城市污泥的土地利用及其环境影响研究进展

刘学娅，赵亚洲，冷平生

（北京农学院/北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京102206）

0 引言

城市污泥是污水处理厂在处理污水过程中产生的组成极其复杂的沉淀物，含有病原菌、寄生虫卵及难降解的有机物、重金属等有毒有害物质，若处理不当会引起环境二次污染。据《2014中国环境公报》，至2014年底，全国城市污水处理厂达1797座，累计处理污水382.7亿m3，产生的污泥数量巨大。2014年国家环保部公告对污泥处理处置要稳定化、无害化和资源化，未达到标准的污泥严禁进入耕地，取缔非法污泥堆放点，对现有污泥处理处置设施的达标改造于2017年完成，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%以上，因此，迫切需要加快对污泥安全处置的研究。目前城市污泥处置方法包括焚烧、填埋、土地利用等多种方式，各有利弊，其中城市污泥的土地利用是中国以及国际上污泥处置的主要途径。如何发挥污泥改良土壤和提高肥效功能，同时通过污泥前处理技术与植物富集技术降低二次污染，探索城市污泥在绿地、林地、矿山、荒山、废弃地等的应用，避免涉及作物食物链而危害人类健康，近年开展了广泛的研究。笔者综述了国内外城市污泥的主要处置方式、土地利用前处理方式，以及在污泥土地利用过程中的环境影响及植物对污染物质的修复功能，旨在为城市污泥的资源化安全利用寻求更加合理的途径。

1 城市污泥处置方式

主要发达国家与中国污泥处置方式所占比例见表1[2-3]。从表中可以看出，填埋在污泥处置方法中仍占相当大的比重，低廉的处理成本和简单的处理程序是这种方法仍被使用的原因。焚烧相较于填埋更先进环保，但要求较高的技术和成本，在日本焚烧是污泥主要处置方式，近年在中国一些大城市污泥焚烧受到重视和得到较快的发展。土地利用是大多数国家处理城市污泥的主要方法，占污泥处置量的一半左右。污泥的其他资源化利用主要指与黏土、页岩、煤矸石、粉煤灰等混合，用于制作建材用砖和水泥等，其所占比例在中国为15%，其他国家极小。

表1 各国污泥处置方法所占比例 %

1.1 填埋与焚烧

填埋曾是城市污泥的主要处置方式，但随着污泥产出量的剧增，适宜填埋的土地越来越有限，而且城市污泥中的有毒有害物质种类多，成分复杂，易污染土壤和地下水，且污泥含水量高，直接填埋操作困难，污泥填埋处置日渐减少。焚烧是十分有效的污泥减量化手段，是日本处置污泥的最主要方式，在中国占比仅3%，但近年在一些大城市焚烧占比快速增加。由于污泥中有机质及纤维素木质素的存在，热值可达12～15 MJ/kg，可作燃料，用于发电等，在火力发电厂中，一般将污泥进行脱水处理后直接与煤炭进行掺烧，处理含水量为70%的湿污泥1 t需掺烧1.685 t燃煤，会产生0.21 kg CO、175.09 kg CO2、6198.01 g NOx、534.77 g SOx及107.07 g HCl[4]。焚烧充分利用了污泥中的能源，不需要作灭菌的处理，但焚烧产生的气体易造成二次污染，且一般要进行脱水前处理，增加了处置费用。

1.2 土地利用

1.2.1 农业应用 城市污泥在农地上的应用有很长历史，可显著改良土壤，提高土壤肥力。中国城市污泥的氮、磷、钾含量高，平均可达48.3 g/kg，与纯猪粪和猪厩肥相比，全氮含量高31%和188%，全磷含量高59%和204%，钾的含量相对较低，比纯猪粪和猪厩肥分别低38%和62%[5]。城市污泥中有机质含量丰富，能改良土壤结构，在一定范围内土壤结构系数、孔隙率、透水率和持水量均随污泥施用量的增大而增大,土壤容重和表土抗剪力则随之减小[6]。此外，污泥在增加土壤有机质和矿质养料同时，土壤中的微生物数量和活性也有显著提高，从而提高土壤酶活性，促进土壤中的生物化学过程[7-8]。因此，将城市污泥应用于农作物的生产，可显著提高产量和品质，如施用适量城市污泥或其堆肥后，油菜、中国甘蓝、椰菜、棉花、冬小麦、水稻等的产量均有明显增加[9-13]。在早期，将城市污泥直接应用在农地中是中国污泥的主要利用方式，但由于污泥中含有重金属与多环芳烃(PAHs)等有机有害物质，施用于耕地时，会增加土壤中这些有害物质的含量，并进入作物中，危害人类健康，因此，国家环保部已明文禁止处理处置不达标的污泥进入耕地。但也有报道，适量施用污泥并不会显著增加土壤中有害物含量，作物中重金属等的含量能达到国家标准[14]，这可能与污泥的来源及前处理相关，一般市政污水污泥重金属含量并不高，因此，对污泥的农用应有严格的监测和控制。

