生物炭添加污泥堆肥對(duì)土壤改良效果研究

于川洋

摘要：研究了生物炭添加對(duì)污泥堆肥改良園林土壤肥力的促進(jìn)效果。結(jié)果表明：適當(dāng)比例（0～10%）污泥堆肥施加能夠顯著提升土壤肥力，除了提供有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素外，還可以提高土壤脲酶、過氧化性酶等的活性，改善土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，從而提高黑麥草產(chǎn)量；生物炭的添加，可以提高污泥堆肥腐熟度，進(jìn)一步提高污泥堆肥對(duì)土壤肥力的促進(jìn)作用，利于植物生長。同時(shí)，可以緩解污泥堆肥中鹽分等有害物質(zhì)對(duì)土壤微生物活性和植物生長帶來的不利影響。生物炭添加能更好地促進(jìn)污泥堆肥在園林綠化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：污泥堆肥；生物炭；園林；土壤改良；酶活性

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）8009505

1引言

污泥作為污水處理廠污水生物處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其含有大量有機(jī)質(zhì)以及氮、磷等營養(yǎng)元素，具有很高的資源化利用潛質(zhì)。同時(shí)，我國濕污泥年產(chǎn)量已達(dá)到3000萬t以上，不經(jīng)過有效的處理處置，污泥中病原微生物以及重金屬等有害物質(zhì)將對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重危害。目前，污泥最終處置方式主要有堆肥化后土地利用，填埋，焚燒以及建材利用[1]。然而，不同處置方式都存在一定的弊端，難以有效地實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化以及資源化。以土地利用為例，我國很多污水處理廠處理的污水包括生活污水和工業(yè)廢水，污泥中含有較高的重金屬。因此，重金屬問題嚴(yán)重限制污泥大規(guī)?；蛘唛L期進(jìn)行農(nóng)用。住建部于2009年頒布了《CJ-T309-2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)》，將污泥分為A級(jí)和B級(jí)，不同級(jí)別污泥相應(yīng)地嚴(yán)格限制了總砷、總鎘、總鉻、總汞等重金屬含量，同時(shí)規(guī)定了污泥年累積施用量不超過7.5 t/hm2，最高連續(xù)施用10年。其他處置方式也存在明顯的弊端，填埋除了占用土地資源，也存在污染地下水、引起沼氣爆炸等安全隱患。焚燒處置雖然可以較為徹底實(shí)現(xiàn)污泥減量化，但是濕污泥熱值低，需要添加煤炭混合焚燒，或者干化后焚燒，能耗大。建材利用也存在污泥摻雜降低建材品質(zhì)等問題。

在歐美等國家，污泥重金屬含量低，填埋方式逐年減少，以土地利用等實(shí)現(xiàn)污泥資源化處置的方式在逐年增加，成為主要的發(fā)展趨勢[2]。隨著我國對(duì)污泥處理處置力度的增大、意識(shí)的加深，污泥泥質(zhì)也將會(huì)趨于變好，土地利用將是未來我國污泥處置的主要方式。特別是現(xiàn)階段，雖然污泥農(nóng)用受到限制，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，而污泥堆肥品用于園林綠化，提高土壤肥效，不僅拓展污泥利用途徑和范圍，同時(shí)不存在進(jìn)入食物鏈的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)劉洪濤等人[3]報(bào)道，我國在公路綠化帶以及城市園林綠化領(lǐng)域?qū)τ袡C(jī)肥需求量巨大，每年約有（120～150）×104 t有機(jī)肥的需求量。此外，在速生林的土壤也亟待有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分補(bǔ)充，僅速生林對(duì)有機(jī)肥的需求量就可達(dá)1200×104 t。

