亞臨界水解處理有機(jī)廢棄物對天津?yàn)I海鹽堿地的改良作用

馮濤 周國華 池風(fēng)龍

摘要：利用亞臨界水解處理的城市污泥、雞糞、復(fù)合菌肥和植物纖維黏合劑處理天津?yàn)I海新區(qū)土壤。結(jié)果表明，利用亞臨界水解產(chǎn)物（污泥+雞糞），配以機(jī)械施工的技術(shù)方法，能有效促進(jìn)植物生長，增加植被覆蓋，降低土壤pH和增加有機(jī)質(zhì)含量。

關(guān)鍵詞：土壤改良劑;亞臨界水解技術(shù);城市污泥;雞糞

中圖分類號：S156.42? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）10-0074-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.10.016? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： The soil of Tianjin coastal saline alkali was treated with subcritical hydrolysis of municipal sludge， chicken manure， compound bacterial fertilizer and plant fiber binder. The results showed that using of subcritical hydrolysate（sludge+chicken manure） and mechanical construction technology could effectively promote plant growth， increase vegetation coverage， reduce soil pH and increase organic matter content in Tianjin coastal saline alkali.

Key words： soil conditioner; subcritical hydrolysis technology; municipal sludge; chicken manure

天津市濱海新區(qū)為重鹽堿地區(qū)，生態(tài)環(huán)境先天較脆弱，其土壤屬于濱海鹽化潮土、濕潮土和濱海鹽土，土質(zhì)黏重，質(zhì)地板結(jié)，土壤含鹽量1%～2%， 高者達(dá)到3%以上;地下水礦化度高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10 g/L，地下水位高，在0.5～1.5 m，容重在1.50～1.79 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量低（土壤有機(jī)質(zhì)含量大都在5～6 g/kg，而一般農(nóng)田土壤均在10 g/kg以上，表明肥力狀況較差），微生物群落數(shù)量少（0.75×105 CFU/g）。

天津?yàn)I海新區(qū)鹽堿土的特點(diǎn)嚴(yán)重危害植物生長，影響生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致植物立地條件差、綠化難度很大。目前國內(nèi)濱海鹽堿地綠化多采用傳統(tǒng)鹽堿地降鹽改土措施，如鋪設(shè)排鹽溝、隔離層，大量更換客土，施加土壤改良劑等，上述技術(shù)手段在濱海新城的綠色空間營建中發(fā)揮了重要作用，但是在生態(tài)建設(shè)過程中，存在材料、能源投入費(fèi)用過高，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、人工投入過高的弊病。因此有必要研發(fā)新型的低成本改良技術(shù)措施。

亞臨界水解技術(shù)是一項(xiàng)全新的高效處理有機(jī)廢棄物技術(shù)。當(dāng)壓力和溫度上升到一定值時(shí)，水的液態(tài)相和氣態(tài)相界面消失，變成均一的單相即水的臨界點(diǎn)。此時(shí)，水的溫度為374.15 ℃，壓力為22.83 MPa。將水加熱至沸點(diǎn)以上，臨界點(diǎn)以下，并控制系統(tǒng)壓力使水保持為液態(tài)，這種狀態(tài)的水稱為亞臨界水（Subcritical water）。亞臨界水具有超溶解、超電離等特性，能夠在數(shù)分鐘內(nèi)完成對高分子有機(jī)物的分解[1]。亞臨界水解法處理城市污泥正是利用亞臨界水的特性，在短時(shí)間內(nèi)完成對城市污泥、雞糞的改性、除臭、脫毒、降污等的無害化過程，經(jīng)過深度脫水后固型尾產(chǎn)物符合國家標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用泥質(zhì)可以進(jìn)一步加工成適合園林綠化的有機(jī)肥料和土壤改良劑[2]。本研究在天津?yàn)I海新區(qū)開展亞臨界水解的污泥和雞糞對鹽堿土改良試驗(yàn)，期望為基于資源化利用策略的鹽堿地改良新技術(shù)提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)地生態(tài)條件

試驗(yàn)于2016年5月在天津?yàn)I海新區(qū)進(jìn)行， 試驗(yàn)地位于天津市中新生態(tài)城，為沿海人工吹沙造地形成的陸域，造地形成的地面由于地表裸露，水分蒸發(fā)量大于降水量，全鹽含量接近海水，土壤容重小，通透性強(qiáng)，漏水漏肥[3]。吹填土土粒粒級87.24%為物理沙粒，12.66%為物理黏粒，歸屬于壤沙土和淤泥。土壤容重1.52 g/cm3，土壤孔隙度39.90%，土壤滲透系數(shù)6.5×10-6～5.6×10-5 cm/s。淋洗后土壤全鹽含量0.25%～0.29%，pH 9.15～9.55。

1.2? 土壤改良材料

以亞臨界水解技術(shù)處理的城市生活污泥、雞糞、復(fù)合菌肥、纖維黏合劑作為土壤改良材料的主要成分。水解處理的污泥和雞糞以及復(fù)合菌肥由山東青州某工廠提供。處理后亞臨界水解城鎮(zhèn)污泥和雞糞，依GB/T 23486-2009[4]、NY/T 88-1988[5]、NY/T 87-1988[6]、NY/T 53-1987[7]和GB 9834-1988[8]進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果見表1。

