市政污泥堆肥对矿山废弃地生态恢复影响的研究进展

查 金, 贾宇锋, 刘政洋，刘建国, 罗 云, 华 锐, 周 平, 宗世荣, 李云驹, 祁光霞*

1.北京工商大学生态环境学院，北京 100048 2.清华大学环境学院，北京 100084 3.昆明滇池水务股份有限公司，云南 昆明 650000 4.云南磷化集团有限公司，云南 昆明 650600

市政污泥作为城市污水处理的副产物，产生量大，2017年我国市政污泥产量超过4×107t，至2020年预计为6×107～9×107t[1]. 市政污泥组成十分复杂，除含有大量有机质(223～567 g/kg)及植物营养元素氮(7.8～48.8 g/kg)、磷(2.1～62.6 g/kg)、钾(2.8～16.1 g/kg)外，还含有病原微生物、重金属、毒性有机污染物等，如若不进行妥善安全处置，将会对生态环境质量造成重大影响，因而污泥的处理处置面临着巨大压力[2-5]. 目前，我国污泥处理技术主要有厌氧消化、好氧发酵、好氧堆肥、石灰稳定法、热处理等，而沼渣或稳定化产品的最终处置路径主要为填埋、土地利用、焚烧、海洋倾倒和建材利用等[6-8]. 与填埋、焚烧、厌氧消化和建材化等技术相比，污泥“好氧堆肥(稳定化)+土地利用”技术路线因能最大限度地实现物质循环以及碳捕集等积极的生态效应而日益引起国内外专家学者的关注[9]. 另一方面，伴随经济的高速发展，我国矿山开采破坏的土地累计面积已达2.88×106hm2，并且每年以8%～9%的速率增加[2]. 矿山废弃地由于表层土壤和植被破坏，后续极易出现塌方、水土流失、泥石流、“天坑”等严重的地质灾害，也容易因地表景观破坏而导致水体污染(如磷矿山废弃地带来的面源污染)、大气污染和生物多样性损失等生态环境问题[10]. 加强矿山废弃地生态环境恢复成为人与自然和谐共处的必然选择. 一般情况下，矿山开采后通过自然演替恢复土壤生态系统到原始状态需要100～1 000 年，如若开采后的废弃地没有表土，则需要 1 000 年以上[11]. 因此，为推动具有健康的微生物群落结构、完善的物质循环路径和旺盛生产力的土壤生态系统快速建立，开发相应的矿山快速修复技术显得尤为重要[12].

近30年来，有研究者尝试将市政污泥进行堆肥稳定化处理，最终将其稳定化产物应用于各类矿山废弃地进行生态修复，对其可能产生的正面和负面生态影响进行了评价. 该文基于国内外市政污泥好氧堆肥产品理化特性分析，结合矿山废弃地特点及国内外关于污泥堆肥应用于矿山废弃地生态修复可能产生的生态影响及其机理进行介绍，从系统生态学角度分析该技术路线的可行性和安全性，以期为市政污泥处理处置和矿山废弃地生态修复协同处理技术路线提供参考和依据.

1 污泥堆肥产品理化特性及应用于矿山修复潜力

污泥好氧堆肥是指依靠自然界中微生物，人为控制可被生物降解的有机物分解转化生成稳定的腐殖质的生物学过程[13]. 在该过程中，市政污泥含有的大量病原微生物被杀死，腐殖质大量形成，而重金属可生物利用性降低，尤其通过调控堆肥过程工艺参数可提高污泥堆肥产品的品质，从而保证其后续施用的安全性和有效性.

矿山废弃地由于表土层破坏导致土壤物理结构不良，持水保肥能力差，尤其是氮、磷、钾和有机质等营养物质不足(有机质含量为1.61%～2.86%，总氮含量为0.8～1.3 g/kg，数据来自西南某磷矿山废弃地2016年内部调研报告)，缺乏植物生长的基本条件，成为影响矿山废弃地复垦修复进程的主要限制因素. 国内外污泥堆肥在理化性质和重金属含量方面的对比分析(见表1、2)显示，与西班牙、葡萄牙、波兰等农业较为发达的国家的污泥产品相比，我国污泥堆肥产品的有机质和总氮含量(分别为21%～48%和4～19.2 g/kg)偏低，而总磷和总钾含量基本相当，分别为5～41和2.3～54 g/kg. 由此，市政污泥堆肥应用于矿山生态恢复具备技术可行性.

