市政污泥用于矿区土壤改良的污染风险评估及配比分析

罗大富

1.福建省197地质大队，泉州 362011 2.安徽理工大学，淮南 232001

近年来，矿区生态工程建设力度不断加大，植物修复的方式被广泛采用（李明顺等，2005；Wang et al，2012；莫爱等，2014），但废弃矿山土壤往往较为贫瘠，缺乏植物生长所必需的养分（Gupta et al，2008；Liu and Yang，2014； 莫 爱等，2015），不利于植被的恢复。市政污泥中含有丰富的氮磷钾及有机质且大部分的氮磷是有机结合态的，经矿化后容易被植物吸收，因而，通过施用市政污泥来恢复植被，既能迅速供肥，又能持久供肥（李艳霞等，2003；曹春梅，2008；Corrêa et al，2012）。然而，市政污泥中往往又含有较高含量的重金属元素（谭国栋，2011；郭广慧等，2014），污泥施用后，土壤中的重金属含量也会有所增加，如施用不当，很可能造成土壤的二次污染，因此，评估市政污泥用于矿区土壤改良的重金属污染风险，探索污泥施用的最佳配比具有十分重要的意义。目前，国内外在市政污泥土壤改良技术方面取得了一系列重要成果，其研究对象多集中于沙漠化、盐渍化的草地或农田（Li et al，2010；Cincinelli et al，2012； 李 霞 等，2013；王磊等，2016），而对市政污泥用于矿区废弃地土壤改良的研究较少；另外，由于不同区域和处理工艺的城市污泥，其理化性质和物质组成有很大差异，作为生态环境修复基质改良土壤时的作用和生态环境影响需要做具体研究。对于泉州市，矿山生态环境修复中应用城市污泥进行土壤改良理论和技术的系统研究尚缺乏。

本研究通过土柱淋溶试验，分析泉州市政污泥用于矿区土壤改良的污染风险及可行性，并确定土壤、污泥的最佳混掺比例，以期为泉州市矿山生态环境修复及污泥的资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤及污泥的采集

试验污泥来源于泉州市永春污水处理厂城市污泥。永春污水处理厂位于永春县桃城镇济川村，服务范围为永春县城区规划区，2006年1月开始运行，采用Carrousel-2000氧化沟工艺；土壤来源于泉州市永春县景山高岭土矿区（117°55′22″E —117°55′29″E，25°24′53″N — 25°24′57″N） 的 采 矿剥离土，土壤类型为红壤。样品取回后存放于4℃冰箱内，取回当日测样品含水率、pH和有机质含量，污泥和土壤样品在避光处自然风干后剔除其中杂质备用。

1.2 分析测试方法

试验污泥和土壤的含水量采用重量法105℃烘干后称重（NY/T 52 — 1987）；pH采用酸碱度计测定，土水比1∶2.5（NY/T 1121.2 — 2006）；质地分析采用筛分+比重法（NY/T 1121.3 — 2006）；有机质含量采用重铬酸钾氧化稀释热法-容量法（NY/T 1121.6 — 2006）；总氮含量采用半微量凯氏法-容量法（NY/T 53 — 1987）；碱解氮、有效磷、速效钾含量均采用提取比色法；总磷含量采用离子色谱法（NY/T 1121 — 2006）；总钾含量采用乙酸铵提取-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计测定（GB/T 17137、GB/T 17138、GB/T 17139、GB/T 17141）。测定的城市污泥及矿区土壤的基本理化指标、养分含量和微量元素指标见表1。

1.3 研究方法

（1）试验设计：试验在淋溶土柱中进行，土柱高30 cm，直径10 cm，底部设渗滤液收集池，土柱周围设防护罩，防止水分蒸发。淋溶土柱设计见图1。土柱下部填入10 cm矿渣，上部填入土壤与污泥混掺物。装填时，按照现场监测的土壤含水量和容重，将物料分层充填压实。每组处理做5次重复。每天用去离子水进行灌溉，灌溉量20 mm，连续灌溉15 d。试验开始后20 d时，取土柱内的土壤污泥混掺物均匀混合，每组处理的每次重复各取1个样品，共取样品20个，同时取滤液样品20个。

（2）试验处理：整个试验共设计4组处理，每组处理做5次重复，具体试验处理如下：

试验处理1（LT1），土壤与污泥干重的混掺比例为5∶1；试验处理2（LT2），土壤与污泥干重的混掺比例为5∶2；试验处理3（LT3），土壤与污泥干重的混掺比例为5∶3；试验处理4（LT4），土壤与污泥干重的混掺比例为5∶4。

