國外污泥土地利用研究進(jìn)展綜述

熊 俊，徐 斌，余江勇

（廣東東籬環(huán)境股份有限公司，廣州 510335）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，城市污水產(chǎn)生量也不斷上升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年全國城市污水處理廠處理能力為1.69億m3/d，累計(jì)處理污水497.6億m3。隨著城市污水處理廠污水處理效率的提高，污泥產(chǎn)生量也不斷增加，2018年我國城市污水處理廠干污泥產(chǎn)生量達(dá)到1 176萬t。美國、巴西、中國、俄羅斯和日本等國是全球主要的污泥生產(chǎn)國，全球產(chǎn)生的城市污泥總計(jì)接近19億t[1]。污泥若不及時(shí)處置，將對附近水體、空氣和土壤環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并威脅居民身體健康[2]。為此，國家近幾年不斷出臺(tái)相關(guān)政策，用以規(guī)劃和指導(dǎo)污泥處理處置。2012年，國務(wù)院出臺(tái)《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，首次對污泥處理提出明確指標(biāo)；2017年，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、住房和城鄉(xiāng)建建設(shè)部共同發(fā)布《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，明確提出“至2020年底，地級(jí)及以上城市污泥無害化處置率達(dá)到90%，其他城市達(dá)到75%”的目標(biāo)；2020年7月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、住房和城鄉(xiāng)建建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》，強(qiáng)調(diào)要加快推進(jìn)污泥無害化處置和資源化利用，選擇適宜的處置技術(shù)路線，加快壓減污泥填埋規(guī)模，鼓勵(lì)采用“生物質(zhì)利用+焚燒”處置模式，污泥經(jīng)無害化處理滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，用于土地改良、荒地造林、園林綠化和農(nóng)業(yè)利用。

1 國內(nèi)外污泥主要處置方式

目前，我國污泥處置行業(yè)正蓬勃發(fā)展，污泥主要處置方式包括土地利用、焚燒利用、衛(wèi)生填埋和建材利用[3]。不同國家污泥處置方式差別較大，美國污泥處置方式主要為污泥農(nóng)用和污泥填埋，兩項(xiàng)處置方式占比超過60%；日本人口密度高，土地資源稀缺，污泥處置以焚燒和熱解為主；歐盟污泥處置方式主要包括污泥農(nóng)用、焚燒和熱解[4]。本文將重點(diǎn)闡述國外近幾年污泥用于土地利用的研究進(jìn)展，以便國內(nèi)相關(guān)研究人員借鑒，并根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嘈再|(zhì)、污泥政策和經(jīng)濟(jì)條件對污泥處置做出合理決策。

