论文部分内容阅读
随着污水处理设施的普及、处理量的提高和处理程度的深化，污泥的产生
量逐年增加，如何合理处置污泥，解决如此大量污泥的出路已成为非常紧迫的
任务。污泥园林利用既可促进植物生长，又能有效避开食物链循环，减少污泥
运输费用，是一种合理利用能源的方式。但是污泥中的有害物质进入土壤中，
可能会对土壤环境产生影响；此外过量的N、P可能会随地表径流进入地表水体
造成水体的富营养化。为科学利用污泥，降低其潜在风险，开展污泥园林利用
对植物及土壤环境的影响方面的研究具有重要意义。
本文以上海市曲阳水质净化厂好氧堆肥污泥产品为主要研究对象，在分析
污泥性质的基础上，通过室内培养、盆栽和田间等一系列试验考察污泥的园林
利用价值，并研究污泥园林利用后重金属累积对土壤酶活性的影响，以及氮、
磷等营养物质在土壤中的转化和迁移规律，最后借鉴国外的方法对污泥园林利
用可能带来的环境风险进行了初步的评价。主要研究结果如下：
(1)充分了解污泥的组成，特别是污染物和营养物的含量，是评价污泥园
林利用适用性不可缺少的前提。对堆肥污泥的物理和化学性质进行分析，结果
表明，其微带泥土气味，有机质含量为508～659g/kg，TN为30.2～40.1g/kg，
TP为6.44～8.62g/kg，是良好的有机肥料，具有较高的利用价值。污泥中Zn和
Cu的含量较高，Zn 1652.7～2713.4mg/kg，Cu 159.2～545.6mg/kg，它们在酸性
土壤上施用时有超标和潜在风险。其它重金属的含量均远低于国家污泥排放标
准中对重金属的要求。未检测出优先控制污染物，病原菌和寄生虫卵均达到国
家相应要求。
(2)污泥含有的营养成分很高，研究污泥作为有机肥对不同园林作物生长
和产量的影响，来评价其园林利用价值。结果表明，施加污泥能促进植物的生
长，提高园林植物的观赏价值。盆栽实验中污泥施加量为5％、10％和20％组
高羊茅的生物量分别比对照组增加了317％、425％和177％。万寿菊在混配土
中的生物量13g左右，是对照组的2.79倍；开花数和花径明显增加。田间实验
中，比较一串红在混配组与对照组中的植株高度、地上生物量和地下生物量，3
个指标分别增加40.5％、142.9％和55.6％。同时，植物的生长可以吸收部分随
污泥进入土壤的重金属，并且对于污泥中含量较高的Zn和Cu的吸收富集作用
尤为显著。重金属向植物体内迁移的有效性与其在土壤中的有效态含量相关。
混配组高羊茅对土壤全氮和全磷的最大吸收率为分别20.66％和4.65％，吸收率
最高值均出现在苗期至成株期间。高羊茅对磷素的吸收率和吸收量均比对氮素
要低，因此建议以作物对磷的需求量作为污泥施加量的控制指标。
(3)土壤酶是土壤营养物质转化和能量代谢的重要参与者，土壤酶活性可
作为土壤污染的重要生物活性指标。以土壤酶作为考察指标研究了污泥园林利
用对土壤生态环境的影响。研究表明，污泥在盆栽和田间试验中均可以增强混
配土中脲酶、磷酸酶活性，但对转化酶活性的影响不大。这说明污泥中的有机
碳和微生物可以增强土壤酶的活性。考虑到污泥多次土地施用后，重金属可能
在土壤中造成累积，针对污泥中含量较高的Zn进行培养试验，研究其对土壤酶
活性的影响。结果表明，当土壤中Zn2+浓度较高时，会对土壤酶产生抑制作用，
4种酶对Zn2+的敏感性依次为过氧化氢酶＞磷酸酶＞脲酶＞转化酶，且Zn2+对潮滩
土比对混配土酶活性的抑制作用大。比较土壤Zn2+浓度为300～900mg/kg，磷酸
酶、脲酶、转化酶活性在单一污染和复合污染情况下的变化情况，发现Zn2+在
该浓度范围内对土壤酶活性未产生明显的抑制作用，但当有其他重金属(如Cu
和Ni)存在时，土壤中酶活性明显随重金属负荷的升高而降低。通过微生物群
落结构研究了重金属对土壤酶活性的影响机理，发现重金属污染土壤的
16SrDNA图谱与对照图谱相比产生了一些改变，说明在多种重金属的诱导作用
下，混配土中微生物群落结构组成发生了变化，一些耐重金属的菌属适应环境，
逐渐繁殖成为优势菌群，同时部分原有的菌属在重金属的胁迫作用下，逐渐消
亡。
(4)植物生长离不开氮素，同时氮素也是引起水体富营养化的主要限值因
子。通过盆栽实验考察了污泥园林利用后，土壤中各种氮素在植物种植期间的
动态变化，并通过土柱模拟降雨实验研究了氮素在土壤中的迁移和淋出情况。
结果表明，土壤全氮除植物种植的初期浓度有所下降外，在植物生长期间含量
较为稳定。混配土中的氨氮在施肥一段时间后几乎全部转化为硝氮，污泥施加
量5％、10％和20％组土壤氨氮转化所需要的时间分别为20d、35d和45d左右。
混配土中的硝氮逐渐向有机氮转化，5％、10％和20％组硝氮转化为有机氮需要
的时间分别为1个月、2个月和3个月。模拟8年自然降雨量表明，混配土淋出液
中氨氮浓度略高于对照组，但仍满足我国地表水三级标准。淋出液硝氮浓度与
对照相比差异不显著(P＞0.05)，从土壤剖面氨氮、硝氮、全氮的迁移情况来看，
三者在混配土中浓度与对照相比差异不显著(P＞0.05)，说明氮素未向土壤深层
迁移。
(5)磷素是植物生长所必需的元素，也是温带水体富营养化的限值因素。
研究污泥园林利用后磷素的动态变化情况，结果表明，在植物种植期间，混配
土全磷含量几乎不变，有机磷含量在植物生长期间呈缓慢下降趋势；速效磷变
化规律不明显。模拟8年自然降雨量表明，污泥的施用不会增加潮滩土壤总磷的
淋出，淋出液中总磷浓度与对照相比差别不大，且两年降雨量淋溶后，实验土
柱中淋出液的总磷浓度均小于地表水二级标准。从磷素在土柱剖面的迁移情况
看，在0～5cm土层中混配土土壤全磷和有效磷含量略高于对照组，但5～1 0cm
土层中未发现明显差异。
(6)针对污泥中的主要重金属风险因素——Zn，在园林利用过程中给环境
带来的风险进行初步评价。结果表明，在“污泥→人体”途径中，污泥的Zn
浓度小于19300mg/kg干泥时，不会影响人体健康。在“污泥→植物”途径中，
调查分析了前期实验中16种园林绿化植物和372个土壤样品，其中施加污泥土
壤Zn浓度为62～394mg/kg之间，均未发现施泥土壤中植物比对照组生长量降
低50％的情况。在“污泥→微生物”途径中，根据土壤酶和Zn浓度之间的暴
露剂量关系，推算导致土壤酶磷酸活性降低10％时的土壤Zn浓度为855mg/kg
左右。此外，应根据植物生长需要控制施肥量，为避免硝氮在环境中的迁移，
建议污泥单次施加比例不宜超过5％，且避免雨季施肥。
关键词：污泥，土地利用，重金属，酶活性，迁移，风险评价