（3）测定项目：试验前主要测定土壤和城市污泥理化性质、肥力、微量元素等各项指标的初始值；试验结束再次测定土柱填充物的理化性质、肥力、微量元素等各项指标终点值以及渗滤液的微量元素含量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010 进行原始数据处理、分析。

2 结果与分析

2.1 污泥泥质及土壤肥力分析

根据《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质（CJ/T 309 — 2009）》，将污泥按污染物浓度分为A、B两级。A级污泥允许施用于蔬菜、粮食作物、果树等作物；B级污泥适用于油料作物、果树、饲料作物、纤维作物的施用，不能施用于蔬菜、粮食作物。A、B两级污泥规定的重金属浓度限值见表2。

表1 城市污泥及矿区土壤各指标初始值Tab.1 The initial values of each index of urban sludge and soil

图1 土柱淋溶实验设计示意图Fig.1 The schematic diagram of soil column leaching experiment

结合表1、表2，试验污泥中Zn、Cu浓度分 别 为（2817.00 ± 99.30）mg ∙ kg-1、（602.20 ±11.40）mg ∙ kg-1，超出 A 级污泥浓度限值，其它重金属含量均未超出A级污泥污染物限值；但各污染物都未超出B级污泥浓度限值。

按照全国第二次土壤普查推荐土壤分级标准（张凤荣等，2014），污泥中除速效钾含量较低外，有机质、全氮、速效氮、速效磷含量远远大于一级肥力的含量，具有很高的肥力。矿区土壤中除速效磷含量分级达到一级外，其余各养分含量分级均为四—五级，即“低或很低”。

由以上数据可知，污泥具有很高的肥力，而矿区土壤肥力相对贫乏，污泥中Cu、Zn浓度超出A级污泥浓度限值，但各重金属含量均未超出B级污泥浓度限值，试验污泥适宜于污泥农用，可施用于油料作物、果树、饲料作物、纤维作物，不能施用于蔬菜、粮食作物。

2.2 污泥添加对地下水污染的风险评估

试验处理后4组处理的污泥与土壤配比的渗滤液微量元素分析数据见表3。

表2 A、B两级污泥重金属浓度限值Tab.2 Limit value of heavy metal concentration of class A and class B sludge

表3 渗滤液中微量元素浓度数据Tab.3 Trace element concentrations in leachate / (mg ∙ L-1)

依据国家地下水质量标准（GB/T 14848 —93）中设定的地下水质量分类指标，LT1渗滤液中除As的含量处于Ⅲ类水质外，其余微量元素含量均符合Ⅰ类水质含量；LT2渗滤液中Cu、As符合Ⅲ类水质含量，其它微量元素均符合Ⅱ类以上水体微量元素含量；LT3渗滤液中除Pb、As符合Ⅲ类水质含量，其它微量元素均符合Ⅱ类以上水体微量元素含量；LT4渗滤液中除As符合Ⅲ类水质含量，其它微量元素均符合Ⅱ类以上水体微量元素含量。

2.3 土壤、污泥最佳混掺比的确定

试验处理后取各处理中土壤样品进行分析，分析数据见表4。

表4 试验处理后土壤理化性质与肥力测定结果Tab.4 Determination of soil physical and chemical properties and fertility after test

按照全国第二次土壤普查推荐土壤分级标准，将4组处理的土壤进行肥力分级，4组处理的土壤分级分别见表5。

由表5可知，4组处理中，速效钾含量分级均为六级“极低”，全氮、速效磷含量分级均为一级“很高”，有机质含量分级除LT1为二级外，其它处理均为一级，速效氮含量分级随污泥含量增加肥力递增，其中LT4速效磷含量分级最高，为一级“很高”。从土壤肥力角度分析，污泥混掺量越大，土壤肥力整体最好，但也应适量施入一定量的钾肥。

试验处理后，测定的土壤pH及重金属含量见表6。

表5 4组处理中土壤分级Tab.5 Soil classif i cation in four treatments

表6 试验处理后土壤pH及重金属含量Tab.6 PH value and heavy metal content of soil after treatment / (mg ∙ kg-1)

