-1，土壤有效养分供给能力弱，使得该苗圃土壤退化问题较为严重，苗木生长缓慢，而且苗圃成活率较低.

厌氧消化污泥采自合肥十五里河污水处理厂内的国家水专项污泥厌氧消化研究基地，其基本泥质指标如表1所示.由表1可以看出，该厌氧消化污泥有机质含量为339 g·kg-1，养分含量也较高.另外，由于该污水厂进水98%为生活污水，其原污泥重金属含量较低，厌氧消化后的污泥中几种主要重金属含量均显著低于《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》标准(GB/T23486—2009)[7].因此，本实验采用的厌氧消化污泥泥质总体较好，非常适合进行土地利用.

表1 供试的苗圃土壤理化指标和厌氧消化污泥泥质特征

注：1.表中数据为3次测定平均值，括号内数据为标准误差；2.“-”表示未检测出，即含量低于仪器检测线水平.

本研究采用模拟土柱试验，土柱长为60 cm，直径为20 cm，每个土柱填装16 kg的苗圃土壤.填装后，将风干、粉碎并过20目筛的厌氧消化污泥施于表层，然后与0～20 cm土壤充分混合，厌氧消化污泥施加量为300 g·土柱-1·年-1.同时，设置不加污泥的土柱作为对比.通过定期浇灌，以保证土柱表层土壤达到70%的田间持水量.本土柱实验在四周通风的阳光棚中进行，除了可以防雨外，还可以加速土壤中的反应过程.实验自2014年1月开始，2016年12月结束，共持续3年时间.

1.2 土壤样品采集与测定

试验期间的每年12月底，采集土柱中表层(0～20 cm)土壤，采集的土壤样品一部分自然风干，做土壤理化指标分析，一部分放置冰箱冷藏(4 ℃)，用作微生物分析用.

土壤质地(粒级组成)采用吸管法测定；土壤pH和电导率(EC)采用电极法测定，水土比为1：1.土壤总可溶性盐含量(TDS)测定采用质量法测定：将土壤样品与水按一定的水土比例(5∶1)混合，经过一定时间振荡后，将土壤中的可溶性盐提取到溶液中，然后将水土混合液进行过滤，滤液可作为土壤可溶性盐分测定的待测液，再进行蒸发后称重.土壤有机质测定采用重铬酸钾法；土壤中凯氏氮测定采用H2SO4+混合加速剂(K2SO4+CuSO4+Se)消煮，半微量凯氏蒸馏定氮法；碱解氮测定采用碱解扩散法；总磷测定采用HClO4- H2SO4消煮，钼锑抗比色法；Olsen-P(有效磷)测定采用NaHCO3提取，钼锑抗比色法，以上理化指标具体方法和步骤请参考文献[8]；

厌氧消化污泥和苗圃土壤主要重金属(Cd、Cu、Zn、Cr、Ni和Pb)和类重金属(As)全量测定：准确称取0.5 g通过 100目筛的沉积物土壤或污泥样品于聚四氟乙烯消解管中，加入5 ml HNO3.将消解管置于电热板上，以150℃加热至液体近干，再加入5 ml HNO3、5 ml HF、3 ml HClO4，保持150℃加热消解，直至固体消失.将酸蒸至近干冷却后用2% HNO3将消解样定容至25 ml.离心后取上清液，过0.45 μm的滤膜，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)(Optima 2100 DV，美国Perkin Elmer公司生产)测定其中As、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn等元素含量.

土壤微生物生物量碳(MBC)和生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液提取法测定；土壤关键酶活性分析：土壤脱氢酶活性采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测，TTC被还原后，能形成脂溶性的红色产物三苯基甲簪(TPF)；采用苯酚-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，该方法以尿素为基质，根据酶促产物氨与苯酚-次氯酸钠作用生成蓝色的靛酚，以24 h后1 g土壤中产生的NH3-N的质量(mg)表示脲酶的活性；采用磷酸苯二钠比色法测土壤碱性磷酸酶活性，以24h后1g土壤中释出酚(Phenol)的质量(mg)表示磷酸酶活性.转化酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以蔗糖作为基质，根据葡糖糖与3,5-二硝基水杨酸反应生成黄色产物来确定转化酶活性，最后以24h后土壤中生成的葡萄糖(Glucose)的质量(mg)表示蔗糖酶活性.以上土壤微生物生理生态指标分析具体步骤参考文献[9].

1.3 数据分析与统计方法

试验数据采用Excel 2010和SPSS 19.0统计软件进行处理，所有试验数据通过ANOVA变异分析程序进行统计分析，采用邓肯新复检验法(Duncan’s new multiple range test)对不同处理和不同施用年限下土壤理化指标、微生物指标以及重金属积累特征差异进行统计估计，在P<0.05的概率水平视为显著.