1.2.2 园林应用 将污泥用在农地上，存在有害物质进入作物食物链的风险，如果应用在园林绿化与生态恢复上，就能避免食物链污染风险，是极有前景的污泥土地利用途径，相关的研究与应用在逐渐增加。研究表明，随污泥或污泥堆肥施用量增加，黑麦草、紫羊茅、无芒雀麦、马尼拉草和白三叶等的盖度、密度和生物量均显著增加，无芒雀麦总根量连续3年都增加[15-17]。施用5%～10%污泥堆肥后，草坪草叶片叶绿素含量均显著增加，且随着用量的增加而增加，这对提高草坪草的成坪性与观赏价值极为有利[18]。因此，城市污泥在草坪草生产和草地方面的应用受到重视，包括家庭草坪、公园草坪、公共绿地、高尔夫球场及足球场等运动场草坪等，同时也可用于生产草坪基质，直接用于草坪草生产。将污泥堆肥施用于月季、美人蕉、旱荷花等观赏性花卉植物时，花卉的花径增大，花期延长，花量增加，显著提升了观赏价值，当污泥施用量不超过90 t/hm2时，不会造成环境污染[19]。

1.2.3 林地应用 人工林地很少像农耕地一样施肥，如果立地条件差，树木往往因营养缺乏而生长缓慢，若能利用城市污泥补充林地养分是一条变废为宝的有效途径。研究表明，施用城市污泥能显著促进松树、火炬松和生长，生物量增加，同时也促进了林中的灌木和草层植被的生长[20]。在雨季将城市污泥分别施用于平原林和丘陵林地的6年生毛白杨，平原林中毛白杨胸径净生长量和株高净生长量分别比对照高5.3%～17.6%和1.7%～13.3%，丘陵林地中比对照高1.2%～5.8%和3.6%～32.1%，污泥施用量为75 kg/株时效果最佳[22]。将制革污泥施用柳树林时，柳树年轮较宽，心材颜色深，早材管胞的长度、弦向直径、射线频率和高度、壁的厚度均显著高于对照[23]。在林地大量施用污泥有可能增加环境中有害物含量，但如果控制好污泥施用量，在多种林地如杨树、泡桐、油松等施用污泥，重金属均累积于土壤表层，未向下层转移，未引起地下水污染[24]。

1.2.4 生态恢复 在矿山以及其他工程创面，如道路边坡等，由于缺乏土壤或土壤贫瘠，立地条件差，在进行生态恢复时一般需要大量客土，有些项目直接挖取耕地土壤，对周边土壤资源造成破坏。将污泥应用在生态恢复中，可部分解决客土来源不足问题。

在城市污泥恢复美国芝加哥富尔顿的煤矿废弃地的试验中，土壤耕性、透水性和CEC值得到改善，并为植物生长提供了充足的养分[25]。对山西省塔山煤矿煤矸石山生态修复实验中也得到类似结论，将污泥、粉煤灰、煤矸石和土壤按比例混合，混合基质有效氮、磷、钾含量均高于对照土壤，显著促进了恢复植物柠条、紫穗槐和二色胡枝子的生长[26]。由于城市污泥中N和P含量丰富，在缺N和P的土壤恢复中效果更好，如利用城市污泥对科尔沁沙地土壤进行改良，显著增加了退化沙地中的N、P含量[27]。城市污泥的施用不仅能增加矿山贫瘠土壤的养分进而促进植被恢复，并且污泥自身的粘性、持水性和保水性等能显著改善矿山废弃地的土壤的结构稳定性和持水保水能力，明显减少水土流失。在对坡度为28°的灰岩采石场废弃地上施用城市污泥，无论坡面上是否种植植被，在模拟降雨试验(64 mm/h)中，均减少了坡面水土流失10%以上，在施用范围为200～400 t/hm2时，降低程度与污泥的施用量成正比[28]。