根據(jù)以往研究，污泥堆肥品可以改良土壤肥效，促進(jìn)植物生長，但是高含鹽量反而會(huì)對(duì)綠化植物生長產(chǎn)生一定負(fù)面影響。劉強(qiáng)等人[4]研究污泥堆肥對(duì)園林植物（高羊茅、萬壽菊）生長的影響，對(duì)于高羊茅，當(dāng)污泥堆肥干重施用比例在0～10%時(shí)，隨著比例增加，高羊茅生長得到促進(jìn)，植株株高由12.5 cm提高到35.0 cm，生物質(zhì)含量由4.28 mg 增加到13.50 mg。而施用比例達(dá)到20%時(shí)，種子發(fā)芽率不足35%，生物質(zhì)含量降低到了5.69 mg。蔡紅等人[5]研究污泥堆肥對(duì)番茄等蔬菜幼苗的鹽害作用，發(fā)現(xiàn)污泥堆肥含鹽量高，特別是Na+和Cl-濃度高，對(duì)植物產(chǎn)生明顯鹽害作用。而用水淋洗的方式可以降低污泥堆肥中鹽含量，蔬菜幼苗長勢得到改善，株高增加了2～3倍。此外，生物炭作為生物質(zhì)固體廢棄物資源化回收材料，大量研究[6～8]表明，其具有很好的重金屬、氮、磷吸附效果，甚至很好的脫鹽效果[9]。此外，污泥堆肥過程中添加生物炭有利于提高堆肥中胡敏酸含量，提高污泥堆肥腐殖酸品質(zhì)，同時(shí)有利于降低重金屬含量和有效量[10]。張翔等人[11]研究結(jié)果表明，污泥基生物炭添加能增加豬糞堆肥速度，提高堆肥品質(zhì)，生物炭肥料能很好的改善土壤性質(zhì)。因此，生物炭在污泥堆肥過程中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，目前對(duì)于生物炭添加對(duì)污泥堆肥土壤修復(fù)效果以及園林植物生長影響的研究仍鮮有報(bào)道。因此，筆者利用生物炭與污泥混合堆肥，將堆肥成品施加到園林土壤中進(jìn)行黑麥草盆栽實(shí)驗(yàn)，考察生物炭添加污泥堆肥品對(duì)黑麥草生長、土壤物化性質(zhì)以及微生物性質(zhì)的影響。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1土壤

盆栽實(shí)驗(yàn)土壤取自溫室大棚園林綠化培植基地耕作層土壤，其基本特征為：pH值6.78，有機(jī)質(zhì)3.12%，全氮0.105%，全磷0.673%。土壤取回后，風(fēng)干過2 mm篩子備用。

2.1.2堆肥污泥

污泥堆肥采用不銹鋼制成密閉堆肥反應(yīng)器，靜態(tài)堆肥，間隔曝氣好氧發(fā)酵。污泥取自山東德州某污水處理廠脫水污泥，污泥經(jīng)過晾曬到含水率70%左右，添加一定量的木屑將含水率調(diào)節(jié)到60%，并且起到提高堆肥原料碳氮比的目的。堆肥分為普通污泥堆肥不添加生物炭（SF），以及添加10%（干重比）生物炭的污泥堆肥（BF）。經(jīng)過35 d的好氧發(fā)酵得到腐熟的污泥堆肥品。生物炭選用木屑生物炭，購自河南商丘三利公司，基本特征如表1所示。

2.1.3植物

盆栽實(shí)驗(yàn)選用黑麥草，因其具有發(fā)芽快、養(yǎng)護(hù)簡單、抗寒性好等特點(diǎn)，常用于城市園林綠化用草。

2.2盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用直徑12 cm，高12 cm聚乙烯塑料盆，每盆裝土0.6 kg。按照污泥堆肥品在土壤中干重比例分別為0%，5%，10%，20%進(jìn)行混配。黑麥草草籽用去離子水沖洗后水中侵泡6 h，催芽后按照每盆30顆的播種量種入土壤。每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下設(shè)置3個(gè)平行的盆栽。所有盆栽放于陽光充足的溫室中，計(jì)算10 d內(nèi)種子的發(fā)芽率，40 d后收割黑麥草。測定黑麥草株高，風(fēng)干后稱重測生物量。

2.3分析方法

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法[12]。

2.3.1土壤酶活性

40 d黑麥草收割后，于盆中土壤5 cm深處均勻地取得3個(gè)土樣，并進(jìn)行混勻后，用于土壤酶活性，微生物分析。土壤脲酶采用苯酚鈉比色法[13]測定，土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀法[14]測定，蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法[13]測定。

2.3.2土壤微生物

土壤微生物的測定采用平板稀釋法[15]。真菌和放線菌培養(yǎng)基分別為改良馬丁培養(yǎng)基和高氏1號(hào)培養(yǎng)基， 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。

