【中國環保在線 技術前沿】近年來，我國汙泥產量逐年增加，這種富集了汙水55%的有機質，30——45%的氮和85——95%的磷的資源該如何利用呢？本文從土地利用的角度分析，汙泥經過處理後堆肥對於土壤重金屬含量的影響和改變。
泥堆肥土地利用中重金屬的釋放、遷移與分配
1.前言
近年來，隨著我國汙
水處理量的增加和處理標準的日益嚴格，生活汙水處理廠汙泥(以下簡稱汙泥)的產量也逐年增加，2015年已達到3500萬噸。隨著我國汙水處置效率和行業平均技術水平的進一步提高，汙泥量還會繼續增加。汙泥富集了汙水中約55%的有機質、30——45%的氮和85——95%的磷，如能採用適當技術加以回收利用，將成為重要的土壤營養物質來源；反之，如不能得到妥善處置，這些物質將重新釋放到環境中，成為重要的汙染源。我國汙泥特性複雜，無害化處理率低，其安全的處置和利用是我國固體廢物處理和環境保護需要解決的重大課題之一。
根據汙泥性質和含水率的不同，汙泥處理方式包括填埋、焚燒、堆肥、厭氧消化、建材化等。土地利用，即將汙泥進行堆肥、厭氧消化等穩定化處理後將其應用於農業、園林綠化、土地修復等領域，在穩定化的過程中，汙泥的含水率快速降低，易降解有機物大量降解，生物病原體在高溫過程中被大量消滅。美國和歐盟通過土地利用的汙泥量已經佔到汙泥總量的45——50%左右，成為主要的汙泥處理技術，主要是因為：(1)汙泥中富含N、P等植物生長的必需元素，是一種無機化肥的良好替代材料；(2)汙泥經過堆肥等穩定化過程後，可形成大量腐植酸類物質，改善土壤有機質狀態、結構特性和土壤水分滯留能力；(3)汙泥土地利用形成了土壤的碳匯，增加土壤碳庫的儲存量，減少了對溫室效應的貢獻。雖然土地利用是我國潛力的汙泥處理技術發展方向之一，但汙泥中含有重金屬、有機汙染物等有毒有害物質，在土地利用的過程中可能累積在土壤中，並被植物吸收，造成環境汙染與健康危害，值得高度關注和深入研究。
2.我國汙泥中重金屬含量及變化趨勢
我國汙泥中重金屬含量變化範圍較大，數據較為離散，但總體而言高於美國和歐盟。尤其是部分地區由於汙水處理系統尚不完善，存在工業汙水與生活汙水混合處理的情況。同時，由於我國不同區域地理氣候特點、工業布局、經濟發展水平各不相同，導致汙水組成和汙水處理系統設置差異明顯，並對汙水汙泥中重金屬含量產生影響。研究表明東南方地區的城市汙泥中重金屬Zn、Cu、Cd、Cr、Ni含量均處於較高水平，這可能與該地區工業密集程度高及人類活動開發程度高有關。張麗麗等對近30年我國城市汙水汙泥中重金屬的年代變化規律進行了分析，發現汙水汙泥中重金屬Cd和Cu的含量隨年代逐漸下降，分別由20世紀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。郭廣慧等、楊軍等、陳同斌等分別於2013、2006、2001年對我國城市汙泥中重金屬含量進行調研分析，三次調查結果對比表明，汙泥中的重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)含量隨時間總體呈下降趨勢。隨著汙水處理全過程監管水平的提升，汙泥中重金屬含量還會進一步降低，同時有機質和N、P營養物質含量進一步升高，汙泥堆肥土地利用的可行性不斷提高。