2 城市污泥前处理

污水厂的新鲜污泥含水量高，成分复杂，一般在土地利用前有必要进行前处理，以降低污泥含水量和体积，便于运输和施用，以及降低甚至除去病原菌、寄生虫卵、有毒有害有机物、重金属等。有研究表明，直接施用原始制革污泥，水稻的生长受到抑制，产量下降27%；脱毒后施用则促进水稻生长，产量增加16.95%，并且水稻苗期叶绿素含量增加17.3%，生物量也增加了17.96%[29]。

2.1 脱水处理

城市污泥含水率在97%左右，过高的含水量给污泥的运输和后续处置带来了极大不便，因此，城市污泥在土地利用前进行脱水是重要的一步。目前常用技术有超声波脱水技术、微波脱水技术、絮凝脱水技术、电渗析脱水技术、热水解脱水等，这些技术已经较为成熟，但成本相对较高。生物沥浸法是一种快速调理深度脱水的新方法，近年得到广泛重视。该方法是将污水处理厂浓缩液态污泥泵送到含有专用复合微生物菌群的生物沥浸反应器中处理约2天，通过微生物替代效应、生物氧化与生物酸化作用使污泥中束缚水变成较易脱除的自由水，同时使污泥中重金属溶出进入水相并杀灭污泥中病原物[30]。与其他脱水技术相比，生物沥浸法具有不需要添加絮凝剂，脱水率、病原菌杀灭率与重金属去除率高，有机质及氮磷等有益成分含量不被破坏，处理过程无臭味及一次投入长期使用等优点，是一种既高效环保又廉价易行的脱水方法。

2.2 无害化处理

2.2.1 污泥堆肥 污泥堆肥是污泥稳定化及无害化最常见的方法，堆肥时发生一系列的物理、化学、生物变化，能有效地杀灭病原体，降低有机污染物含量及钝化重金属等。在堆肥过程中，污泥中的重金属绝对含量虽不会变化，但其生物活性较高的存在形态比例降低，如交换态和碳酸盐结合态；而铁锰氧化物结合态、有机物结合态等重金属的稳定态比例升高，从而降低了污泥中重金属的毒害作用，如表2所示。污泥堆肥时添加适当秸秆、粉煤灰、磷矿粉、沸石和草炭等，能调节城市污泥的含水率及C/N，增加空隙度，促进重金属活性降低[31]。将污泥与木屑以鲜重2∶1混合，加入不超过1%生石灰进行堆肥，发现加入石灰显著降低了铜、锰、铅和锌4种重金属的可交换态含量和酸提取率，且当石灰的用量不超过1%时不会降低种子发芽率[32]。分析氯苯类、邻苯二甲酸酯类和苯系物等毒性有机物在堆肥前后的含量发现，各种毒性有机物在堆肥后降解率均在60%以上，部分达到90%[33]。经过堆肥处理的污泥可直接土地应用，是目前污泥安全利用的主要方式。

表2 堆肥前后污泥中重金属各形态比例变化 %

2.2.2 消化处理 消化处理包括厌氧消化和好氧消化2种方式。污泥厌氧消化过程是指污泥中的大分子有机物在厌氧微生物的作用下分解，在反应过程中杀灭病原菌。污泥厌氧消化在国内外应用广泛，可达到减量化、稳定化和无害化的目的，但是厌氧消化对设备要求高，并且消化后的污泥含水率仍然较高；好氧消化是指不投加底物，直接对污泥进行长时间的曝气，使污泥中微生物进行自身氧化，其优点是污泥消化程度高，体积减少明显，运行管理简单，但反应过程受温度影响大，对病原菌的去除效果不如厌氧消化法，且费用高[34]。

