城市污泥改良土壤的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

羅大富

摘要： 應(yīng)用不同處理的土柱試驗(yàn)，分別測定城市污泥和福建紅壤混合基質(zhì)經(jīng)淋溶后，銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、六價(jià)鉻（Cr6+）、鎳（Ni）等重金屬和礦物油、可吸附有機(jī)鹵化物、揮發(fā)酚、多氯聯(lián)苯、總氰化物等有機(jī)物在基質(zhì)中的含量，以及其在滲濾液中的濃度，并應(yīng)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分別評(píng)價(jià)污染物的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：土壤與城市污泥質(zhì)量比為5 ∶ 4的試驗(yàn)處理中，基質(zhì)重金屬與大多數(shù)有機(jī)污染物含量最高，重金屬綜合污染均達(dá)到中等生態(tài)危害水平；單因子中Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)最大，污染水平達(dá)強(qiáng)生態(tài)危害水平，其余元素均處于輕度危害水平；滲濾液中各重金屬與有機(jī)物濃度均低于我國地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，在CT5處理中Ni的污染指數(shù)為2.16，達(dá)到重度污染水平，其余重金屬均處于清潔水平。因此，在利用城市污泥改良紅壤時(shí)，要充分考慮不同的污泥施用量對(duì)土壤及地下水的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 城市污泥；紅壤；重金屬；有機(jī)污染物

中圖分類號(hào)： S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0335-04

城市污泥是城市污水處理廠在處理污水的過程中產(chǎn)生的固體廢物，含有豐富的氮（N）、磷（P）、鉀（K）和有機(jī)質(zhì)，但同時(shí)也含有大量有毒有害物質(zhì)，危害人體健康，并造成環(huán)境污染等問題[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年通過處理污水產(chǎn)生的污泥量達(dá)1.0×108 t，遠(yuǎn)高于英國、美國等國[5]。污泥的主要處理方式有焚燒、投海、填埋和土地利用等，但是焚燒、投海和填埋都會(huì)帶來很大的問題，目前國內(nèi)外利用較多的為土地利用[6-7]。

紅壤為發(fā)育于熱帶和亞熱帶雨林、季雨林或常綠闊葉林植被下的土壤。分布范圍很廣，橫跨長江以南16個(gè)省份，紅壤所處地域具有優(yōu)越的自然條件，糧食作物產(chǎn)量較大，曾以占全國36%的耕地生產(chǎn)出占全國1/2～2/3的糧食作物[8]。但由于近些年對(duì)紅壤資源的不合理開采利用，導(dǎo)致紅壤產(chǎn)生很多問題，如水土流失、退讓退化等[9]。此外，紅壤偏酸性，N、P、K等養(yǎng)分含量較低，黏粒含量較高，保水保肥能力較差[10]。將污泥施加到土壤中，可以提高土壤中N、P、K等營養(yǎng)元素的含量，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[11-12]。而污泥中重金屬和有機(jī)污染物的積累又會(huì)對(duì)地下水和深層土壤造成再次污染。因此，研究不同污泥施用量對(duì)生態(tài)環(huán)境危害風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)別具有重要意義，可為城市污泥改良土壤工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用城市污泥來自福建省泉州市某污水處理廠，土壤為采自泉州市永春縣的紅壤。土壤與污泥的理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量見表1。城市污泥含水量為102.70%，高于GB/T 24600—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》中含水量≤65%的標(biāo)準(zhǔn)值。因此，在混合形成土柱試驗(yàn)充填基質(zhì)前將污泥進(jìn)行干燥處理。城市污泥的其余理化性質(zhì)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)，適合用污泥進(jìn)行土壤改良。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組不同處理，分別為：土壤與污泥干質(zhì)量的混摻比例為5 ∶ 1（CT1處理）；土壤與污泥干質(zhì)量的混摻比例為5 ∶ 2（CT2處理）；土壤與污泥干質(zhì)量的混摻比例為5 ∶ 3（CT3處理）；土壤與污泥干質(zhì)量的混摻比例為5 ∶ 4（CT4處理）；2 cm污泥層位于土壤剖面2～4 cm處（CT5處理）；2 cm污泥層位于土壤剖面16～18 cm處（CT6處理）。每組試驗(yàn)處理5個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)土柱高30 cm，內(nèi)直徑10 cm，底部設(shè)滲濾液收集池，土柱周圍設(shè)防護(hù)罩，防止水分蒸發(fā)（圖1）。充填時(shí)，在每個(gè)土柱底部首先填入10 cm礦渣，上部填入土壤與污泥的混合物；裝填時(shí)，按照現(xiàn)場監(jiān)測的土壤含水量和容重將物料分層充填壓實(shí)。本試驗(yàn)過程中，每天用去離子水進(jìn)行灌溉，灌溉量為 40 mm，連續(xù)灌溉15 d，取基質(zhì)和濾液樣品進(jìn)行重金屬與有機(jī)物分析。