雖然堆肥后土地利用已成為我國汙泥處理的重要發展方向，但其中重金屬的環境風險仍是制約汙泥堆肥土地利用的瓶頸問題。汙泥堆肥土地利用後，重金屬可在降雨或灌溉水的淋濾作用下，由土壤-堆肥混合體浸出釋放到土壤水，進而被植物吸收，或隨土壤水遷移至地下水，產生環境風險。本課題組以重金屬向水環境的釋放特性研究為核心，針對我國典型土壤環境及汙泥堆肥特性，通過系列動態浸出試驗、土壤環境模擬、田間試驗與地球化學模擬，分析汙泥堆肥施用後，不同土壤環境下(土壤酸鹼條件、有機物降解、氧化還原電位變化)重金屬的釋放與分配的規律及控制過程，揭示汙泥堆肥多年周期性施用對重金屬釋放與分配的動態性、累積性影響，闡明汙泥堆肥田間施用中重金屬的釋放與遷移規律，為汙泥堆肥安全土地利用提供科學依據和指導。
3.汙泥堆肥與土壤理化性質、重金屬含量及賦存形態比較
選取我國蘇州、昆明的兩種典型代表土壤(壤土、粘土)和汙泥堆肥為研究對象，對比汙泥堆肥與空白土壤的理化特性、重金屬總量和形態的差異。研究顯示汙泥堆肥的有機物和鐵水合氧化物的含量均明顯高於土壤，汙泥堆肥的長期土地利用可能增加土壤中有機物和鐵水合氧化物含量，有利於增加土壤肥力，也有利於重金屬固定。汙泥堆肥中重金屬As、Cd、Cu和Ni的總量為對照土壤含量的2——3倍，長期使用無疑會增加土壤中重金屬總量，但是真正影響環境安全的不是重金屬總量，而是可浸出釋放量。
4.土壤環境對汙泥堆肥中重金屬釋放的影響
在汙泥堆肥施用到土壤中後，土壤中的生物地球化學過程將影響重金屬的釋放。首先，重金屬的浸出隨著pH的變化呈現先下降後上升的趨勢，在酸性條件下，金屬呈自由離子態溶出，在鹼性條件下，金屬浸出濃度的升高主要與有機物有關，汙泥堆肥的施用增加了重金屬Cr、Cd、Cu和Pb在鹼性條件下的釋放能力，這是由於汙泥堆肥增加了土壤中有機物含量，尤其是腐植酸類物質，在鹼性條件下大量溶出，溶解性有機物的絡合促進了重金屬Cr、Cd、Cu和Pb的溶出。
除了pH，土壤中有機物種類和含量也是影響重金屬釋放的主要因素。汙泥堆肥施用到土壤中後，由於汙泥堆肥的有機物含量較高，因此仍會發生有機物降解的情況。研究結果顯示，在模擬旱田的好氧環境下，經過180天的穩定時間，總有機碳降解約10%，溶解性有機碳降解約45%。溶解態有機物和顆粒態有機物對重金屬的釋放有著相反的作用，溶解態有機質會通過絡合作用促進重金屬釋放，而顆粒態有機物通過吸附作用促進重金屬固定，當溶解性有機物降解45%，而顆粒態有機物含量變化較小時，溶解性有機物與重金屬的絡合作用降低，而顆粒態有機物對重金屬的吸附能力無明顯變化，導致與有機物結合能力較強的重金屬Cd、Cu釋放能力的降低。在模擬水田的厭氧條件下，土壤氧化還原電位的變化是影響重金屬釋放的主要因素，在還原性條件下，As在鹼性條件下釋放潛能的增加，這是由於還原性條件的形成，三價鐵被還原為二價鐵，鐵水合氧化物含量降低，對As的吸附能力減弱。
5.汙泥堆肥周期性施用過程中重金屬的釋放與分配
在實際場景下，汙泥堆肥為多次且周期性施用到土壤中，在該情景下，土壤的組分特徵和理化特性持續處於動態變化當中，導致土壤中重金屬的總量、賦存和釋放狀態和也持續處於動態變化當中。因此使用動態淋濾柱實驗模擬汙泥堆肥土地利用實際場景，周期性多次添加汙泥堆肥，分析重金屬的浸出濃度隨汙泥堆肥施用次數的變化，探究汙泥堆肥多次周期性施用過程中，重金屬向水環境的釋放潛能及在土壤中的累積存量和賦存狀態。
