厭氧消化污泥對退化苗圃土壤的改良效果研究

楊長明， 范博博， 荊亞超

(同濟大學(xué) 長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092)

目前我國隨著城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模不斷增加，污泥的產(chǎn)生量也在急劇上升，從而面臨著巨大的有效科學(xué)處理和處置壓力[1].實現(xiàn)市政污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化是解決污泥問題的主要手段和思路.由于市政污泥富含有機質(zhì)和營養(yǎng)元素，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的污泥土地利用將是未來發(fā)展趨勢.高品質(zhì)的市政污泥土地利用可能是未來污泥最終處置的重要途徑和方向，但在土地利用之前，污泥必須進(jìn)行穩(wěn)定化處理，以降低其對土壤環(huán)境帶來的生態(tài)風(fēng)險[2].

厭氧消化(Anaerobic digestion)是集中式污泥穩(wěn)定化的一項重要技術(shù)，不但可以實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化過程，還可以實現(xiàn)能源回收[3-4].但是，厭氧消化后的污泥出路問題至今尚未得到完全解決，從而嚴(yán)重制約了污泥厭氧消化技術(shù)的發(fā)展.市政污泥經(jīng)過厭氧消化穩(wěn)定化處理以后，仍富含氮、磷、微量元素和有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，而且養(yǎng)分更為均衡，特別是消化后污泥具有腐殖質(zhì)膠體，能使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，保持很好的養(yǎng)分和水分作用[5].將厭氧消化穩(wěn)定化后污泥就地進(jìn)行土地利用，這不僅可以徹底解決厭氧消化污泥出路問題，降低污泥的處置成本，同時還可以對一些退化土壤進(jìn)行改良，進(jìn)而提高土壤質(zhì)量.但是，目前對厭氧消化后污泥土地利用后的土壤質(zhì)量以及重金屬累積特征的研究較少[6]，而且多以短期的實驗為主，連續(xù)數(shù)年的施用效果研究尚未見報道.

本論文以嚴(yán)重退化的苗圃土壤作為研究對象，通過連續(xù)3年的厭氧消化污泥施用的柱狀模擬實驗，并結(jié)合對土壤主要理化指標(biāo)以及微生物生理生態(tài)指標(biāo)的測定，較為全面研究了厭氧消化污泥連續(xù)施用對退化苗圃土壤的改良效果.同時，還對厭氧消化污泥施用后土壤重金屬的累積過程進(jìn)行了分析和探討，以全面評估厭氧消化污泥施入土壤后對土壤質(zhì)量和土壤健康的影響，以期為今后厭氧消化穩(wěn)定化污泥土地安全利用和資源化處理處置提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自合肥市包河區(qū)大圩鎮(zhèn)某香樟苗圃基地，其主要理化指標(biāo)見表1.由于多年連續(xù)種植，加上不合理的施肥和灌溉，導(dǎo)致該苗圃土壤呈現(xiàn)輕度的鹽漬化狀態(tài)，電導(dǎo)率(EC)高達(dá)245 μS·cm-1；土壤pH為8.28，也較周邊土壤偏高.該苗圃土壤容重也較高，土壤板結(jié)嚴(yán)重，透氣性較差.另外，該苗圃土壤有機質(zhì)含量也偏低，僅為15.2 g·kg-1，土壤有效養(yǎng)分供給能力弱，使得該苗圃土壤退化問題較為嚴(yán)重，苗木生長緩慢，而且苗圃成活率較低.

厭氧消化污泥采自合肥十五里河污水處理廠內(nèi)的國家水專項污泥厭氧消化研究基地，其基本泥質(zhì)指標(biāo)如表1所示.由表1可以看出，該厭氧消化污泥有機質(zhì)含量為339 g·kg-1，養(yǎng)分含量也較高.另外，由于該污水廠進(jìn)水98%為生活污水，其原污泥重金屬含量較低，厭氧消化后的污泥中幾種主要重金屬含量均顯著低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23486—2009)[7].因此，本實驗采用的厭氧消化污泥泥質(zhì)總體較好，非常適合進(jìn)行土地利用.