2 结果与分析

2.1 厌氧消化污泥施用对土壤主要理化指标的影响

厌氧消化污泥施用后对苗圃土壤主要理化性质的影响如表2所示.由表2可明显看出，与不施厌氧消化污泥相比较，施用厌氧消化污泥后可明显提高土壤粘粒比例，从而有助于改善了土壤物理结构和土壤的缓冲性能.施用厌氧消化污泥3年后，土壤pH较实验前和无添加厌氧消化污泥也有明显(P<0.05)降低，由无添加厌氧消化污泥的8.24降到至7.89，属中性偏碱性，这种酸碱环境对于大多数植物和微生物生长都是有利的.厌氧消化污泥施用也显著(P<0.05)增加了土壤有机质含量(表2)，与无添加厌氧消化污泥相比较，厌氧消化污泥土地施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤有机质含量分别提高了11.8%、39.1%和76.9%，由此表明施用经厌氧消化后的稳定化污泥对土壤有机质提升作用明显，而且随着施用年限的增加，土壤有机质含量也会稳步上升，这与过去的研究结果一致，只是增加幅度因污泥施用量不同而有所差异[10].污泥经过厌氧消化后，其中易降解有机质大部分被降解，剩余大部分为难降解的腐殖质类物质，这种物质更有利于在土壤中积累.

与土壤有机质变化类似，土壤总氮和总磷含量也是随着厌氧消化污泥的施用年限增加而增加，这说明在目前的施用量下向苗圃土壤施用厌氧消化污泥有助于土壤养分含量的增加[11].从表1还可以看出，与无添加厌氧消化污泥土壤相比较，施用厌氧消化污泥还可明显(P<0.05)提高土壤有效养分的含量.与无添加厌氧消化污泥相比较，厌氧消化污泥土壤施用3年后，土壤碱解氮和Olsen-P含量分别增加了109%和95.4%.由此可以看出，相对于养分总量而言，厌氧消化污泥施用更有利于增加土壤中有效态养分的供给.添加富含有机质的厌氧消化污泥大大改善了土壤理化环境，从而有利于微生物数量和活性的增加，增强了对土壤有机质的矿化和有效养分的释放[12].

表2 厌氧消化污泥施用不同年限对土壤理化性质的的影响

注：表中数据为3次测定平均值，括号内数据为标准误差.

图1为施用厌氧消化污泥对苗圃土壤总可溶性盐含量(TDS)和电导率(EC)的影响.由图1可以看出，土壤全盐量自施用厌氧消化污泥后也出现明显降低，与无添加厌氧消化污泥相比较，厌氧消化污泥土地施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤TDS较无添加厌氧消化污泥分别下降了15.8%、23.7%和44.5%，电导率(electric conductivity,EC)分别下降20.4%、41.6%、58.4%.土壤施用厌氧消化污泥3年后，土壤中TDS仅为0.875 g·kg-1，EC值降至为91.5 μS·cm-1，大大缓解了由于长期不合理施肥和灌溉导致的苗圃土壤呈现次生盐渍化过程.这也进一步说明，施用厌氧消化污泥对调节和改善退化苗圃土壤理化环境具有较好的效应.过去有研究表明，长期施用原污泥可能会造成土壤盐度升高，甚至出现次生盐碱化[13].本试验结果则表明，厌氧消化污泥施用对较高盐度苗圃土壤具有一定的改良作用.盐度的降低一方面是原污泥中一些盐基离子在厌氧消化过程中进入液相中，使得厌氧消化后的污泥盐度有明显降低.另外，施用厌氧消化污泥后，增加的土壤孔隙，有利于盐基离子通过淋洗排出土壤系统[14].

a EC

b TDS

2.2 厌氧消化污泥施用对土壤微生物学特征的影响

作为土壤的重要组成部分，土壤微生物在土壤形成和演化过程中起着主导作用，并可用以较早地预测土壤有机质乃至土壤环境的变化过程，是土壤质量和土壤恢复性能评价的一项敏感性指标[15].土壤微生物生物量(soil microbial biomass，SMB)是指土壤中体积小于5μm的活性微生物总量，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分[15].土壤微生物生物量与土壤中的C、N、P、S等养分元素的循环密切相关，可直接反映土壤肥力和土壤环境质量的变化[15].图2为厌氧消化污泥施用到苗圃土壤后，土壤中微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的变化情况.由图2可明显看出，苗圃土壤施用厌氧消化污泥后，土壤中MBC和MBN都有明显(P<0.05)的增加，与无厌氧消化污泥投施土壤相比较，厌氧消化污泥施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤微生物生物量碳(MBN)含量分别提高了22.1%、85.2%和147.8%，而对土壤微生物生物量碳(MBC)含量的增加效应更为明显，分别提高了28.4%、110.5%和222.6%.由此说明，厌氧消化污泥施用对促进农田土壤微生物的生长是非常有利的.这主要是由于厌氧消化污泥的施用，提高了土壤有机质和其他养分的含量，也改善了土壤的通气状况，改善了土壤微生物的环境，并为其代谢活动提供了良好的基质，进而增强了土壤微生物的活性[16].