对于污泥堆肥含有的主要污染物重金属，其总的含量与国外污泥堆肥产品基本在同一水平，因而我国市政污泥堆肥产品土地利用对矿山土壤改良的效能以及由此带来的生态风险可借鉴国外已有的研究案例. 值得注意的是，对于特定的重金属含量，我国不同区域的污泥堆肥产品存在较大差异，可能原因是，我国幅员辽阔，不同区域地理气候特点、工业布局和经济发展水平导致污水组成和污水处理系统设置有所差别，另外采用的有机辅料的重金属污染水平也各不相同. 总体来说，我国污泥堆肥的Cu和Cd含量与国外污泥含量基本相当，分别为74～304和0.54～3.0 mg/kg，而Cr和Ni含量较之国外污泥堆肥偏高(Cr为nd～150 mg/kg，Ni为nd～373 mg/kg)，Pb和Zn含量则有所下降(Pb为4.8～70.5 mg/kg，Zn为217～871 mg/kg).

此外，我国污泥堆肥产品理化性质地域差别较大，污水泥沙量较大的西北、西南地区的污泥堆肥产品有机质含量仅为华东地区的一半，但总氮和总磷水平较高，因而我国西北、西南地区的污泥堆肥产品用于矿山修复的生态影响及效果与其他国家/地区会存在一定程度上的差异.

表1 国内外部分地区污泥堆肥产品理化性质对比

表2 国内国外部分地区污泥堆肥产品重金属含量对比

2 污泥堆肥应用于矿山废弃地修复的生态影响

污泥堆肥施用于矿山废弃地后，将对土壤的理化性质和土壤微生物结构功能构成影响，由此影响植物的生长以及有毒有害物质(重金属、毒性有机物等)的迁移转化. 图1给出了污泥用于矿山废弃地生态恢复的综合影响示意，污泥所含营养物质能够显著改善土壤理化性质和土壤微生物活性，从而促进植物生长，同时植物根际微生物代谢及所分泌的有机酸(如柠檬酸)反过来又对土壤质地、孔性、pH和有机质等理化性质进一步改良，而微生物代谢促进原生矿物的风化形成活性次生矿物，进一步对土壤结构性质构成影响，从而构成良性循环. 污泥所含重金属等污染物也将在降雨渗流、微生物和植物根系的共同作用下淋溶进入地下水，通过地表径流进入地表水或被植物吸收进入植物体.

注：引自文献[30]，但有小幅修改. 图1 污泥堆肥用于矿山废弃地生态恢复的综合生态影响示意Fig.1 Schematic diagram of ecological effect of sewage sludge compost applied for abandoned mine remediation

2.1 污泥堆肥对矿山废弃地土壤生态系统的改良效果

2.1.1对土壤理化性质的改良效果

已有的实验室或现场场地试验结果显示，污泥堆肥施用于矿山废弃地后会对土壤的理化性质具有显著的改良效果，具体反映在土壤pH、EC(电导率)、OC(有机碳)、总氮、总磷、总钾、CEC(阳离子交换容量)、铁锰氧化物含量等理化指标参数上. 表3总结了污泥堆肥用于矿山生态恢复的土壤pH、EC和OC变化的部分研究结果. 由表3可以看出，不同pH下的矿山废弃地在施用污泥堆肥后的土壤理化性质改善状况并不完全一致. 对于弱碱性矿山废弃地，在一定堆肥施用量条件下，土壤pH仅出现小幅下降，而对于酸性矿山废弃地，土壤pH有所提高，这得益于污泥堆肥优异的酸碱缓冲性能. 无论是酸性矿山土还是碱性矿山土，EC和OC提升效果明显[31-34]. 另外，Sevilla-Perea等[31]开展的场地试验还评估了施用污泥堆肥(75 t/hm2)对FC(土壤田间持水量)、土壤大量元素(钙、镁、钠、氮、磷等)和DOC(溶解性有机碳)等参数的影响，发现FC提高了29.4%～41.2%，土壤NO3-和PO43-含量均提高了30～70倍，氮、磷、钾元素含量平均提高1.4倍以上，钙、镁和钠含量提高75%以上，DOC含量增加了6～8倍. 总体而言，不论是对于酸性还是碱性矿山废弃地，污泥堆肥对土壤理化性质都有相当的改善效果，但污泥堆肥施用于碱性矿山废弃地对附近水质恶化(溶解性有机碳)和富营养化(氮和磷)的二次风险将增加，需要引起重视.