1.3? 植物材料

共選用8種綠化植物：①堿茅（Puccinellia distans），在中度至重度鹽漬化土壤上能良好生長，泌鹽;②堿蓬[Suaeda glauca （Bunge） Bunge]，喜高濕、耐鹽堿、耐貧瘠、少病蟲害，適于沿海地區(qū)沙土或沙壤土種植，能忍受暫時(shí)的干旱;③蘆葦（Phragmites communis Trin.），適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)，在低度至中度鹽漬化土壤上能良好生長;④黑麥草（Lolium perenne L.），喜溫涼濕潤氣候，宜夏季涼爽、冬季不太嚴(yán)寒地區(qū)生長;⑤高羊茅（Festuca elata Keng ex E. Alexeev），適應(yīng)寒冷潮濕，在土壤pH 4.7～8.5的條件下生長良好，不耐高溫，喜光，耐半陰，對肥料反應(yīng)敏感，耐瘠薄，抗病性強(qiáng);⑥堿地膚[Kochia scoparia （Linn.） Schrad. var. sieversiana]，耐鹽堿的早生、中旱生植物，適于生長在堿性、沙質(zhì)土和荒漠帶的鹽漬化低地;⑦披堿草（Elymus dahuricus Turcz.），屬中等抗鹽牧草，適應(yīng)性廣，特耐寒，抗旱，在冬季-37 ℃的地區(qū)能安全越冬。根系發(fā)達(dá)，在土壤pH 7.6～8.7條件下生長良好。具有抗風(fēng)沙的特性，適于風(fēng)沙大的鹽堿地區(qū)種植。分蘗具有一定的耐鹽能力，屬于短期多年生牧草;⑧小花堿茅[Puccinellia tenuiflora （Griseb.） Scribn. et]，適應(yīng)性強(qiáng)，喜濕潤和鹽漬性土壤，抗寒、耐旱、耐鹽堿性極強(qiáng)，能在海拔3 700 m的高寒山區(qū)，氣溫達(dá)-36 ℃條件下安全越冬。在土壤pH 8.8時(shí)能良好生長，土壤pH達(dá)9～10時(shí)仍能生長。

所有供試植物種子由北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)學(xué)院提供。

1.4? 土壤改良試驗(yàn)

利用不同配比的城市生活污泥、雞糞、復(fù)合菌肥、纖維黏合劑作為土壤改良劑，將土壤改良劑均勻撒布在試驗(yàn)小區(qū)土壤表面，翻耕深度30 cm以充分混合改良劑，共設(shè)置17個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，如表2所示。

1.5? 試驗(yàn)田綠化效果及土壤有機(jī)質(zhì)、pH的測定

定期采集、測量不同試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的植株進(jìn)行生長量、綠化覆蓋率的調(diào)查。

采集牧草株高長勢數(shù)據(jù)，分別在不同小區(qū)隨機(jī)選取植株，測量地上部高度。2016年11月分別在不同小區(qū)取樣，測定土壤的有機(jī)質(zhì)、pH。試驗(yàn)小區(qū)土壤pH依NY/T 1377-2007[9]方法，有機(jī)質(zhì)按照GB 9834-1988[8]進(jìn)行檢測。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 供試肥料對植物生物學(xué)性狀的影響

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草類較多，在生物學(xué)性狀上主要采集了不同時(shí)期各試驗(yàn)小區(qū)的黑麥草地上部莖稈，測量莖稈高度。由圖1可知，不同時(shí)期各小區(qū)采樣中，添加150 t/hm2改良劑的小區(qū)黑麥草生長量有明顯優(yōu)勢，對3次采樣的數(shù)據(jù)分析顯示，黑麥草生長量與改良劑添加量之間存在相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步建立函數(shù)模型，相關(guān)信息見表3。由表3可知，根據(jù)第1次采集的數(shù)據(jù)，利用函數(shù)模型計(jì)算可以獲得，使牧草生長量達(dá)到最大值時(shí)，理論上水解污泥添加量約為172.5 t/hm2。根據(jù)3次采集的數(shù)據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可以看出隨著時(shí)間推移，牧草生長量的理論最大值在增加，同時(shí)使牧草生長量達(dá)到最大值的理論水解污泥添加量也在增大。

2.2? 試驗(yàn)區(qū)植物生長狀態(tài)

由圖2可知，土壤條件改良后草種能夠正常發(fā)芽生長，種植后30 d左右能達(dá)到覆綠效果，綠化覆蓋率可達(dá)50%～60%，后期綠化覆蓋率可高達(dá)80%～90%。

2.3? 植物生長發(fā)育情況比較

2.3.1? 不同小區(qū)同一植物冠幅對比? 由圖3可知，同一植物在改良地和未改良區(qū)（空白對照）的生長發(fā)育情況具有明顯差異，對比未改良區(qū)，3種植物均在改良地冠幅長勢具有明顯優(yōu)勢。