2 國外污泥土地利用研究進(jìn)展

國外污泥土地利用研究主要集中在污泥農(nóng)用、污泥林用以及污泥土壤改良領(lǐng)域。

2.1 污泥農(nóng)用

污泥農(nóng)用研究主要包括兩個(gè)方面，一是探討污泥制肥料的潛力，二是分析施用污泥肥料對農(nóng)田植物的影響。

2.1.1 污泥制肥料的潛力

污泥包含大量有機(jī)物，是豐富的營養(yǎng)來源。然而，污泥直接施用于土壤受到重金屬含量的限制，并且污泥通常包括病原微生物和有毒化合物，存在環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在污泥中通過添加礦物肥料生產(chǎn)改性的有機(jī)礦物肥料（OMF）似乎適用于土壤，這種新型OMF對作物的產(chǎn)量響應(yīng)與常規(guī)化肥相當(dāng)，相對于化學(xué)肥料的主要優(yōu)勢是養(yǎng)分釋放更為緩慢[5]。關(guān)于土壤安全方面的污泥制肥也有人做了相關(guān)研究。有研究以意大利北部35個(gè)污水處理廠收集的130個(gè)污泥樣本為基礎(chǔ)，連續(xù)兩年測定污泥中壬基酚（NP）、壬基酚乙氧基化物（NPnEOs）和鄰苯二甲酸酯（DEHP）的含量，以確定其是否適合作為土壤肥料，結(jié)果表明，大多數(shù)被分析的樣品中所含的NP、NPnEOs和DEHP的含量都不高于歐洲污泥委員會(huì)所規(guī)定的限度，該研究認(rèn)為歐盟提出的用于農(nóng)業(yè)土壤肥料的污泥中所選物質(zhì)的限值是偏保守的，用意是避免對土壤動(dòng)物產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。芬蘭學(xué)者研究了生物灰、污泥和石灰的共制粒，顆粒中的營養(yǎng)素（Ca、K和P）的含量相當(dāng)高，重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn）含量很低，可以在林地中施用，不足之處是污泥的添加降低了顆粒的抗壓強(qiáng)度[7]。波蘭學(xué)者根據(jù)當(dāng)?shù)?1個(gè)污水處理廠污泥堆的化學(xué)成分，將污水污泥與家禽垃圾灰、生物質(zhì)灰和礦物肥料混合，然后用無機(jī)酸制粒，開發(fā)了適用于油菜作物的有機(jī)礦物肥料，氮、磷、鉀元素含量為24%～34%，并且符合當(dāng)?shù)胤蓪χ亟饘俸康囊骩8]。

2.1.2 施用污泥肥料對農(nóng)田植物的影響

污泥肥料能施用于糧食作物。在農(nóng)田中施用污泥肥料可以加快黑小麥的生長速度，提高地上生物量的積累，污泥施用量為18 t/hm2時(shí)肥效最好[9]。向污泥中添加適當(dāng)?shù)牡V物肥料，然后將混合物作為大麥和小麥的肥料，大麥產(chǎn)量可超過3 800 kg/hm2，小麥產(chǎn)量可超過2 800 kg/hm2，由微生物或重金屬引起的風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)[10]。一項(xiàng)長達(dá)10年的試驗(yàn)表明，在熱帶土壤中施用污泥并未增加土壤有機(jī)質(zhì)，通過長期監(jiān)測玉米各項(xiàng)生理指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)，污泥可以有效地替代磷肥和微量元素[11]。

污泥肥料也能施用于經(jīng)濟(jì)作物。污泥肥料可施用于蔬菜，日本一項(xiàng)研究表明污泥堆肥可以促進(jìn)小松菜生長，其促進(jìn)效果與化肥類似[12]。沙特阿拉伯的研究者用摻入不同污泥含量（0、10、20、30、40、50 g/kg）的農(nóng)田土壤種植黃瓜，并測定黃瓜的重金屬含量和生物量，發(fā)現(xiàn)污泥含量為40 g/kg的土壤對比對照組，其黃瓜的所有形態(tài)參數(shù)和生物量都顯著增加；當(dāng)污泥含量達(dá)到50 g/kg時(shí)，黃瓜苗高、根長、葉片數(shù)量、節(jié)間和果實(shí)的數(shù)量、葉面積以及生物量則減少；隨著污泥施用量的增加，黃瓜組織中大部分重金屬的濃度均增加，值得注意的是，根中的Cr和Fe、葉中的Fe和果實(shí)中的Cu達(dá)到植物毒性水平，其余重金屬濃度則在正常范圍內(nèi)[13]。波蘭學(xué)者通過6年的田間試驗(yàn)探討了利用煙煤灰（AC）、生物質(zhì)灰（AB）和城市污水污泥（MSS）的混合物作為草-豆混作系統(tǒng)常量營養(yǎng)元素的來源，發(fā)現(xiàn)AB-MSS共同施用極大地提高了K的吸收；與AC處理相比，AC-MSS處理增加了K和Mg的吸收；當(dāng)將AC或AB添加到MSS中時(shí)，相對于MSS處理，Ca的吸收增加。煙煤灰或生物質(zhì)灰和城市污水污泥聯(lián)合應(yīng)用，提高了生產(chǎn)率，促進(jìn)常量營養(yǎng)元素的循環(huán)利用，提高了污水污泥處置的可持續(xù)性，并能減少對礦物肥料的依賴[14]。污泥堆肥還能促進(jìn)花卉生長，有研究利用天竺葵進(jìn)行污泥堆肥和牛糞的對比試驗(yàn)，污泥堆肥組的天竺葵發(fā)育了22.8個(gè)芽（均值，下同）和8.2個(gè)花芽，牛糞組則發(fā)育了19.4個(gè)芽和4.4個(gè)花芽[15]。污泥中較高的N和P含量可以促進(jìn)向日葵的生長，相比施用化學(xué)肥料的植物，在以30、60、120 t/hm2的比例施用污泥肥料的處理中，向日葵的產(chǎn)量分別提高了2.4倍、5.0倍和8.0倍[16]。