2.1.2对土壤微生物群落结构功能的改善效果

表3 污泥堆肥施用引起的矿山废弃地土壤基本理化性质变化情况

土壤微生物是土壤中最活跃的成分，是土壤理化性质改善的重要推动力，更是土壤生态系统推动物质交换、能量流动以及碳、氮、磷、硫等生物地球化学循环的重要一员. 因此，土壤微生物量、酶活性和微生物呼吸等对土壤扰动敏感性更高的生化指标常被选用以辅助判定污泥堆肥对矿山废弃地土壤生化性质的改善效果[35]. 单一酶活性指标能提供关于特定养分循环的信息，但不能完全反映土壤的总体微生物状态[36]，因此有研究者提出使用GMea指数(酶活性几何平均指数)来评估土壤功能[37]. 另外，微生物呼吸常用来量化微生物总体代谢水平[38]，再由SIR(土壤诱导呼吸率)可估算土壤微生物含量(以碳计)，由此反映了土壤微生物群落结构的总体代谢水平. 表4总结了污泥堆肥施用于各类矿山土后对土壤生化性质的改善情况. 由表4可见，无论是实验室模拟还是现场场地试验，在单一酶活性方面，除了Glu(β-葡萄糖苷酶)活性在污泥堆肥掺混石灰的情况下有所降低外，其他各类酶活性均有所提高. GMea指数和土壤诱导呼吸率大部分与污泥堆肥施用量呈正相关，表明污泥堆肥极大增加了土壤微生物数量和代谢活性，有利于矿山废弃地土壤生态系统的生态功能重建.

2.1.3对植物生长的促进作用及机理

污泥堆肥通过显著改善土壤理化性质和土壤微生物活性，最终促进植物快速生长，同时促进矿山生态系统固碳功能的发挥. 目前已有的研究通过实验室盆栽试验或场地试验从植物发芽率、死亡率、植物干质量、茎根比、相对生长率(RGR)、叶绿素含量等指标的变化进行定量评估，发现适量堆肥污泥可以显著促进多种植物的生长. 如在盆栽试验中，施用适量污泥堆肥的尾矿山土壤中生长的白桦幼苗干质量、茎根比和叶绿素含量得到显著提高[39]，矿山红壤中扁桃的株高、根径和生物量增加明显[40]，施用2%的稳定化污泥对番茄和黑麦草这两类一年生草本植物的生长有一定促进作用，而对生命力较强的红薯的生长没有影响；施用10%的稳定化污泥则使番茄死亡率达73%[41]，这可能主要源于污泥堆肥含有一定量重金属，施用量过高将对植物产生毒害. 因此，为提高植物的养分吸收能力，保护植物免受铁、锰毒害，有研究基于中长期场地试验探讨污泥堆肥掺和商用生物肥料(含有丛枝菌根真菌的凝胶悬浮液)的混合肥料对植物生长的促进作用. 这种混合肥对植物生长的促进具有选择性，对刺山柑、迷迭香和开心果3种植物中的氮、磷、Zn和Na含量的提升效果最好，还降低了上述3种植物的Fe含量(4%～45%)和Mn含量(21%～40%)，其生长速度、活力和SIP(植物选择指数)也最高[31].

表4 污泥堆肥用于矿山废弃地修复对生化指标参数变化的影响

关于污泥堆肥促进矿山废弃地植物生长的机理，目前鲜见相关报道，但可借鉴农田耕地长期施用有机肥促进农作物生长及土壤固碳的微观机理解析成果. YU等[42]利用3个长期定位试验点(25～29年)和田间微宇宙试验，发现长期施用有机肥的土壤与施用化肥或不施肥土壤相比可显著增加土壤微生物丰度和多样性，尤其是明显增加真菌类微生物丰度，这类真菌可促进含铁矿物参与的过氧自由基激发的芬顿氧化还原反应进行[43]，由于营养元素的输入，植物(尤其根系)的物理和生化性能得到改善，植物叶片叶绿素、碳水化合物含量大幅增加而促进生长[44]. 此外，根系分泌的有机酸(如柠檬酸)以及真菌等微生物的代谢物使土壤中铁的可生物利用性增加[45]，从而使有机肥中的生物大分子与矿物(尤其是短程有序的金属氧化物，SROs)形成不易被微生物降解的有机质-矿物复合体[42]，有机质-矿物复合体与无机黏土矿物、铝硅酸盐等进一步形成土壤团聚体从而将土壤有机碳固定下来(见图2). 同时，土壤中广泛存在的黏土矿物(如高岭石、赤铁矿、针铁矿等)可抑制异养细菌(如PseudomonasbrassicacearumJ12)的生长[46]，通过减少异养细菌数量降低土壤有机质的矿化速率，也使外源输入的有机碳得到固定，土壤有机质含量快速增加，保水保肥得到快速提升. 根据上述土壤学和农学领域的研究成果，污泥堆肥用于矿山废弃地生态恢复主要可能通过增加土壤微生物活性和多样性以及铁类矿物的可生物利用性来促进植物生长，同时使部分有机碳固定下来从而增加土壤有机质，实现矿山废弃地生态功能的快速重建.