表1 供試的苗圃土壤理化指標(biāo)和厭氧消化污泥泥質(zhì)特征

注：1.表中數(shù)據(jù)為3次測定平均值，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差；2.“-”表示未檢測出，即含量低于儀器檢測線水平.

本研究采用模擬土柱試驗，土柱長為60 cm，直徑為20 cm，每個土柱填裝16 kg的苗圃土壤.填裝后，將風(fēng)干、粉碎并過20目篩的厭氧消化污泥施于表層，然后與0～20 cm土壤充分混合，厭氧消化污泥施加量為300 g·土柱-1·年-1.同時，設(shè)置不加污泥的土柱作為對比.通過定期澆灌，以保證土柱表層土壤達(dá)到70%的田間持水量.本土柱實驗在四周通風(fēng)的陽光棚中進(jìn)行，除了可以防雨外，還可以加速土壤中的反應(yīng)過程.實驗自2014年1月開始，2016年12月結(jié)束，共持續(xù)3年時間.

1.2 土壤樣品采集與測定

試驗期間的每年12月底，采集土柱中表層(0～20 cm)土壤，采集的土壤樣品一部分自然風(fēng)干，做土壤理化指標(biāo)分析，一部分放置冰箱冷藏(4 ℃)，用作微生物分析用.

土壤質(zhì)地(粒級組成)采用吸管法測定；土壤pH和電導(dǎo)率(EC)采用電極法測定，水土比為1：1.土壤總可溶性鹽含量(TDS)測定采用質(zhì)量法測定：將土壤樣品與水按一定的水土比例(5∶1)混合，經(jīng)過一定時間振蕩后，將土壤中的可溶性鹽提取到溶液中，然后將水土混合液進(jìn)行過濾，濾液可作為土壤可溶性鹽分測定的待測液，再進(jìn)行蒸發(fā)后稱重.土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀法；土壤中凱氏氮測定采用H2SO4+混合加速劑(K2SO4+CuSO4+Se)消煮，半微量凱氏蒸餾定氮法；堿解氮測定采用堿解擴散法；總磷測定采用HClO4- H2SO4消煮，鉬銻抗比色法；Olsen-P(有效磷)測定采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色法，以上理化指標(biāo)具體方法和步驟請參考文獻(xiàn)[8]；

厭氧消化污泥和苗圃土壤主要重金屬(Cd、Cu、Zn、Cr、Ni和Pb)和類重金屬(As)全量測定：準(zhǔn)確稱取0.5 g通過 100目篩的沉積物土壤或污泥樣品于聚四氟乙烯消解管中，加入5 ml HNO3.將消解管置于電熱板上，以150℃加熱至液體近干，再加入5 ml HNO3、5 ml HF、3 ml HClO4，保持150℃加熱消解，直至固體消失.將酸蒸至近干冷卻后用2% HNO3將消解樣定容至25 ml.離心后取上清液，過0.45 μm的濾膜，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)(Optima 2100 DV，美國Perkin Elmer公司生產(chǎn))測定其中As、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn等元素含量.

土壤微生物生物量碳(MBC)和生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液提取法測定；土壤關(guān)鍵酶活性分析：土壤脫氫酶活性采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測，TTC被還原后，能形成脂溶性的紅色產(chǎn)物三苯基甲簪(TPF)；采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，該方法以尿素為基質(zhì)，根據(jù)酶促產(chǎn)物氨與苯酚-次氯酸鈉作用生成藍(lán)色的靛酚，以24 h后1 g土壤中產(chǎn)生的NH3-N的質(zhì)量(mg)表示脲酶的活性；采用磷酸苯二鈉比色法測土壤堿性磷酸酶活性，以24h后1g土壤中釋出酚(Phenol)的質(zhì)量(mg)表示磷酸酶活性.轉(zhuǎn)化酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以蔗糖作為基質(zhì)，根據(jù)葡糖糖與3,5-二硝基水楊酸反應(yīng)生成黃色產(chǎn)物來確定轉(zhuǎn)化酶活性，最后以24h后土壤中生成的葡萄糖(Glucose)的質(zhì)量(mg)表示蔗糖酶活性.以上土壤微生物生理生態(tài)指標(biāo)分析具體步驟參考文獻(xiàn)[9].