2.3.2? 不同處理同一植物地上部與根系生長情況對比? 由圖4可知，處理區(qū)地上部生長量和根系生長量均大于對照區(qū)，其中處理區(qū)地上部生長量優(yōu)勢明顯，整體約為后者的2.65倍。對大多數(shù)植物來說，生物量的積累與地上部生長量增長呈正相關(guān)，較大的地上部生長量差異表明處理區(qū)植株在相同時(shí)間內(nèi)積累更多的生物量，生物量的多少間接反映了試驗(yàn)小區(qū)物質(zhì)循環(huán)反復(fù)程度和能量流動性的大小，生物量越大，表明物質(zhì)循環(huán)反復(fù)程度越大，能量流動性越大，這對改良鹽堿荒地、構(gòu)建草原生態(tài)系統(tǒng)具有積極意義。

2.4? 試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)生物多樣性

試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的物種統(tǒng)計(jì)表明，目前試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)包含堿地膚、披堿草、堿蓬、小花堿茅、多年生黑麥草、蘆葦、狗尾草、牛筋草等10種不同類型的草類。同時(shí)，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的昆蟲、鳥類數(shù)目和種類較試驗(yàn)前也有明顯增加，形成了一個(gè)具有一定的恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性的微型草地生態(tài)系統(tǒng)。鹽堿荒地中草地生態(tài)系統(tǒng)的形成在濱海鹽堿地的改良綠化和防止土壤退化上均具有積極的意義。

2.5? 土壤有機(jī)質(zhì)、pH變化

改良種植6個(gè)月后試驗(yàn)小區(qū)耕作層（30 cm）土壤有機(jī)質(zhì)、pH的測定結(jié)果見表4。由表4可知，通過土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97，提升土壤有機(jī)質(zhì)1.38%～1.56%。

3? 小結(jié)與討論

亞臨界水解技術(shù)處理的城市污泥和雞糞均屬于酸性土壤改良肥料，本試驗(yàn)選擇多因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，從不同組分的土壤改良劑施用量、種植植物種類研究鹽堿土改良的優(yōu)化方法。兩種改良肥料合并使用對鹽堿地的長期改良效果明顯。

通過目前在天津?yàn)I海中新生態(tài)城的綠化試驗(yàn)，利用亞臨界水解產(chǎn)物（污泥+雞糞），配以機(jī)械施工的改良途徑，是濱海鹽堿地改良達(dá)到快速改良綠化的基礎(chǔ)。對濱海吹沙造田的鹽堿土改良，其中最重要的3個(gè)方面就是對降低土壤pH、提升土壤有機(jī)質(zhì)和促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，城市污泥和雞糞同屬酸性肥料，對降低pH至關(guān)重要;亞臨界水處理城市污泥對團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成起關(guān)鍵作用，并保證了改良土壤pH的穩(wěn)定。試驗(yàn)表明通過土壤改良可降低土壤pH 0.84～0.97。城市污泥和雞糞富含豐富的有機(jī)質(zhì)，通過6個(gè)月的改良土壤有機(jī)質(zhì)提升1.38%～1.56%。

耐鹽植物的選擇以華北、西北的鹽生廣布植物品種為主，尤其是選用西北荒漠鹽堿適應(yīng)的植物品種可以保證綠化區(qū)植物在初冬依然存活，確保綠化的功能效果和感官效果。

為獲得完整、可靠、系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行2～3年追蹤觀察，以明確施用土壤改良劑對改良灘涂鹽堿土的長期效應(yīng)。目前，本試驗(yàn)僅就短期綠化進(jìn)行針對性觀察，雖然能夠通過試驗(yàn)得出土壤改良劑施用的方法、劑量，但還應(yīng)該長期追蹤、檢測，以獲得更長時(shí)期的、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

鹽堿地改良綠化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要水利、土壤、農(nóng)藝等多項(xiàng)措施的綜合利用才能取得成效，但各項(xiàng)技術(shù)措施并不是并立的，它們具有鮮明的層次性，即根本性的水利工程措施，基礎(chǔ)性的土壤改良培肥措施，增效性的農(nóng)藝措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉慧屏，銀建中，徐? 剛.超/亞臨界水解技術(shù)在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2010，44（1）：51-57.

[2] 芮青青，韓省華，韓鴻翼.生活污水污泥亞臨界水解處理后產(chǎn)物對羊肚菌的栽培研究[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，30（7）：63-64.

[3] 王? 武，馬作國，華玉鑫，等.中新天津生態(tài)城鹽漬土特征與綠化技術(shù)研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，18（1）：143-145.

[4] GB/T 23486-2009，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)[S].

[5] NY/T 88-1988，土壤全磷測定法[S].

[6] NY/T 87-1988，土壤全鉀測定法[S].

[7] NY/T 53-1987，土壤全氮測定法（半微量凱氏法）[S].

[8] GB 9834-1988，土壤有機(jī)質(zhì)測定法[S].

[9] NY/T 1377-2007，土壤中pH值的測定[S].