喀斯特石漠化土壤中施用城市污泥的環(huán)境影響分析*

楊 丹 李 冕 馮夢芹

(貴陽學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

近年來，隨著城市化的發(fā)展，城市污水處理量日益增加，污泥的產(chǎn)生量也隨之增加。污泥中富含營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]，在土壤改良方面具有良好效果[3]。我國擁有大面積石漠化中低產(chǎn)土壤[4]，因此城市污泥土地利用具有重要意義[5]。然而，由于污泥含有重金屬、氮等污染物[6]，不合理的土地利用將導(dǎo)致土壤污染，甚至危及地下水[7]201,[8-10],[11]195。

興仁縣由于石漠化帶來的區(qū)域土壤質(zhì)量退化、水土流失，使得土壤資源銳減，且土壤質(zhì)量惡化[12-13]。因此，本研究以興仁縣石漠化土壤為對象，探討不同質(zhì)量分數(shù)的城市污泥添加對土壤重金屬和淋溶液重金屬、氮的影響，以期為城市污泥在石漠化地區(qū)的安全土地利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 方 法

1.1 材料及其來源

土壤于2017年5月采自興仁縣郊石漠化區(qū)，為黃壤，采樣深度為20 cm；污泥采自興仁縣一污水處理廠，為消化脫水污泥，含水率約60%。將采集的土壤和污泥在25 ℃下風(fēng)干，研磨后分別過2 mm篩。土壤和污泥的基本理化性質(zhì)如表1所示。

自然雨水于2017年6月在貴陽學(xué)院溫棚實驗室露天栽培基地收集，pH為6.18，4 ℃冰箱中保存。

表1 土壤和污泥基本理化性質(zhì)

1.2 實驗方法

(1) 污泥施用對土壤重金屬的影響實驗

將風(fēng)干、過篩后的污泥分別以0、20%、25%、35%、50%、75%的質(zhì)量分數(shù)均勻混入土壤形成混配土壤，裝入直徑18 cm、高12 cm的塑料花盆中，土壤和污泥總質(zhì)量2.5 kg。室溫下放置熟化45 d，含水量保持在飽和持水量的70%。熟化結(jié)束后各取50 g混配土壤，風(fēng)干，測定總Cu、總Zn、總Cd、總Pb、總Cr、總Ni含量，每個處理重復(fù)3次。

(2) 污泥施用對淋溶液重金屬和氮的影響實驗

淋溶實驗裝置如圖1所示，由進水部分、土柱部分和收集部分組成[7]200,[14]。進水部分中注入自然雨水。土柱部分采用內(nèi)徑5 cm、高50 cm的透明塑料管，其中混配土壤高度為20 cm，上方蓋3 mm石英砂。收集部分由2 cm用紗布包裹的石英砂及燒杯組成。鐵絲網(wǎng)用來起固定作用?；炫渫寥琅渲猛瑢嶒灧椒?1)。分別于15、30、45 d時進行淋溶，淋溶速率為100 mL/h，每次連續(xù)淋溶12 h，測定淋溶液中的總Cu、總Zn、總Cd、總Pb、六價Cr、總Ni以及氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮含量。

圖1 淋溶實驗裝置Fig.1 Leaching experimental device

1.3 分析方法

污泥及土壤樣品的總Cu、總Zn、總Cd、總Pb、總Cr、總Ni采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法測定；淋溶液的總Cu、總Zn、總Cd、總Pb、六價Cr、總Ni用原子吸收分光光度法測定，氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮用AA3連續(xù)流動分析儀(SEAL，德國)測定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 污泥施用對土壤重金屬的影響

由表1、表2可見，由于污泥中的總Cu、總Zn、總Cd和總Pb含量高于土壤，因此這4種重金屬含量總體上隨混配土壤污泥質(zhì)量分數(shù)的提高而升高。當混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)低于50%時，重金屬均未超標；但總Cd在混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)為50%～75%時超標7.8%～32.8%，總Zn在混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)為75%時超標6.8%。由于污泥中的總Cr和總Ni含量低于土壤，因此這兩種重金屬含量隨混配土壤污泥質(zhì)量分數(shù)的提高而降低。

表2 混配土壤的重金屬質(zhì)量濃度

注：1)指《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)的農(nóng)用地污染土壤風(fēng)險篩選值。

重金屬污染問題是限制污泥土地利用的主要原因[15]。本研究中所用污泥雖然滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600—2009)，但仍有可能造成土壤重金屬超標，帶來一定的土壤重金屬污染風(fēng)險。本研究中混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)必須低于50%。