3結(jié)果與討論

3.1生物炭添加對(duì)污泥堆肥影響

表2為堆肥完成后肥料的基本理化特征。生物炭的添加對(duì)污泥堆肥理化特征產(chǎn)生影響，由于生物炭本身具有較高電導(dǎo)率，其添加也導(dǎo)致污泥堆肥品電導(dǎo)率顯著升高，堆肥品電導(dǎo)率的升高有利于促進(jìn)微生物的代謝活性和微生物代謝過程電子傳遞速率。此外，碳氮比、營養(yǎng)元素K的含量也有所提高。鈉離子的含量有所降低，這將有利于緩解污泥堆肥鹽度對(duì)植物生長帶來的不利影響。但是，生物炭的添加也導(dǎo)致了碳、氮的流失。這主要是由于生物炭添加提高了污泥中蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物的分解效率，釋放更多二氧化碳、氨氣，導(dǎo)致碳、氮的流失。張繼寧等人[16]研究結(jié)果表明，木炭的添加提高了污泥堆肥的穩(wěn)定度，蛋白質(zhì)、多糖等組分含量相對(duì)降低，引起明顯的碳、氮減量。因此，生物炭添加可以進(jìn)一步提高污泥堆肥腐熟度。

3.2堆肥對(duì)黑麥草生長影響

經(jīng)過堆肥處理后污泥，含有豐富有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，對(duì)植物的生長非常有利。但污泥中也富集大量重金屬、鹽分以及難降解有機(jī)物，也會(huì)對(duì)土壤微生物、植物生長產(chǎn)生不利影響。如表3所示，適量污泥堆肥施加能夠顯著提升土壤肥力。普通污泥施用比例在0～10%，隨著施用比例提高，黑麥草的株高、產(chǎn)量都得到了明顯的提升。但是，堆肥施加量提高到20%時(shí)，黑麥草的生長受到顯著抑制，發(fā)芽率不足40%，說明污泥堆肥中有害物質(zhì)嚴(yán)重干擾種子萌發(fā)。黑麥草生長也受到了明顯抑制，株高、產(chǎn)量顯著降低，過多的污泥堆肥品施加非常不利于植物生長。

生物炭添加提高了污泥堆肥對(duì)土壤的改良效果。在5%堆肥施加量下，黑麥草產(chǎn)量提高15.38%。同時(shí)，降低污泥堆肥中有害物質(zhì)對(duì)植物生長的不利影響。在20%污泥堆肥施加量下，生物炭添加提高了單獨(dú)污泥堆肥施加下種子的發(fā)芽率，黑麥草生長也得到改善。如圖1所示，污泥堆肥的施加顯著提高了土壤的電導(dǎo)率、鹽分。生物炭在污泥堆肥過程中的添加，提高了堆肥的電導(dǎo)率，但是鹽分卻有一定程度的降低。鹽分的降低會(huì)緩解污泥堆肥中重金屬、鹽等有害物質(zhì)對(duì)植物生長的不利影響。此外，生物炭對(duì)污泥堆肥土壤改良效果的提高，也與其能提高污泥堆肥的腐熟度有關(guān)。

3.3.1土壤脲酶

脲酶廣泛存在于土壤中，能催化尿素分解產(chǎn)生氨、二氧化碳、水，對(duì)土壤中氮素利用、氮素循環(huán)具有重要作用。如圖2所示，適當(dāng)比例污泥堆肥（0～10%）施加能夠顯著提升土壤中脲酶活性，但是過多堆肥施加反而會(huì)對(duì)脲酶的活性產(chǎn)生抑制。生物炭在污泥堆肥中的施加有利于進(jìn)一步提高對(duì)土壤脲酶活性的提升效果。這一結(jié)果與生物炭添加提升污泥堆肥過程中蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)分解，提高碳、氮的去除量相一致。生物炭具有一定的導(dǎo)電性以及良好的吸附性，可以作為微生物的載體以及電子傳遞通道，提升微生物的代謝效率。已有研究證明，生物炭能夠提高一些生物反應(yīng)過程的效率，如厭氧消化過程[17]等。