1.3 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理，所有試驗數(shù)據(jù)通過ANOVA變異分析程序進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用鄧肯新復(fù)檢驗法(Duncan’s new multiple range test)對不同處理和不同施用年限下土壤理化指標(biāo)、微生物指標(biāo)以及重金屬積累特征差異進(jìn)行統(tǒng)計估計，在P<0.05的概率水平視為顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧消化污泥施用對土壤主要理化指標(biāo)的影響

厭氧消化污泥施用后對苗圃土壤主要理化性質(zhì)的影響如表2所示.由表2可明顯看出，與不施厭氧消化污泥相比較，施用厭氧消化污泥后可明顯提高土壤粘粒比例，從而有助于改善了土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤的緩沖性能.施用厭氧消化污泥3年后，土壤pH較實驗前和無添加厭氧消化污泥也有明顯(P<0.05)降低，由無添加厭氧消化污泥的8.24降到至7.89，屬中性偏堿性，這種酸堿環(huán)境對于大多數(shù)植物和微生物生長都是有利的.厭氧消化污泥施用也顯著(P<0.05)增加了土壤有機質(zhì)含量(表2)，與無添加厭氧消化污泥相比較，厭氧消化污泥土地施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤有機質(zhì)含量分別提高了11.8%、39.1%和76.9%，由此表明施用經(jīng)厭氧消化后的穩(wěn)定化污泥對土壤有機質(zhì)提升作用明顯，而且隨著施用年限的增加，土壤有機質(zhì)含量也會穩(wěn)步上升，這與過去的研究結(jié)果一致，只是增加幅度因污泥施用量不同而有所差異[10].污泥經(jīng)過厭氧消化后，其中易降解有機質(zhì)大部分被降解，剩余大部分為難降解的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，這種物質(zhì)更有利于在土壤中積累.

與土壤有機質(zhì)變化類似，土壤總氮和總磷含量也是隨著厭氧消化污泥的施用年限增加而增加，這說明在目前的施用量下向苗圃土壤施用厭氧消化污泥有助于土壤養(yǎng)分含量的增加[11].從表1還可以看出，與無添加厭氧消化污泥土壤相比較，施用厭氧消化污泥還可明顯(P<0.05)提高土壤有效養(yǎng)分的含量.與無添加厭氧消化污泥相比較，厭氧消化污泥土壤施用3年后，土壤堿解氮和Olsen-P含量分別增加了109%和95.4%.由此可以看出，相對于養(yǎng)分總量而言，厭氧消化污泥施用更有利于增加土壤中有效態(tài)養(yǎng)分的供給.添加富含有機質(zhì)的厭氧消化污泥大大改善了土壤理化環(huán)境，從而有利于微生物數(shù)量和活性的增加，增強了對土壤有機質(zhì)的礦化和有效養(yǎng)分的釋放[12].

表2 厭氧消化污泥施用不同年限對土壤理化性質(zhì)的的影響

注：表中數(shù)據(jù)為3次測定平均值，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差.