2.2 污泥施用對淋溶液重金屬和氮的影響

2.2.1 污泥施用對淋溶液重金屬的影響

圖2 不同污泥質(zhì)量分數(shù)混配土壤淋溶液中重金屬質(zhì)量濃度Fig.2 Heavy metal mass concentrations in mixed soil leachate with different mass fraction of sewage sludge

土壤熟化過程中，淋溶液中總Cu含量在污泥質(zhì)量分數(shù)0～50%時變化不大，但污泥質(zhì)量分數(shù)75%時明顯升高；淋溶液中總Zn含量在污泥質(zhì)量分數(shù)0～50%時增幅較小，50%～75%時增幅較大；總Cd和六價Cr含量隨污泥質(zhì)量分數(shù)提高基本一直都處于升高狀態(tài)；總Pb含量也是在污泥質(zhì)量分數(shù)0～50%時變化不大，污泥質(zhì)量分數(shù)75%時明顯升高；總Ni含量隨污泥質(zhì)量分數(shù)提高大體呈下降狀態(tài)。

污泥土地利用中的淋溶液目前尚無明確的評價標準[17]3972，但降水后淋溶液可能主要進入地下水，因此本研究以《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)作為評價標準。GB/T 14848—2017規(guī)定Ⅳ類標準：地下水中化學(xué)組分含量較高，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求及一定水平的人體健康風(fēng)險為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當處理后可作生活飲用水。本研究以GB/T 14848—2017的Ⅳ類標準進行評價。除污泥質(zhì)量分數(shù)為75%的混配土壤熟化30 d時總Cu超標外，其他情況下各重金屬均不超標。金樹權(quán)等[17]3973將污泥用于草坪基質(zhì)利用的研究時發(fā)現(xiàn)，污泥質(zhì)量分數(shù)超過50%，淋溶液出現(xiàn)總Cd超標現(xiàn)象。因此，從污泥利用對地下水環(huán)境重金屬影響的角度考慮，既要控制污泥的施用量，又要保證足夠的熟化時間[19-20]。

2.2.2 污泥施用對淋溶液氮的影響

由圖3可見，與淋溶液中除總Ni外的重金屬含量變化規(guī)律相似，淋溶液中氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮含量隨著污泥質(zhì)量分數(shù)的提高而升高。從時間上看，隨著土壤熟化時間的延長，淋溶液中氮含量先升高后降低，與李小龍[21]的研究結(jié)果相似。原因可能是由于淋溶初期污泥中的氮迅速釋放進入水溶液，此后已經(jīng)過淋溶的混配土壤氮減少，加上熟化程度提高，一部分氮被土壤顆粒牢牢吸附，因此淋溶液中氮濃度逐步降低[18]44。

圖3 不同污泥質(zhì)量分數(shù)混配土壤淋溶液中氮質(zhì)量濃度Fig.3 Nitrogen concentration in mixed soil leachate with different mass fraction of sewage sludge

同樣用GB/T 14848—2017的Ⅳ類標準進行評價，土壤熟化過程中，氮含量均未超標。污泥在進行實際土地利用時，其上還有植物生長，淋失的氮會更少，因此淋溶液更不會超標。

在污泥土地利用中，應(yīng)防止氮的淋失。污泥質(zhì)量分數(shù)低，淋溶液中氮一般不會對地下水造成污染[22]。張琪等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，污泥質(zhì)量分數(shù)在30%以下對地下水造成氮污染的風(fēng)險較低。

綜合污泥施用對土壤重金屬含量以及對淋溶液重金屬和氮含量的影響，建議污泥在石漠化土壤中進行土地利用時，污泥質(zhì)量分數(shù)低于50%，熟化30 d以上。

3 結(jié) 論

(1) 當混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)低于50%時，重金屬均未超標；但總Cd在混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)為50%～75%時超標7.8%～32.8%，總Zn在混配土壤中污泥質(zhì)量分數(shù)為75%時超標6.8%。

(2) 污泥土地利用中的淋溶液，除污泥質(zhì)量分數(shù)為75%的混配土壤熟化30 d時總Cu超標外，其他情況下各重金屬均不超標。

(3) 土壤熟化過程中，混配土壤淋溶液氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮含量均不超標。

(4) 污泥在石漠化土壤中進行土地利用時，為避免重金屬及氮對土壤及地下水造成潛在影響，建議污泥質(zhì)量分數(shù)低于50%，熟化30 d以上。