图2 土壤有机质-矿物复合体形成[42]和“矿物-有机质-微生物-植物”体系的固碳机理[45]示意Fig.2 Schematic diagram of soil organo-mineral associations formation[42] and carbon sequestration mechanism in ‘mineral-microorganism-plant’ system[45]

2.2 污泥堆肥用于矿山生态恢复的二次污染风险

2.2.1氮、磷、有机质输入带来的水体污染风险

污泥堆肥进行土地利用后，土壤中增加的氮、磷和有机质可能发生迁移释放，从而增加地表水及地下水污染的风险，如富营养化. 目前有限的研究表明，污泥厌氧消化沼渣/污泥堆肥用于矿山废弃地修复短期内将对水体水质产生不利影响，但该不利影响的时间周期较短且可控. 例如，对于美国某农场，污泥堆肥施用使地表径流量减少了63%，硝酸盐浓度最大增至0.9 mg/L，但远低于美国饮用水10 mg/L的标准限值[47]. 在瑞典Kristineberg铜尾矿区，污泥厌氧消化沼渣施用后对地下水水质存在短期的负面影响：随着污泥中氨的氧化，污泥源硝酸盐和DOC释放进入地下水，硝酸盐释放可引起矿区针铁矿的氧化从而释放土壤中的铁，但试验样地地下水污染在6年内可消失[48]. 然而，矿区类型和气候条件多样，因而针对特定的矿山废弃地是否具有氮、磷流失带来的富营养化风险和有机物污染需要开展具体评估，进行必要的长期追踪及监测，以避免增加水体污染风险.

2.2.2重金属迁移释放风险

污泥堆肥稳定化处理能在一定程度上降低所含重金属的释放迁移风险，但土壤pH、氧化还原电位、有机质、生物过程、降雨渗流、矿物组成及孔隙度等的变化将会影响其长期的环境迁移释放行为，其中的降雨渗流(尤其是酸雨)是影响重金属在土壤-地下水系统中释放、迁移的重要因素[49]. 为了评估污泥堆肥土地利用对土壤重金属含量的影响及由此带来的迁移释放风险，学者们通过淋滤柱试验模拟降雨渗流条件以及实地场地试验对重金属在各类土壤与地下水环境中的迁移释放特征开展研究.

通过淋滤柱模拟试验，污泥堆肥单次施用及多次回施带来的重金属浸出风险较低：按照6 kg/m2的施用量将污泥与不同类型的地中海森林土壤混合后，Cu、Ni和Zn总量均有所增加，但重金属含量远低于西班牙的饮用水质量标准，地下水受重金属污染的风险似乎很低[50]. 4次循环施用污泥堆肥带来的Cd、Cr、Cu和Pb的累积释放量占总含量的比例小于5%[51]. 究其原因可能是，污泥堆肥中相当含量的腐殖质可作为重金属的螯合剂抑制重金属浸出，部分学者提取污泥堆肥中的腐殖质作为绿色清洗剂，实现了土壤Cu和Cd的有效去除[52-53]. 值得注意的是，对于富含有机质的土壤，还原性条件可使As的浸出浓度提高约1个数量级. 对于多种重金属带来的综合生态风险，Bülent[54]经过3年的温室盆栽试验发现，污泥堆肥的施用增加了可迁移的重金属含量，除Ni以外的其他重金属迁移率都有所提高，但重金属的单一生态风险指数和潜在生态风险指数平均值均低于欧盟标准限值，表明所有金属在短期或中期对周围生态系统造成的生态风险较低.

污泥堆肥重金属迁移释放风险的另外一个关注点是向植物(尤其农作物)的富集累积，最终通过食物链对人类及其他生物造成影响. 研究发现，重金属在不同植物中的富集情况并不相同，甚至在同一植物不同部位的富集情况也不完全一致. 以膨润土、流纹石和麦秸为辅料的污泥堆肥(9、18、27 t/hm2)作为肥料种植小麦、玉米和豌豆，发现Ni和Zn均存在于土壤和植物中，绿豌豆主要在根部积累Ni，而籽粒富集Zn，另外两种植物籽粒中的Ni和Zn含量相近，总体的Zn和Ni富集风险很低[55]. 在番茄和黑麦草叶片中，番茄和黑麦草叶片中Fe、As、Cr和Pb含量相对空白均有所降低. 对于无需施用污泥堆肥即可正常生长的红薯，除As以外，叶片中其他重金属的含量是安全的，但As含量受污泥堆肥影响十分有限[34]. 需要指出的是，经过辅助稳定化处理的污泥堆肥会显著抑制植物对重金属的吸收，如施用经石灰稳定化处理的污泥堆肥(质量分数为5%)，在促进酸性矿山废弃地植物生长的同时，也显著降低了其对重金属(如Pb和As)的吸收[33,56]，而添加磷尾矿渣的污泥堆肥可以降低磷矿山废弃地植物对土壤中重金属的富集，有利于土壤中重金属的稳定化[49].