圖1為施用厭氧消化污泥對苗圃土壤總可溶性鹽含量(TDS)和電導(dǎo)率(EC)的影響.由圖1可以看出，土壤全鹽量自施用厭氧消化污泥后也出現(xiàn)明顯降低，與無添加厭氧消化污泥相比較，厭氧消化污泥土地施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤TDS較無添加厭氧消化污泥分別下降了15.8%、23.7%和44.5%，電導(dǎo)率(electric conductivity,EC)分別下降20.4%、41.6%、58.4%.土壤施用厭氧消化污泥3年后，土壤中TDS僅為0.875 g·kg-1，EC值降至為91.5 μS·cm-1，大大緩解了由于長期不合理施肥和灌溉導(dǎo)致的苗圃土壤呈現(xiàn)次生鹽漬化過程.這也進(jìn)一步說明，施用厭氧消化污泥對調(diào)節(jié)和改善退化苗圃土壤理化環(huán)境具有較好的效應(yīng).過去有研究表明，長期施用原污泥可能會造成土壤鹽度升高，甚至出現(xiàn)次生鹽堿化[13].本試驗結(jié)果則表明，厭氧消化污泥施用對較高鹽度苗圃土壤具有一定的改良作用.鹽度的降低一方面是原污泥中一些鹽基離子在厭氧消化過程中進(jìn)入液相中，使得厭氧消化后的污泥鹽度有明顯降低.另外，施用厭氧消化污泥后，增加的土壤孔隙，有利于鹽基離子通過淋洗排出土壤系統(tǒng)[14].

a EC

b TDS

2.2 厭氧消化污泥施用對土壤微生物學(xué)特征的影響

作為土壤的重要組成部分，土壤微生物在土壤形成和演化過程中起著主導(dǎo)作用，并可用以較早地預(yù)測土壤有機質(zhì)乃至土壤環(huán)境的變化過程，是土壤質(zhì)量和土壤恢復(fù)性能評價的一項敏感性指標(biāo)[15].土壤微生物生物量(soil microbial biomass，SMB)是指土壤中體積小于5μm的活性微生物總量，是土壤有機質(zhì)中最活躍和最易變化的部分[15].土壤微生物生物量與土壤中的C、N、P、S等養(yǎng)分元素的循環(huán)密切相關(guān)，可直接反映土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的變化[15].圖2為厭氧消化污泥施用到苗圃土壤后，土壤中微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的變化情況.由圖2可明顯看出，苗圃土壤施用厭氧消化污泥后，土壤中MBC和MBN都有明顯(P<0.05)的增加，與無厭氧消化污泥投施土壤相比較，厭氧消化污泥施用1年、施用2年和施用3年以后，土壤微生物生物量碳(MBN)含量分別提高了22.1%、85.2%和147.8%，而對土壤微生物生物量碳(MBC)含量的增加效應(yīng)更為明顯，分別提高了28.4%、110.5%和222.6%.由此說明，厭氧消化污泥施用對促進(jìn)農(nóng)田土壤微生物的生長是非常有利的.這主要是由于厭氧消化污泥的施用，提高了土壤有機質(zhì)和其他養(yǎng)分的含量，也改善了土壤的通氣狀況，改善了土壤微生物的環(huán)境，并為其代謝活動提供了良好的基質(zhì)，進(jìn)而增強了土壤微生物的活性[16].

a MBC

b MBN

土壤酶活性是反映土壤微生物代謝活性和生化過程的一個重要指標(biāo)，也是土壤管理措施導(dǎo)致土壤質(zhì)量變化的敏感性指標(biāo)[17].通過對施用厭氧消化污泥后的土壤酶活性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表3)，退化苗圃土壤施用厭氧消化污泥后，可明顯提高土壤酶的活性，與無添加厭氧消化污泥相比較，苗圃土壤施用厭氧消化污泥3年后，土壤轉(zhuǎn)化酶、脫氫酶、尿酶和堿性磷酸酶分別提高了69.0%、35.1%、117.6%和81.4%.由此說明，厭氧消化污泥土地施用可以顯著增強土壤代謝功能，從而促進(jìn)了土壤的生物化學(xué)過程的發(fā)生.

過去研究也表明，污泥施用普遍有利于提高土壤酶活性，譬如土壤淀粉酶、脲酶和蔗糖酶活性.但原污泥施用過量或時間延長，則會抑制多酚氧化酶和磷酸酶的活性，而污泥對過氧化氫酶的影響則不大.污泥對土壤微生物特性短期內(nèi)有積極的影響，但長期則有負(fù)面作用[18].本研究結(jié)果則顯示，施用經(jīng)過厭氧消化后的穩(wěn)定化污泥對土壤中關(guān)鍵酶活性的提升作用明顯高于原污泥的效果，而且經(jīng)過連續(xù)3年施用后，土壤微生物活性仍保持較高的增長速率.