基質(zhì)和濾液樣品中的重金屬汞（Hg）、砷（As）測定應(yīng)用原子熒光分光光度計(jì)法，其他重金屬測定應(yīng)用原子吸收分光光度計(jì)法。有機(jī)物中礦物油、可吸附有機(jī)鹵化物、多氯聯(lián)苯、揮發(fā)酚、總氰化物的測定分別應(yīng)用紫外分光光度法、微庫侖法、氣相色譜法、4-氨基安替比林分光光度法、硝酸銀滴定法。

1.3 生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

分別采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)基質(zhì)與滲濾液中重金屬進(jìn)行生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1.3.1 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法[13]結(jié)合環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境化學(xué)、毒理學(xué)，對(duì)土壤進(jìn)行微量元素污染評(píng)價(jià)，能夠較好地反映土壤中各種微量元素對(duì)環(huán)境的污染情況，定量地評(píng)價(jià)微量元素污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，反映各污染元素的綜合污染效應(yīng)。其計(jì)算公式為：

1.4 樣品處理與數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理基質(zhì)中重金屬和有機(jī)物含量比較

與土壤初始值相比，由于污泥的施用，不同處理基質(zhì)中重金屬元素含量均不同程度地提高（表5）。其中以Zn表現(xiàn)最為明顯，最低值為108.00 mg/kg，最高值達(dá)到572.00 mg/kg；其次為Cu，最低值為20.80 mg/kg，最高值為104.00 mg/kg。土壤與污泥中Cd元素含量較低，因此在部分試驗(yàn)組中含量值處于檢出限以下。在不同試驗(yàn)組中，各個(gè)重金屬元素的含量均在CT4處理中出現(xiàn)了最大值。從CT1處理到CT4處理，多數(shù)重金屬元素的含量呈現(xiàn)出不同程度的遞增趨勢，這表明隨著污泥施用量的增加，填充物中重金屬元素的含量也逐漸增高。但在CT5、CT6處理中，各個(gè)重金屬元素的含量均呈現(xiàn)出降低的趨勢，其中以Cu和Zn最為明顯。CT6處理中重金屬元素的含量又低于CT5處理中的含量，這是因?yàn)?組試驗(yàn)中污泥層施用的位置不同，從而導(dǎo)致這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。與污泥初始值相比，與土壤混合后，除元素As外，其他重金屬元素的含量均有不同程度的降低，其中以Cu、Zn最為明顯。

與污泥初始值相比，有機(jī)物中除多氯聯(lián)苯外，其余有機(jī)物的含量均呈現(xiàn)出不同程度的降低，與重金屬含量在每個(gè)試驗(yàn)組的變化趨勢相似（表6）。各個(gè)有機(jī)物的含量在CT4處理達(dá)到最大值，從CT1到CT4處理，隨著污泥施用量的增加，有機(jī)污染物的含量呈現(xiàn)出遞增的趨勢，在CT5、CT6處理中含量突然降低（除多氯聯(lián)苯）。多氯聯(lián)苯在不同試驗(yàn)組中含量變化比較穩(wěn)定，這說明多氯聯(lián)苯穩(wěn)定性較強(qiáng)，與土壤混合后對(duì)其穩(wěn)定性影響甚微。