2.2.3 药剂稳定法 药剂稳定法是指加入化学药剂如碱性物质、硫化物或磷酸盐等与污泥中的重金属发生反应生成沉淀，从而使重金属固定在污泥中[40]，从而达到无害化的目的。加入石灰等碱性物质，能调节污泥pH，使重金属离子生成难溶的氢氧化物，此外，碱性物质能与污泥中的羟基、羧基等官能团发生反应生成碳酸根并进一步与重金属结合生成碳酸盐沉淀，同时也能够增加污泥表面的可变电荷，减弱其对重金属的专性吸附能力[35]。污泥中的一些微生物如硝酸盐还原菌和酸化细菌等能将硫酸盐还原为S2-，污泥中的重金属与S2-结合成稳定的硫化物沉淀，从而达到钝化重金属的目的[36]。

2.2.4 热喷处理 热喷处理是是近年来发展起来的新的污泥处理方法，处理过程是将污泥置于压力罐内，通入蒸汽，使之达到高温高压，短时间保持后瞬时全部放压。热喷处理具有诸多优点，例如有效除臭，处理时间短，无害化程度高，还可提高水溶性有机物和速效氮磷含量，使污泥的养分供应能力提高[37]。

3 城市污泥土地利用的环境污染

3.1 N和P过剩

纯污泥氮磷含量平均值远高于中国纯猪粪的含量[5]。Esteller等[38]比较了施用污泥、污泥堆肥与化肥后氮磷在土壤中的淋溶性，随着土壤中氮磷含量增加，其淋溶量迅速增加，而与其离子形态（铵态氮或硝态氮）关系不大。在城市污泥土地利用时，如果施用量过高，过多的N、P由于雨水淋洗与冲刷等进入地表水和地下水，会造成水体的污染和富营养化。对NO3--N淋溶污染地下水问题，世界各国都高度重视，中国政府1985年规定，饮用水中NO3-不得超过20 mg/L，美国规定NO3-低于10 mg/L；此外，含盐量高的污泥会导致土壤的电导率的明显增大，养分之间的平衡受到破坏，抑制植物对养分的吸收，甚至会直接对植物根系造成伤害，土壤有效养分如K+、NO3-、NH4+等也会由于离子之间的拮抗作用淋失加速[39]。

3.2 重金属污染

杨军等[40]调查了全国107个城市污水处理厂污泥中的重金属含量（表3）。不同来源的污泥重金属含量相差很大，一般生活污水污泥重金属含量偏低，而造纸厂等工业污水含量偏高，总体上，污泥中Cd、Cu、Hg、Zn含量高，而As、Cr、Ni、Pb含量偏低。一般土壤重金属含量随污泥施用量的增加而增加，长期施用污泥会显著增加土壤重金属总量，其中，Cd、Pb和Cu迁移性相对较高，易从土壤中转移到植物体内，从而进入食物链，带来健康风险，Zn、Cu和Pb可能污染土壤或污染浅蓄水层[41]。上官宇先等[42]采用大型土柱自然淋溶方法，分析淋溶4年后不同土壤、不同深度重金属含量与形态变化，表明重金属主要保留在土壤表层，而30 cm以下土层含量与背景值相差不大，不同土壤中重金属含量为砂土＜潮土＜黑土＜红壤，土壤中重金属保留少，通过淋溶流失到浅层水的重金属就多。

表3 107个污水处理厂重金属含量统计mg/kg

3.3 有机物污染

城市污泥中的有机污染物主要是多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和、有机氯农药(OCPs)、抗生素等，在环境中具有持久性、生物累积效应和放大效应，其中很多化合物属于美国EPA的“优控污染物”，具有致癌性、致畸性和致突变性。对中国的11个城市的污泥进行多环芳烃测定分析，发现各城市污泥中PAHs的含量在 2.27～143.8 mg/kg 之间[43]。对 1942—1961年间连续施用污泥农田进行了PAHs长期追踪检测发现，到1984年，施用污泥后土壤中PAHs浓度增加了3倍多[44]，足见PAHs污染的持久性。有机污染物还会在植物体内积累从而进入食物链，例如，用广州市大坦沙污水处理厂的污泥施肥栽种通菜，收获的通菜植株中多种有机污染物含量比对照高10倍多[45]，无论作为饲料或直接食用都将危害人体健康。