另外，從表3還可發(fā)現(xiàn)，不同類型土壤酶對土壤厭氧消化污泥施用后的反應(yīng)敏感性存在顯著差異，相比較而言，在所調(diào)查的酶活性中，土壤尿酶對厭氧消化污泥園林土地施用后的響應(yīng)更為敏感，可作為厭氧消化污泥土地利用評價的敏感性指標(biāo).

表3 厭氧消化污泥施用對土壤酶活性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為3次測定平均值，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差.

2.3 厭氧消化污泥施用后土壤重金屬累積效應(yīng)

城市污水廠污泥土地利用后的重金屬污染累積效應(yīng)一直是人們關(guān)心的問題，也是厭氧消化污泥和污泥土地利用的瓶頸[19].本論文對厭氧消化污泥施用苗圃土壤后主要重金屬的主要含量進(jìn)行的采樣和分析(表4).由表3可明顯看出，對照土壤和厭氧消化污泥施用后的土壤As未檢出，施用厭氧消化污泥后土壤中Cd、Cr、Cu、Ni 、Zn、Pb含量均有不同程度增加，但對照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)[20]，其含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量1級標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險較小.但是，由于本次試驗僅僅是持續(xù)3年的實驗數(shù)據(jù)，施用厭氧消化污泥后對土壤中的重金屬持續(xù)累積效應(yīng)過程還有待于今后進(jìn)一步持續(xù)監(jiān)測，特別是厭氧消化污泥長期施用后通過淋溶作用對地下水的影響還要進(jìn)行全面評估[21].

表4 厭氧消化污泥施用對土壤重金屬含量的影響

注：1.表中數(shù)據(jù)為3次測定平均值，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差；2.“-”表示未檢測出，即含量低于儀器檢測線水平.

3 結(jié)論

(1)3年的持續(xù)模擬土柱實驗研究表明，施用厭氧消化污泥對調(diào)節(jié)和改善苗圃土壤質(zhì)地和物理特性具有較好的效果，土壤pH趨于中性，特別施用厭氧消化污泥后顯著減少苗圃土壤中總可溶性鹽含量，進(jìn)而明顯降低的土壤電導(dǎo)率，說明厭氧消化污泥施用對多年種植苗木造成的次生鹽漬化苗圃土壤具有較好的改良效果.

(2)厭氧消化污泥園林土地施用后明顯提高了苗圃土壤有機質(zhì)和氮、磷等營養(yǎng)元素的含量，特別是增加了土壤中植物有效養(yǎng)分的含量和比例，從而有助于提高苗圃土壤的肥力，這對后續(xù)苗木高效、高產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ).同時，土壤中養(yǎng)分較為均衡，C/N適中，從而有利于土壤中微生物的生長和繁殖.

(3)厭氧消化污泥施于苗圃土壤后明顯增加了土壤微生物生物量和土壤中關(guān)鍵酶的活性，而且隨著施用年數(shù)增加，土壤微生物生物量和酶活性也穩(wěn)步上升，并沒有出現(xiàn)過去原污泥施用造成后期微生物活性下降的現(xiàn)象，這大大改善了土壤生化代謝過程以及生物地球化學(xué)循環(huán)功能，有利于土壤質(zhì)量和土壤健康的持續(xù)改善.

(4)厭氧消化污泥施用后土壤重金屬累積效應(yīng)分析結(jié)果表明，與無添加厭氧消化污泥相比，厭氧消化污泥施用3年后，供試苗圃土壤Cr、Cu、As、Ni 、Zn、Pb含量均有不同程度增加，但是其含量遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1級標(biāo)準(zhǔn).但長期施用厭氧消化污泥對苗圃土壤中的重金屬累積過程和環(huán)境效應(yīng)還應(yīng)進(jìn)一步深入研究和探討.

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