2.2 不同處理滲濾液中重金屬和有機(jī)物濃度比較

與我國地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值相比，各重金屬元素濃度均未超過標(biāo)準(zhǔn)值（圖2）。滲濾液中Hg元素含量較低，均處于檢出限以下。Cu在CT2處理中濃度最高，為0.051 mg/L；Pb在CT6處理中濃度最高，為0.013 mg/L；Zn在CT4處理中濃度最高，為0.024 mg/L；As在CT5處理中濃度最高，為0.031 mg/L；不同試驗(yàn)組中Cd的含量沒有發(fā)生變化，在CT1處理中濃度處于檢出限以下；Cr6+在CT5處理中濃度最高，為0.013 mg/L；Ni在CT5處理中濃度最高，為0.216 mg/L。

淋溶造成填充物中各個(gè)處理有機(jī)物的含量存在不同程度的流失，其中揮發(fā)酚流失量最低，均處于檢出限以下，這可能是因?yàn)閾]發(fā)酚易揮發(fā)，長時(shí)間試驗(yàn)造成了部分揮發(fā)酚的揮發(fā)。礦物油和可吸附有機(jī)鹵化物流失量較大，從圖3可以看出，從CT1到CT4處理，滲濾液中礦物油和可吸附有機(jī)鹵化物的濃度隨著污泥施用量的增加而增加，礦物油含量在CT4處理滲濾液中最高，為0.107 mg/L；可吸附有機(jī)鹵化物濃度在CT3處理中最高，為0.044 mg/L。這兩者的濃度在CT5處理中均呈現(xiàn)出降低的趨勢。多氯聯(lián)苯和總氰化物在CT1、CT6處理中濃度均相同，為0.003 mg/L，可見與污泥的施用量之間無相關(guān)性。

2.3 重金屬污染生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 充填物重金屬元素生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 充填物中重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)（Ei）及各個(gè)重金屬元素生態(tài)危害指數(shù)（RI）計(jì)算結(jié)果見表7。從不同試驗(yàn)組各個(gè)重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)來看，Hg元素危害系數(shù)最大，在處理CT1、CT2、CT5、CT6中分別為137.78、112.10、138.27、12395，均對(duì)土壤構(gòu)成了強(qiáng)生態(tài)危害；而在CT3、CT4處理中，其潛在生態(tài)危害系數(shù)分別為199.51、200.99，對(duì)土壤造成了很強(qiáng)的生態(tài)危害。這主要是因?yàn)橥寥罉悠返腍g初始含量高，再加上污泥施用的疊加富集所致。其次為Cd元素，在CT4處理中，其潛在生態(tài)危害系數(shù)為74.44，達(dá)到中等生態(tài)危害水平。而其余重金屬元素在不同試驗(yàn)組中的潛在生態(tài)危害系數(shù)都比較小，僅達(dá)到輕度生態(tài)危害水平。

不同試驗(yàn)組中多種重金屬元素綜合潛在危害指數(shù)均大于150，達(dá)到中等生態(tài)危害水平，其中CT4處理組甚至超過了300，達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害水平。