a MBC

b MBN

土壤酶活性是反映土壤微生物代谢活性和生化过程的一个重要指标，也是土壤管理措施导致土壤质量变化的敏感性指标[17].通过对施用厌氧消化污泥后的土壤酶活性分析结果发现(表3)，退化苗圃土壤施用厌氧消化污泥后，可明显提高土壤酶的活性，与无添加厌氧消化污泥相比较，苗圃土壤施用厌氧消化污泥3年后，土壤转化酶、脱氢酶、尿酶和碱性磷酸酶分别提高了69.0%、35.1%、117.6%和81.4%.由此说明，厌氧消化污泥土地施用可以显著增强土壤代谢功能，从而促进了土壤的生物化学过程的发生.

过去研究也表明，污泥施用普遍有利于提高土壤酶活性，譬如土壤淀粉酶、脲酶和蔗糖酶活性.但原污泥施用过量或时间延长，则会抑制多酚氧化酶和磷酸酶的活性，而污泥对过氧化氢酶的影响则不大.污泥对土壤微生物特性短期内有积极的影响，但长期则有负面作用[18].本研究结果则显示，施用经过厌氧消化后的稳定化污泥对土壤中关键酶活性的提升作用明显高于原污泥的效果，而且经过连续3年施用后，土壤微生物活性仍保持较高的增长速率.

另外，从表3还可发现，不同类型土壤酶对土壤厌氧消化污泥施用后的反应敏感性存在显著差异，相比较而言，在所调查的酶活性中，土壤尿酶对厌氧消化污泥园林土地施用后的响应更为敏感，可作为厌氧消化污泥土地利用评价的敏感性指标.

表3 厌氧消化污泥施用对土壤酶活性的影响

注：表中数据为3次测定平均值，括号内数据为标准误差.

2.3 厌氧消化污泥施用后土壤重金属累积效应

城市污水厂污泥土地利用后的重金属污染累积效应一直是人们关心的问题，也是厌氧消化污泥和污泥土地利用的瓶颈[19].本论文对厌氧消化污泥施用苗圃土壤后主要重金属的主要含量进行的采样和分析(表4).由表3可明显看出，对照土壤和厌氧消化污泥施用后的土壤As未检出，施用厌氧消化污泥后土壤中Cd、Cr、Cu、Ni 、Zn、Pb含量均有不同程度增加，但对照土壤环境质量标准(GB 15618—1995)[20]，其含量均低于土壤环境质量1级标准，对环境及生态系统的生态风险较小.但是，由于本次试验仅仅是持续3年的实验数据，施用厌氧消化污泥后对土壤中的重金属持续累积效应过程还有待于今后进一步持续监测，特别是厌氧消化污泥长期施用后通过淋溶作用对地下水的影响还要进行全面评估[21].

表4 厌氧消化污泥施用对土壤重金属含量的影响

注：1.表中数据为3次测定平均值，括号内数据为标准误差；2.“-”表示未检测出，即含量低于仪器检测线水平.

3 结论

(1)3年的持续模拟土柱实验研究表明，施用厌氧消化污泥对调节和改善苗圃土壤质地和物理特性具有较好的效果，土壤pH趋于中性，特别施用厌氧消化污泥后显著减少苗圃土壤中总可溶性盐含量，进而明显降低的土壤电导率，说明厌氧消化污泥施用对多年种植苗木造成的次生盐渍化苗圃土壤具有较好的改良效果.

(2)厌氧消化污泥园林土地施用后明显提高了苗圃土壤有机质和氮、磷等营养元素的含量，特别是增加了土壤中植物有效养分的含量和比例，从而有助于提高苗圃土壤的肥力，这对后续苗木高效、高产奠定了良好的基础.同时，土壤中养分较为均衡，C/N适中，从而有利于土壤中微生物的生长和繁殖.

(3)厌氧消化污泥施于苗圃土壤后明显增加了土壤微生物生物量和土壤中关键酶的活性，而且随着施用年数增加，土壤微生物生物量和酶活性也稳步上升，并没有出现过去原污泥施用造成后期微生物活性下降的现象，这大大改善了土壤生化代谢过程以及生物地球化学循环功能，有利于土壤质量和土壤健康的持续改善.

(4)厌氧消化污泥施用后土壤重金属累积效应分析结果表明，与无添加厌氧消化污泥相比，厌氧消化污泥施用3年后，供试苗圃土壤Cr、Cu、As、Ni 、Zn、Pb含量均有不同程度增加，但是其含量远低于国家土壤环境质量标准1级标准.但长期施用厌氧消化污泥对苗圃土壤中的重金属累积过程和环境效应还应进一步深入研究和探讨.

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