污泥對(duì)不同土壤全氮和有機(jī)質(zhì)及重金屬含量的影響

張 強(qiáng)，卜玉山

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

污泥對(duì)不同土壤全氮和有機(jī)質(zhì)及重金屬含量的影響

張 強(qiáng)，卜玉山

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

通過室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，探究3種城市污泥對(duì)磚紅壤、紅壤和石灰性褐土全氮和有機(jī)質(zhì)及重金屬含量的影響。結(jié)果表明，施入污泥后，3種土壤中全氮和有機(jī)質(zhì)的含量均有明顯增加，磚紅壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；紅壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮與有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg；其中，紅壤和石灰性褐土中全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加量均要高于磚紅壤。施用污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量也隨之增加，且隨著污泥施用量的增加呈持續(xù)上升的趨勢(shì)，所以，施用污泥時(shí)必須控制好用量以避免對(duì)土壤造成二次污染。

污泥；養(yǎng)分；重金屬

隨著社會(huì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快、環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及污水處理率和處理程度的提高，污泥產(chǎn)量急劇增加，污泥處置成為一個(gè)重要的環(huán)境問題[1]。目前，對(duì)城市污泥和垃圾的處置方式主要有填埋、焚燒、倒海和農(nóng)業(yè)利用等[2-6]。相比之下，農(nóng)用資源化是最為可行的處置方法。英國(guó)、美國(guó)、瑞士、荷蘭等國(guó)家城市污泥的農(nóng)用率達(dá)50%以上[7-9]。我國(guó)對(duì)城市污泥的農(nóng)用資源化的研究與實(shí)踐與國(guó)外相比均相差甚遠(yuǎn)，污泥農(nóng)用率低[10-12]。生活垃圾和污泥的農(nóng)業(yè)利用，不僅減緩了環(huán)境壓力，并且實(shí)現(xiàn)了廢物資源化和養(yǎng)分再循環(huán)，有利于農(nóng)業(yè)和全社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

污泥中含有大量的植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，可以提高土壤肥力。污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，污泥施入土壤中，可以改良土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)[13-15]，對(duì)土壤的透水通氣、蓄水保肥性及耕作性都有良好的改善作用，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[16]。污泥通過培肥和改良土壤，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用與營(yíng)養(yǎng)和能量物質(zhì)的再循環(huán)[16]。但是污泥中重金屬含量普遍高，這是污泥農(nóng)用最大的限制因素[17]。

本試驗(yàn)研究山西省3個(gè)污水處理廠的污泥在不同的土壤中施用后，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)及重金屬在土壤中的轉(zhuǎn)化規(guī)律，為污泥資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤于2015年3月分別采自海南瓊海市潭門鎮(zhèn)西村村委會(huì)大水嶺村荒草地（19°2′N，110°13′E），土壤為磚紅壤；廣西柳江縣穿山鎮(zhèn)新興農(nóng)場(chǎng)華僑隊(duì)甘蔗地（24°5′8″N，109°24′45″E），土壤為紅壤；山西太谷縣山西農(nóng)大資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站玉米地（37°43′N，112°28′E），土壤為石灰性褐土。

2014年10月采集供試污泥，分別采自山西運(yùn)城臨猗縣污水處理廠（35°07′8.5″N，110°45′25.7″E）、山西霍州污水處理廠（36°32′58.1″N，111°41′41″E）、山西省太原市楊家堡污水處理廠（37°48′22.9″N，112°33′3.4″E），將其風(fēng)干后過0.84 mm尼龍篩備用。供試土壤和污泥的理化性質(zhì)列于表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)的方式，每種土樣設(shè)置5個(gè)處理，分別添加0（CK），1%，2%，4%，6%的不同污泥到200 g土中，充分混勻后，加水使土壤保持濕潤(rùn)，裝入自封袋中封口，在27℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)期間定期攪動(dòng)，并根據(jù)土壤干濕狀況不定期補(bǔ)充水分。2015年6月6日開始培養(yǎng)，7月5日結(jié)束，共30 d。培養(yǎng)結(jié)束后測(cè)定土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、全銅、全鋅、全鉛、全鉻的含量。

表1 供試材料理化性狀

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[18]；土壤全氮含量采用H2SO4-H2O2消化，凱氏定氮法測(cè)定[18]；土壤全銅、全鋅、全鉛、全鉻采用HNO3，濃HCl，HF，濃HClO4消煮，原子分光光度法測(cè)定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2003和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥對(duì)不同土壤全氮含量的影響

