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泥堆肥土地利用中重金属的释放、迁移与分配 1.前言 近年来，随着我国污水处理量的增加和处理标准的日益严格，生活污水处理厂污泥(以下简称污泥)的产量也逐年增加，2015年已达到3500万吨。随着我国污水处置效率和行业平均技术水平的进一步提高，污泥量还会继续增加。污泥富集了污水中约55%的有机质、30~45%的氮和85~95%的磷，如能采用适当技术加以回收利用，将成为重要的土壤营养物质来源;反之，如不能得到妥善处置，这些物质将重新释放到环境中，成为重要的污染源。我国污泥特性复杂，无害化处理率低，其安全高效的处置和利用是我国固体废物处理和环境保护需要解决的重大课题之一。 根据污泥性质和含水率的不同，污泥处理方式包括填埋、焚烧、堆肥、厌氧消化、建材化等。土地利用，即将污泥进行堆肥、厌氧消化等稳定化处理后将其应用于农业、园林绿化、土地修复等领域，在稳定化的过程中，污泥的含水率快速降低，易降解有机物大量降解，生物病原体在高温过程中被大量消灭。美国和欧盟通过土地利用的污泥量已经占到污泥总量的45~50%左右，成为主要的污泥处理技术，主要是因为：(1)污泥中富含N、P等植物生长的必需元素，是一种无机化肥的良好替代材料;(2)污泥经过堆肥等稳定化过程后，可形成大量腐植酸类物质，改善土壤有机质状态、结构特性和土壤水分滞留能力;(3)污泥土地利用形成了土壤的碳汇，增加土壤碳库的储存量，减少了对温室效应的贡献。虽然土地利用是我国极具潜力的污泥处理技术发展方向之一，但污泥中含有重金属、有机污染物等有毒有害物质，在土地利用的过程中可能累积在土壤中，并被植物吸收，造成环境污染与健康危害，值得高度关注和深入研究。 2.我国污泥中重金属含量及变化趋势 我国污泥中重金属含量变化范围较大，数据较为离散，但总体而言高于美国和欧盟。尤其是部分地区由于污水处理系统尚不完善，存在工业污水与生活污水混合处理的情况。同时，由于我国不同区域地理气候特点、工业布局、经济发展水平各不相同，导致污水组成和污水处理系统设置差异明显，并对污水污泥中重金属含量产生影响。研究表明东南方地区的城市污泥中重金属Zn、Cu、Cd、Cr、Ni含量均处于较高水平，这可能与该地区工业密集程度高及人类活动开发程度高有关。张丽丽等对近30年我国城市污水污泥中重金属的年代变化规律进行了分析，发现污水污泥中重金属Cd和Cu的含量随年代逐渐下降，分别由20世纪80年代的2.35 mg/kg和428 mg/kg下降到近10年的1.14 mg/kg和278 mg/kg。郭广慧等、杨军等、陈同斌等分别于2013、2006、2001年对我国城市污泥中重金属含量进行调研分析，三次调查结果对比表明，污泥中的重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)含量随时间总体呈下降趋势。随着污水处理全过程监管水平的提升，污泥中重金属含量还会进一步降低，同时有机质和N、P营养物质含量进一步升高，污泥堆肥土地利用的可行性不断提高。 虽然堆肥后土地利用已成为我国污泥处理的重要发展方向，但其中重金属的环境风险仍是制约污泥堆肥土地利用的瓶颈问题。污泥堆肥土地利用后，重金属可在降雨或灌溉水的淋滤作用下，由土壤-堆肥混合体浸出释放到土壤水，进而被植物吸收，或随土壤水迁移至地下水，产生环境风险。本课题组以重金属向水环境的释放特性研究为核心，针对我国典型土壤环境及污泥堆肥特性，通过系列动态浸出试验、土壤环境模拟、田间试验与地球化学模拟，分析污泥堆肥施用后，不同土壤环境下(土壤酸碱条件、有机物降解、氧化还原电位变化)重金属的释放与分配的规律及控制过程，揭示污泥堆肥多年周期性施用对重金属释放与分配的动态性、累积性影响，阐明污泥堆肥田间施用中重金属的释放与迁移规律，为污泥堆肥安全土地利用提供科学依据和指导。 3.污泥堆肥与土壤理化性质、重金属含量及赋存形态比较 选取我国苏州、昆明的两种典型代表土壤(壤土、粘土)和污泥堆肥为研究对象，对比污泥堆肥与空白土壤的理化特性、重金属总量和形态的差异。研究显示污泥堆肥的有机物和铁水合氧化物的含量均明显高于土壤(见表1)，污泥堆肥的长期土地利用可能增加土壤中有机物和铁水合氧化物含量，有利于增加土壤肥力，也有利于重金属固定。污泥堆肥中重金属As、Cd、Cu和Ni的总量为对照土壤含量的2~3倍，长期使用无疑会增加土壤中重金属总量，但是真正影响环境安全的不是重金属总量，而是可浸出释放量。在土壤主要pH范围内(5 表1 污泥堆肥与土壤基本理化性质对比   图1 污泥堆肥和两种土壤中重金属形态分析 4.土壤环境对污泥堆肥中重金属释放的影响 在污泥堆肥施用到土壤中后，土壤中的生物地球化学过程将影响重金属的释放。首先，重金属的浸出随着pH的变化呈现先下降后上升的趋势(图2)，在酸性条件下，金属呈自由离子态溶出，在碱性条件下，金属浸出浓度的升高主要与有机物有关，污泥堆肥的施用增加了重金属Cr、Cd、Cu和Pb在碱性条件下的释放能力，这是由于污泥堆肥增加了土壤中有机物含量，尤其是腐植酸类物质，在碱性条件下大量溶出，溶解性有机物的络合促进了重金属Cr、Cd、Cu和Pb的溶出。
图2 土壤、污泥堆肥、土壤和污泥堆肥混合物中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb的浸出浓度随pH的变化规律。 |