国家《土壤环境质量标准（GB 15618 — 1995）》将土壤环境质量分为三类，其中，第Ⅲ类土壤主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤（蔬菜地除外），且规定第Ⅲ类土壤环境质量执行第三级标准规定的土壤临界值，即本试验应执行土壤环境质量第三级标准。由表6可知，随着污泥混掺量的增加，各重金属的含量呈升高趋势，因此，从土壤重金属污染角度分析，污泥混掺量越小，土壤受污染风险越低。

按照三级标准要求，第Ⅲ类土壤中Zn的含量要≤500 mg ∙ kg-1，4组处理中，LT3、LT4中 Zn的含量均超标，相应配比的混掺物不可作为矿区附近农田土壤；LT1、LT2中各重金属含量均能满足第三级标准的要求，可应用于矿区附近农田种植，且LT2处理的土壤肥力较LT1处理大。

综上分析，LT2处理中土壤、污泥干重混掺比5∶2为最佳土壤、污泥干重混掺比，即该市政污泥用于矿区土壤改良时，矿区土壤和市政污泥干重比在5∶2左右时，混合土壤具有最大肥力且满足土壤环境质量第三级标准的要求。

3 结论与讨论

（1）市政污泥改良矿区土壤适宜性

永春县景山高岭土矿区土壤除速效磷含量较高外，其余养分含量分级为四 — 五级，即“低 — 很低”；永春污水处理厂污泥中除速效钾含量较低外，其余养分含量分级均远大于一级，即“很高”；污泥中Cu、Zn浓度超出A级农用污泥浓度限值，但各重金属含量均未超出B级农用污泥浓度限值，试验污泥可施用于油料作物、果树、饲料作物、纤维作物，不能施用于蔬菜、粮食作物。杨军等（2009）对我国部分污水处理厂污泥统计结果表明，我国污泥重金属Zn含量最高，Cu、Cr次之，毒性较大的Cd、Hg、As含量较低，这和本研究结果相一致，且本试验污泥中Cd、Hg、As的含量远低于其统计结果。郭广慧等（2014）从全国范围内选取了98个城市污泥样品，城市污泥中有机质、总氮、总磷及总钾的平均含量分别为280 g ∙ kg-1、29.6 g ∙ kg-1、22.2 g ∙ kg-1和 5.83 g ∙ kg-1，与本试验研究结果相比，除有机质含量稍低外，本试验污泥中其他养分含量远高于其统计结果。

（2）污泥施用对地下水的污染风险

通过对土柱淋溶试验终点4组处理的渗滤液微量元素进行分析，各微量元素含量均满足地下水质量标准（GB/T 14848 — 93）中Ⅲ类地下水质量要求。谭国栋（2011）选取北京高碑店污水厂污泥与通州区农田土壤混掺后进行土柱淋溶试验，对淋滤液检测发现淋滤液中各重金属含量均满足Ⅲ类以上水质要求。俞珊等（2010）利用土柱淋溶试验研究了绵阳市塔子坝污水厂污泥施用于农田土壤后Cu对地下水污染的风险，发现淋滤液最高峰Cu的浓度远低于Ⅲ类水质标准，周海浩（2011）的研究也得出了相似结论。这些研究表明市政污泥的适量施用，造成地下水污染风险较小。

（3）土壤、污泥最佳混掺比例

通过对土柱淋溶试验终点各处理的土壤样品的土壤养分及重金属含量进行测定分析，综合分析土壤肥力及重金属污染因素，该试验中最佳土壤、污泥干重混掺比为5∶2，由于矿区土壤及市政污泥中速效钾含量均较低，故在按土壤、污泥干重最佳配比施用时，可适量加入一定量的钾肥。安康（2014）通过盆栽实验分析了不同比例污泥施肥对植物生长影响和重金属累积情况，发现在30%的堆肥污泥和70%的土壤混合处理具有最高的植物出苗率和成活率，而最适宜的施肥量应该是在施肥量占总重量的40%以下，即30%堆肥污泥和70%土壤为最佳配比，这和本试验研究结果5∶2相近。

综上所述，城市污泥用于矿区土壤改良是一种经济有效的处置方式，既解决了污泥处置问题，又促进了矿区生态环境的恢复。但特别要注意的是，要根据污泥中的有毒有害物质，特别是重金属含量确定其施用比例，以免对改良土壤造成污染。此外，在合理施用的同时，还应定期对污泥、土壤、农作物进行监测，以控制重金属等有毒有害物质的累积，保证土壤养分的充足，使得污泥施用更加安全有效。

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