4 植物对土壤的修复作用

国家已明令禁止未经过处理的污泥直接施用耕地上，经过前处理的污泥其有害物含量明显降低，但长期、大量施用仍可能对土壤产生重金属、有害有机物与生物污染，在植物生长过程中，植物根系和土壤中的微生物及有害物质相互作用，降解和富集有害物质，从而达到修复土壤的目的。

4.1 对重金属的富集作用

植物对土壤中的重金属具有螯合、转移的功能，对重金属超累积植物富集作用的研究已成为国内外环境科学与污染生态学的热点。目前已报道了400多种超富集植物，如三叶草、东南景天、蕨类、蒲公英、菊芋等等，都对多种重金属元素有很强的超富集作用[45-46]，在污染土壤种植超富集植物，将重金属元素从土壤中转移到植物体内，再进行收获和集中处理，达到修复土壤的目的，近些年受到广泛重视。已知超富集植物主要是草本植物，草本植物生物量低、根系浅、生长周期短，实际修复效率并不高，而木本植物生物量大、根系分布范围广，生长周期长，维护成本低，即使其富集系数相对较低，但其转移土壤重金属效果可能更好。对桧柏苗施用不同量污泥，随着污泥施用量增加，土壤与植株内重金属含量随之增加，重金属在土壤—桧柏系统中的迁移能力依次为Cd＞Zn＞Co＞Hg＞Cr＞Pb，在桧柏体内蓄积分配规律为幼根＞叶片＞老根、茎[47]。不同木本植物富集重金属的能力差异很大[48]，但目前仍了解不多，今后应加强对木本植物在土壤修复方面的研究。

4.2 对有机废弃物的降解作用

植物对土壤中有机污染物的作用主要是通过根际微环境实现的，根系分泌物和脱落物提高了微生物数量、种类和活性，并提供丰富的共代谢底物，促进根际环境中有机有害物的微生物降解。研究表明，植物根系附近污泥PAHs含量明显低于非植物区，种植植物土壤与不种植植物土壤中芘的降解率分别为30%和4.3%，这与根系附近土壤微生物多样性和活性明显增强相关[[49]。苜蓿与降解菌株联合修复的PAHs降解率在25.69%～45.61%之间，远高于只接种菌剂和只种植植物的处理组[50]；在菲胁迫黑麦草的试验中，约77.57%的菲被降解，其中非生物因子作用仅占土壤中菲总量的19.41%，微生物作用占44.08%[51]，表明植物与根际微生物的协同作用可促进有机污染物的降解。此外，植物根系能分泌的过氧化物酶和漆酶等能降解有机污染物，从而促进土壤中有机污染物降解，如6种植物对土壤中十溴联苯醚(BDE-209)修复60天后，土壤中BDE-209含量下降显著，最高达40.44%，其中狼尾草修复效果最好，且根际土壤去除率明显高于非根际土壤[52]。

4.3 对土壤微生物的作用

在土壤施用污泥后，土壤微生物群落结构会发生很大变化，主要表现为外来的微生物显著增多，如Sopper报道，施用污泥改良土壤，细菌数和真菌数分别增加4×106～6.3×107个/g和1.8×105～4×106个/g，分别比不施用污泥的土壤高5～10倍和3～4倍[53]。随着植物的生长，在根系和土壤环境的作用下，土壤有益微生物会增多，而有害微生物会逐渐减少，其中植物根系分泌物发挥了重要作用，这些分泌物包括大量的糖、蛋白质、多种次生代谢物质等等，给微生物提供养料并形成植物根系-微生物-土壤共同体，形成不同植物特有的根际环境。在芒草根系分泌物对多环芳烃降解的研究中发现，添加根系分泌物能有效地促进细菌的生长[54]，从而促进对多环芳烃的降解。此外植物根系分泌物质在形成土壤结构、活化土壤养分及缓解环境胁迫等方面都具有重要作用。

总之，城市污泥土地利用重点在园林绿化、森林培育、生态恢复等领域，根据立地条件和环境质量要求，适当污泥前处理后进行土地利用，并控制污泥用量，既发挥污泥肥沃土壤的功能，又能避免通过食物链危害人类，并充分发挥植物对土壤污染的修复功能，实现污泥减量化、资源化、安全化利用。

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