研究顯示，汙泥堆肥的多次施用明顯增強了As的釋放風險。首先，汙泥堆肥的施用明顯增加了As在低固液比(<1 L/kg)下的浸出濃度，初始浸出濃度由0.004——0.01 mg/L增加到0.03——0.04 mg/L；其次，隨著有機物含量的逐漸增加，微生物對有機物的降解導致氧氣的快速消耗，易形成還原性條件，As的浸出濃度快速上升。進行4次汙泥堆肥連續施用後，由汙泥堆肥引入的重金屬佔總量的10——40%，所引入的重金屬大部分殘留在土壤中，累積釋放率<5%；在較強的還原性條件下，As的累積釋放率佔重金屬總量的15.7%。因此汙泥堆肥在施用時，應該注意控制土壤的氧化還原電位，避免採用連續灌溉等農田管理措施。對於有機物含量較低的土壤，汙泥堆肥的多次施用可以增加土壤中固體有機物的含量，增加土壤對重金屬Cr和Pb的吸附能力，降低其釋放濃度。
6.汙泥堆肥田間施用中重金屬的釋放、遷移與分配
由於汙泥堆肥實際施用場景中影響因素較多，如地表徑流、植物種植、間歇性降雨灌溉等，因此，通過田間實驗，分析汙泥堆肥多年周期性施用的情景下，汙泥堆肥的施用對土壤中重金屬總量、浸出特性以及植物體內重金屬含量的影響。
研究結果顯示，汙泥堆肥施用率、汙泥堆肥施用次數對土壤重金屬總量有顯著影響。當汙泥堆肥施用率為33噸/公頃(每年施用2次)時，明顯增加了土壤中Cd和Cu的濃度。汙泥堆肥次數的增加明顯增加了土壤(尤其是汙泥堆肥施用層0——10 cm土壤)中重金屬含量。在3年的汙泥堆肥施用時間裡，不同施肥處理及施肥次數對植株(水稻，小麥)秸稈和果實內的重金屬含量無明顯影響。水稻及小麥對重金屬的吸收與土壤中重金屬總量、在自然條件下的可釋放量和土壤主要pH範圍內大釋放量無顯著相關性。
當汙泥堆肥為33噸/公頃(每年施用2次)時，3年的施用明顯增加了汙泥堆肥施用層(0——10cm)土壤中重金屬Cd、Cr、Cu和Pb在鹼性條件下的浸出濃度，這與溶解性有機物濃度的增加有關，重金屬As和Ni在整個pH範圍內的浸出濃度均有所增加。
結論
(1)汙泥堆肥中有機物和鐵水合氧化物的含量均明顯高於土壤，有利於重金屬固定；與此同時，汙泥堆肥中各種重金屬總量均高於對照土壤，土地利用會增加土壤中重金屬總量。汙泥堆肥和土壤中重金屬賦存的化學形態基本一致，Cr、Cu和Cd主要吸附在固體有機物表面，Ni和Pb主要吸附在固體有機物和鐵鋁氧化物表面，As主要吸附在鐵鋁氧化物表面，同時易與鈣離子和磷酸根形成共沉澱。
(2)pH、有機物組成含量變化、氧化還原條件改變是影響汙泥堆肥中重金屬釋放的主要因素。鹼性條件下顆粒態有機物向溶解性有機物轉化，重金屬與溶解性有機物絡合，釋放能力增強。
(3)旱田的氧化性條件促進了溶解性有機碳的降解，強化了Cd和Cu在顆粒態有機碳上的吸附固定。水田的還原性條件下，Fe(III)被還原為Fe(II)，鐵的水合氧化物含量降低，對As的吸附能力減弱。
(4)汙泥堆肥的多次施用增加了土壤有機質含量，提升了微生物活性對土壤中氧氣的消耗能力，強化了還原性條件的形成。在還原性條件下，As的浸出濃度上升約1個數量級，累積釋放量可達到總量的15.7%，因此在降雨豐富及連續灌溉等易形成還原性條件的土壤環境中，不宜施用富含As的汙泥堆肥。對於有機質含量低的土壤，汙泥堆肥多次施用可增強有機質對重金屬Cd、Cu、Pb的吸附固定。
(5)汙泥堆肥的3年田間施用顯著提升了汙泥堆肥施用層(0——10 cm)土壤中溶解性有機質、腐殖酸、鐵水合氧化物含量，有機物含量的上升及其在鹼性條件的溶解，導致重金屬在偏鹼性環境中釋放能力顯著高於對照土壤。汙泥堆肥的施用對小麥及水稻中重金屬含量無顯著影響。表層0——10 cm土壤對重金屬的阻滯固定能力強，10——20 cm的土壤中重金屬含量及釋放特性未受到汙泥堆肥施用的影響。
原標題：汙泥堆肥土地利用，重金屬去哪兒？