3.3.2土壤過氧化氫酶

過氧化氫酶參與生物的呼吸代謝，其活性高低與好氧微生物數(shù)量、土壤肥力有密切聯(lián)系。如圖3所示，適當(dāng)比例（0～10%）污泥堆肥的添加提高了土壤過氧化氫酶活性，而生物炭的添加能更顯著地提高過氧化氫酶活性。由此說明，生物炭在污泥堆肥中的施加不但能夠提高污泥堆肥的腐熟度，同時(shí)進(jìn)一步地影響施用土壤中微生物的代謝呼吸過程，顯著改善土壤生物環(huán)境。而過高比例（20%）污泥堆肥施加，可能由于有害物質(zhì)或有機(jī)質(zhì)過高，導(dǎo)致土壤酸化，抑制了過氧化氫酶活性[18]。

3.3.3土壤蔗糖酶

如圖4所示，施加污泥堆肥對(duì)土壤蔗糖酶的活性也有一定的促進(jìn)作用，特別是在較低比例（5%）污泥堆肥施加量情況下。而生物炭的添加對(duì)蔗糖酶活性的作用效果并不顯著。蔗糖酶與碳水化合物的代謝過程有關(guān)，可以將蔗糖水分解成葡萄糖和果糖，成為植物、微生物好氧呼吸重要的碳源。說明污泥堆肥有利于提高土壤蔗糖酶活性，促進(jìn)碳水化合物的轉(zhuǎn)化。但是，生物炭并未能夠進(jìn)一步促進(jìn)碳水化物的轉(zhuǎn)化效率。

3.4堆肥對(duì)土壤微生物影響

污泥堆肥施用對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了顯著地影響。如圖5所示，污泥堆肥的施加導(dǎo)致了土壤微生物總量明顯升高，細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均有所升高。其中，以真菌的增長幅度最為明顯，這可能與污泥堆肥過程中調(diào)理劑秸稈的添加在堆肥過程中的腐敗等導(dǎo)致真菌的大量繁殖有關(guān)。放線菌是土壤中數(shù)量僅次于細(xì)

菌的微生物，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)合成具有重要作用。同時(shí)一些代謝產(chǎn)物能改善土壤環(huán)境，有利于植物生長[19]。生物炭的添加進(jìn)一步促進(jìn)了污泥堆肥對(duì)土壤微生物數(shù)量的提升效果。土壤微生物數(shù)量的增加將極大地提高土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷等轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)植物對(duì)土壤中養(yǎng)分利用效率。

污泥堆肥施加除了使土壤微生物數(shù)量得到提升以外，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)也受到了影響（圖6）。與未添加污泥堆肥土壤相比，污泥堆肥添加使土壤中放線菌，特別是真菌比例明顯增高，土壤中微生物多樣性指數(shù)明顯提高。施用污泥堆肥有利于土壤建立良好的微生物結(jié)構(gòu)。生物炭的添加并未對(duì)微生物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。

4結(jié)論

（1）污泥堆肥對(duì)園林土壤具有很好的改良效果，一定比例（0～10%）堆肥污泥的施加可以顯著促進(jìn)黑麥草生長，提高黑麥草產(chǎn)量。這主要是因?yàn)槲勰喽逊实氖┘幽軌驗(yàn)橹参锷L提供有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素。此外，污泥堆肥的施加能顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶以及過氧化氫酶活性，提高土壤微生物數(shù)量，改善微生物種群結(jié)構(gòu)，從而起到了很好的改良土壤肥力的效果。但是過高比例（20%）污泥堆肥的施加，會(huì)導(dǎo)致植物生長受到干擾，發(fā)芽率、株高、生物質(zhì)產(chǎn)量都受到不利影響，土壤中脲酶等酶活性，微生物的數(shù)量都受到了不利影響。

（2）生物炭在堆肥過程中的添加，對(duì)污泥堆肥土壤改良效果起到了促進(jìn)作用。主要表現(xiàn)為：生物炭的添加進(jìn)一步提高了黑麥草的產(chǎn)量，同時(shí)緩解了污泥堆肥過量施加對(duì)植物生長產(chǎn)生的不利影響；生物炭的添加改變堆肥污泥的理化特征，提高碳、氮的去除量，即提高了腐熟程度，同時(shí)一定程度上降低了鹽分；生物炭添加進(jìn)一步促進(jìn)了堆肥污泥對(duì)土壤脲酶、過氧化氫酶活性的促進(jìn)效果，一定程度上具有緩解過量堆肥污泥施加對(duì)土壤酶活性帶來的抑制影響；生物炭添加對(duì)土壤微生物數(shù)量的增加具有進(jìn)一步地促進(jìn)作用。因此，生物炭在污泥堆肥過程中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

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