表2 不同污泥施用量對(duì)土壤全氮含量的影響 g/kg

不同施用量的3種污泥處理下，3種不同土壤全氮含量差異均達(dá)顯著水平（表2），且隨著污泥施用量的增加，土壤全氮含量呈持續(xù)上升趨勢(shì)。磚紅壤和紅壤施用臨猗和霍州污水處理廠的污泥，在施用量≥2%時(shí)，土壤中全氮含量顯著高于CK，石灰性褐土在施用這2種污泥后，施用量分別在1%和2%時(shí)顯著高于CK。且在最大施用量時(shí)，紅壤與石灰性褐土的全氮增加量均大于磚紅壤，紅壤和石灰性褐土相差不大。施用太原楊家堡污水處理廠的污泥處理后3種土壤在施用量≥1%時(shí)，土壤中全氮含量均顯著高于CK，分別升高了34%，25%和37%，磚紅壤每個(gè)施用量梯度的的全氮含量均顯著高于CK，且其全氮含量的增加量也基本小于紅壤與石灰性褐土的增加量。

2.2 污泥對(duì)不同土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

磚紅壤、紅壤、石灰性褐土在施入3種不同污泥后，其有機(jī)質(zhì)含量差異均達(dá)顯著水平（表3），且隨施用量的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量持續(xù)升高。其中，磚紅壤施用臨猗污水處理廠和楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥2%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK，分別增加了33%和62%；施用霍州污水處理廠的污泥，在施用量≥1%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK，增加了23%。紅壤在施用臨猗污水處理廠污泥后，在施用量≥4%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK，增加了35.6%；而施用霍州污水處理廠和太原楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥1%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK，分別增加了19%和15%。石灰性褐土在施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，在施用量≥4%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK且較CK提高了26.7%。在施用臨猗和霍州污水處理廠污泥后，均在污泥施用量≥6%時(shí)，與CK呈顯著性差異，分別提高了63%，97%。不同土壤對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤。但由于磚紅壤本身的有機(jī)質(zhì)含量較低，在最大施用量時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量較CK增長(zhǎng)的百分率明顯高于紅壤和石灰性褐土，說明污泥對(duì)磚紅壤的改良效果也是十分明顯。

表3 不同污泥施用量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 g/kg

2.3 污泥對(duì)不同土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響

2.3.1 臨猗污水廠污泥對(duì)3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 重金屬含量作為污泥施用的主要限制因素，直接影響污泥的施用量。供試土壤在施入臨猗污水處理廠污泥后，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均隨污泥施用量增加，呈持續(xù)上升趨勢(shì)（表4）。

表4 臨猗污泥對(duì)3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

磚紅壤、紅壤和石灰性褐土，在污泥施用量分別為1%，1%，6%時(shí)，土壤中Cu的含量與CK間差異達(dá)顯著水平，分別增長(zhǎng)了27.4%，10.5%和43.9%，在最大施用量時(shí)，3種土壤中Cu的積累為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤。磚紅壤、紅壤和石灰性褐土施入污泥后，土壤中Zn的含量隨著污泥施用量的增加呈上升趨勢(shì)，在施用量分別為2%，2%和4%時(shí)，土壤中Zn的含量與CK間差異達(dá)顯著水平，且較CK分別增長(zhǎng)了26.2%，23.8%和30.9%。

磚紅壤、紅壤、石灰性褐土在污泥施用后，在施用量分別為4%，4%和2%時(shí)，土壤中Pb含量與CK間差異顯著，且分別增加了6.5%，6.5%和5.7%；在最大施用量時(shí)，3種土壤Pb的增加量為紅壤＞磚紅壤＞石灰性褐土。施用臨猗污水處理廠污泥后，磚紅壤、紅壤、石灰性褐土分別在施用量為4%，4%，6%時(shí)，土壤中Cr含量與CK間差異顯著，分別增長(zhǎng)了17.3%，11.5%和13.8%，在最大污泥施用量時(shí)，紅壤中Cr的積累量略大于磚紅壤和石灰性褐土。2.3.2 霍州污水處理廠污泥對(duì)3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 在施用霍州污水處理廠污泥后，3種土壤中Cu，Zn和Pb的含量均顯著提高（表5），Cr在紅壤和石灰性褐土中差異達(dá)顯著水平，在磚紅壤中差異不顯著。

施用霍州污水處理廠污泥后，3種土壤在污泥施用量分別為6%，4%，6%時(shí)，土壤中Cu含量與CK間差異達(dá)顯著水平，且分別增加了10.2%，3.6%，4.8%；土壤中Zn的含量在施用霍州污水處理廠污泥后，均有顯著提高，且3種土壤均在污泥施用量≥4%時(shí)，與CK間差異達(dá)顯著水平，較CK分別增加了5.4%，3.7%和4.2%，在污泥最大施用量時(shí)，土壤中Zn含量的增加量為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤。施用霍州污水處理廠污泥后，在低施用量時(shí)，3種土壤中Pb的含量均與CK間差異不顯著，在污泥施用量分別達(dá)到6%，4%和6%時(shí)，土壤中Pb的含量與CK間差異達(dá)顯著水平，在污泥施用量為6%時(shí)，石灰性褐土中Pb的積累量要明顯高于紅壤和磚紅壤。在施用霍州污水處理廠污泥后，磚紅壤各個(gè)處理之間的Cr含量差異均不顯著，紅壤和石灰性褐土在施用量為4%時(shí)與CK間差異顯著，分別較CK增加了1.28%和1.22%。