综合以上污泥堆肥应用于矿山/非矿山土壤的研究结果，污泥堆肥应用于受重金属污染较为严重的矿山废弃地生态修复，预期可降低土壤重金属浸出风险，在促进植物生长的同时并不会造成植物体重金属含量超标的问题，相反还削弱了植物对部分重金属的富集累积能力，具备相当的技术可行性. 对于污染程度较低的矿山废弃地，污泥重金属在短期或中期迁移释放生态风险较低，然而这种风险是否会随时间推移而增加并在长期尺度内形成高风险仍需进一步展开研究与讨论. 另外，由于选种的植物种类不同，植物富集重金属的能力存在差异，因而有必要分地域进一步开展基于矿山废弃地本土植物物种的重金属富集效应研究，从而定量评估其重金属迁移风险.

3 污泥/污泥堆肥修复矿山废弃地相关案例

美国、瑞典、加拿大、波兰等发达国家早在20世纪末就开展了关于市政污泥/稳定化市政污泥应用于铜矿、铜钼矿、铅锌矿和煤矿等矿山废弃地的植被恢复研究，早期主要研究市政污泥脱水或者经过厌氧消化后的土地利用，近年来市政污泥堆肥用于矿山生态恢复也见诸报道. 我国由于矿山废弃地类型多样、分布范围广，目前的生态修复主要集中在对受损地形地貌景观的恢复方面[57]，以减少矿山次生地质灾害发生和伴生的生态环境恶化，如水土流失、土地沙化等，关于市政污泥/市政污泥堆肥用于矿山生态恢复的研究尚鲜见报导. 由国外污泥/污泥堆肥用于矿山生态修复的案例(见表5和图3)可以发现，国外开展的场地试验证明市政污泥经稳定化处理可促进矿山生态恢复，帮助矿山形成有效碳汇，然而目前的研究对于污泥施用可能带来的水体富营养化风险、重金属迁移和富集风险还未开展长期系统、深入和定量的评估工作，这也将成为未来评估市政污泥堆肥用于矿山生态恢复可行性的重要研究方向.

表5 国外污泥/污泥堆肥修复矿山废弃地案例

图3 美国亚利桑那州图森市某铜矿山废弃地干化污泥修复前和修复3年后的植被生长情况对比[58]Fig.3 Vegetation comparison of a copper mine tailing located in Tucson City,USA before and after amended by dried sewage sludge for 3 years[58]

4 结论与展望

a) 污泥堆肥富含有机质、氮、磷等营养物质，用于矿山废弃地生态恢复主要通过增加土壤微生物活性和多样性以及铁类矿物的可生物利用性，促进植物生长，同时促进有机质-矿物复合体形成并与无机黏土矿物、铝硅酸盐等进一步形成土壤团聚体促成土壤有机碳有效固定，同步实现矿山废弃地土壤理化性质改善、植被的快速恢复和生态功能的快速重建.

b) 污泥堆肥施用可能带来的负面生态影响主要集中在污泥含有的重金属和氮、磷由于降雨径流带来的附近水体污染，以及重金属通过土壤向植物体的迁移富集. 污泥堆肥施用将对水体硝酸盐氮、有机质等水质指标产生短期不利影响，Cd、Pb、Zn和As浸出浓度有一定增加，植物对重金属的富集累积能力有限.

c) 美国、瑞典、加拿大、波兰等发达国家开展的关于市政污泥/稳定化市政污泥应用于铜矿、铜钼矿、铅锌矿和煤矿等矿山废弃地的植被恢复实证研究表明，市政污泥土地利用可促进矿山生态恢复并形成有效碳汇，但对于污泥施用可能带来的水体污染和富营养化风险、重金属迁移和植物富集风险尚未开展长期系统、深入和定量的评估工作，这也将成为未来评估市政污泥堆肥用于矿山生态恢复可行性的重要研究方向.