2.3.2 滲濾液中重金屬元素危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 滲濾液中重金屬元素的污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8。各試驗(yàn)組綜合污染指數(shù)（I）均小于0.7，均未對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成污染。試驗(yàn)組中Hg含量較低，處于檢出限以下。Cu在CT2、CT3、CT4、CT5處理滲濾液中污染指數(shù)分別為0.051、0.220、0.240、0.380，均小于0.7，污染等級(jí)為安全；在CT1、CT6處理中污染指數(shù)分別為0.800、1.000，處于警戒線位置，尚清潔。Pb在CT2處理中污染指數(shù)為0.90，處于警戒線以內(nèi)，尚清潔；其他處理組Pb污染指數(shù)均不高于0.7，無污染。Zn、As在各個(gè)試驗(yàn)組滲濾液中污染指數(shù)均處于等級(jí)1水平，在安全限以內(nèi)。Cd在CT2、CT3、CT5、CT6處理中污染指數(shù)均為1.0，污染等級(jí)為2，處于警戒線以內(nèi)。Cr6+、Cu表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律，在CT1、CT6處理中污染指數(shù)分別為0.80、1.00，污染等級(jí)為2，尚清潔；其他試驗(yàn)組無污染。Ni在CT5處理中污染指數(shù)為2.16，對(duì)地下水體已經(jīng)構(gòu)成重度污染，而其他試驗(yàn)組均未對(duì)水環(huán)境構(gòu)成污染。

2.4 有機(jī)污染物污染風(fēng)險(xiǎn)

礦物油、可吸附有機(jī)鹵化物、多氯聯(lián)苯、揮發(fā)酚和總氰化物的含量均處于污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)，說明所選污泥可以在農(nóng)用地中進(jìn)行土壤改良（表9）。李廣濤等認(rèn)為，利用城市污泥改良土壤會(huì)造成土壤中有機(jī)污染物不同程度的污染，其污染程度主要與使用污泥的類型、污泥的施用量、污泥的理化性質(zhì)以及所需改良土壤的理化性質(zhì)有關(guān)[12]。Duarte-Davidson等曾通過建立數(shù)學(xué)模型來分析將污泥施加到土壤后對(duì)地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)[15-16]，結(jié)果表明，以正確方式施用污泥并且污泥中有機(jī)污染物的含量處于污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)時(shí)，通過淋溶流失的地下水環(huán)境中有機(jī)污染物的含量不會(huì)超過其地下水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值，也就是說不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成污染。這一結(jié)論在中李廣濤等的研究中[12]也有所利用。本研究污泥中有機(jī)污染物的含量均低于污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)值，因此對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成污染的風(fēng)險(xiǎn)非常小。

3 結(jié)論

與土壤中重金屬含量初始值相比，各個(gè)試驗(yàn)處理組中重金屬元素的含量均有不同程度的增加，在CT4試驗(yàn)組中各個(gè)重金屬元素的含量均達(dá)到最大值，Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd、Cr6+、Ni含量的最大值分別為104.00、61.10、572.00、8.85、0.407、0.134、29.30 mg/kg；與污泥中有機(jī)污染物初始值相比，與土壤混合后大大降低了有機(jī)污染物的含量（除多氯聯(lián)苯外），各個(gè)有機(jī)污染物的含量變化趨勢與重金屬元素含量的變化趨勢相似。

各個(gè)試驗(yàn)組充填物中重金屬綜合污染指數(shù)均大于150，達(dá)到中等生態(tài)危害水平甚至強(qiáng)生態(tài)危害水平。單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)以Hg最大，污染水平較高，達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害水平；其余元素均處于輕度危害水平。滲濾液中各組重金屬綜合污染指數(shù)均小于0.7，未對(duì)地下水環(huán)境構(gòu)成污染，單因子指數(shù)中以Ni在CT5處理中污染指數(shù)最高，為2.16，對(duì)水體已經(jīng)構(gòu)成重度污染，其余元素均未達(dá)到污染水平。

試驗(yàn)結(jié)束后充填物和滲濾液中有機(jī)污染物含量均低于標(biāo)準(zhǔn)值，未達(dá)到污染水平。但有機(jī)污染的長期積累會(huì)導(dǎo)致其通過食物鏈的方式進(jìn)入到人體中，對(duì)人類的健康構(gòu)成威脅。因此，在利用污泥改良土壤時(shí)，要控制污泥的施用量及其施用方式，將危害降到最低。

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