表5 霍州污水處理廠污泥對(duì)3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

2.3.3 太原市楊家堡污水處理廠污泥對(duì)3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr的含量均有不同程度的提高（表6），其中，土壤中Cu的含量在施用污泥后，在施用量分別達(dá)4%，4%和2%時(shí)與CK間差異達(dá)顯著水平。在施用量為6%時(shí)，土壤中Cu的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤。在施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，磚紅壤和紅壤中Zn的含量在低施用量時(shí)差異不顯著，在施用量分別為4%和6%時(shí)，土壤中Zn含量與CK間差異達(dá)顯著水平。石灰性褐土中Zn的含量在施用量為1%時(shí)，與CK間差異顯著，且增加了1.50%。土壤中的Pb含量，在污泥低施用量時(shí)，各處理間差異均不顯著，3種土壤均在污泥施用量為4%時(shí)，土壤中Pb含量與CK間差異達(dá)顯著水平，分別較CK增加了3.9%，6.6%和8.6%。在最大污泥施用量時(shí)，石灰性褐土中Pb的積累量要明顯高于紅壤和磚紅壤。施用太原楊家堡污水處理廠污泥后，3種土壤中Cr的含量分別在污泥施用量為6%，2%和4%時(shí)與CK間差異達(dá)顯著水平，分別增加了4.8%，0.86%和2.6%。在污泥施用量為6%時(shí)，Cr的增加量為石灰性褐土＞磚紅壤＞紅壤。

表6 太原市楊家堡污水處理廠污泥對(duì)3種土壤Cu，Zn，Pb，Cr含量的影響 mg/kg

3 結(jié)論與討論

污泥施入磚紅壤、紅壤、石灰性褐土后，3種土壤中的全氮和有機(jī)質(zhì)含量均得到明顯提高，其中，磚紅壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.03～1.00，0.43～8.06 g/kg；紅壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.10～1.05，1.04～15.21 g/kg；石灰性褐土全氮與有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.16～1.06，1.05～13.40 g/kg，紅壤和石灰性褐土中全氮和有機(jī)質(zhì)含量的增加量均要高于磚紅壤，土壤肥力有所提升。因此，污泥對(duì)貧瘠土壤有良好的改良作用。但污泥中重金屬元素含量普遍較高，其中，Cu和Zn含量最高，Cr次之[19]。施入污泥后，土壤中Cu的積累量為紅壤＞石灰性褐土＞磚紅壤；3種土壤中Zn積累量為石灰性褐土＞紅壤＞磚紅壤；而Pb在石灰性褐土中的積累量要大于磚紅壤和紅壤；土壤中Cr的增加量為石灰性褐土＞磚紅壤＞紅壤。可見，石灰性褐土中Cu，Zn，Pb，Cr的積累處于較高水平，磚紅壤的積累量較低。但是，3種土壤中Cu，Zn，Pb，Cr含量均隨著污泥施用量的提高呈上升趨勢(shì)，所以，在施用污泥提高土壤肥力的同時(shí)，必須兼顧到施用污泥造成的土壤中重金屬含量的增加，要科學(xué)控制好污泥的施用量，以避免對(duì)土壤造成二次污染。

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Effect of Sewage Sludge on Total Nitrogen，Organic Matter and Heavy Metals Content in Different Soils

ZHANGQiang，BUYushan

（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Through incubation experiments,this paper discussed the influence of 3 kinds of city sludge on the brick red soil,red soil and calcareous cinnamon soil total nitrogen,organic matter and heavy metal content.The sludge collected from Linyi sewage treatment plant,Huozhou sewage treatment plant，Yangjiapu in Taiyuan sewage treatment plant sludge,sludge application rate were 0, 1%,2%,4%and 6%.The results showed that the content of the total nitrogen and organic matter of the three kinds of soil applied with sludge increased significantly.The nitrogen and organic matter content of laterite soil increased 0.03-1.00,0.43-8.06 g/kg,respectively. The total nitrogen and organic matter content of red soil increased 0.10-1.05,1.04-15.21 g/kg,respectively.The total nitrogen and organic matter content of calcareous cinnamon soil increased 0.16-1.06,1.05-13.40 g/kg,respectively.The increment of the total nitrogen and organic matter in red soil and calcareous cinnamon soil exceeded laterite soil.With the increasing of applying sludge content,the content of Cu,Zn,Cr and Pb in soil also increased.Thus the applying sludge content should be controlled to avoid two pollution ofthe soil.

sewage sludge;nutrient;heavy metals

X705

A

1002-2481（2017）03-0433-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.28

2016-11-30

山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2013-重點(diǎn)7）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130313007-3）

張 強(qiáng)（1991-），男，山西河津人，在讀碩士，研究方向：施肥與環(huán)境。卜玉山為通信作者。