2.2 污泥林用

污泥中的營養(yǎng)元素同樣能被林地植物利用。在不肥沃的熱帶土壤中使用污泥施肥能增加桉樹木材產(chǎn)量。在巴西桉樹人工林進(jìn)行的一個(gè)為期44個(gè)月的田間試驗(yàn)表明，與僅施用氮肥和磷肥相比，施用污泥的木材體積顯著增加，不施用污泥生產(chǎn)150 m3/hm2的木材量的時(shí)間為45個(gè)月，施用污泥則可以減少兩個(gè)月，污泥可以作為不肥沃的熱帶土壤的N肥和P肥[17]。一項(xiàng)阿爾及利亞的研究結(jié)果與此類似，污泥施用對桉樹生長具有積極作用。該試驗(yàn)將一年樹齡的桉樹幼苗移植于不同污泥質(zhì)量比（0%、20%、40%和60%）的盆中，在種植的6個(gè)月內(nèi)進(jìn)行了高度、基部直徑、中部直徑和葉片數(shù)的測量，結(jié)果對照植物和污泥處理組植物的高度和葉子數(shù)量差異顯著。60%污泥組桉樹高度為493.77 mm±241 mm，葉片數(shù)為68.81±6.20，而對照高度桉樹為342.89 mm±128.07 mm，葉片數(shù)為40.00±3.80[18]。

2.3 污泥改良土壤

施用污泥會(huì)對土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。將污泥肥料施用于葡萄園砂質(zhì)土壤，土壤pH從8.5降至8.0，電導(dǎo)率由0.1 dS/m增至0.7 dS/m，有機(jī)物含量從1.2%增加到2.2%。污泥肥料的利用增加砂質(zhì)土壤中常量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素的含量，但由于砂質(zhì)土壤對污染物的截留能力較低，污染物可能會(huì)污染敏感地區(qū)地下水，造成安全隱患[19]。將污泥、褐煤廢土渣、褐煤灰和鉀肥的混合物施用于輕質(zhì)土壤，土壤pH從5.5增加到6.0，吸附能力由5.8 cmol（+）/kg增 至8.0 cmol（+）/kg，C/N從11∶1升至14∶1，用該污泥混合物施肥使得草原米草第一年產(chǎn)量提高1.6倍，第三年提高2.7倍[20]。波蘭一項(xiàng)持續(xù)24年的田間試驗(yàn)表明，施用污泥提高了土壤中銅和鋅的總濃度，但并未提高其生物有效性，這可能是由于土壤pH和有機(jī)物含量較高所致。施用污泥增加了土壤微生物活性和生物量，但同時(shí)提高了抗生素抗性（ARG）基因和可移動(dòng)遺傳元件（MGE）基因含量，產(chǎn)生了傳播抗藥性的風(fēng)險(xiǎn)[21]。污泥也能用于采石場土壤修復(fù)，西班牙的一項(xiàng)試驗(yàn)表明，在污泥施用6個(gè)月后，采石場土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，電導(dǎo)率和重金屬含量沒有顯著增加，植物覆蓋度很高，可有效控制土壤侵蝕；兩年后，雜草植物仍然存在，但演替物種已在不同程度上定居于采石場，將適量的污泥用作土壤改良劑不會(huì)影響采石場的生態(tài)演替[22]。

3 結(jié)語

污泥土地利用是我國未來污泥處置的重要方式之一，其具有資源循環(huán)利用率高、處置能耗低和二次污染相對較低等優(yōu)點(diǎn)，但仍需要考慮污泥土地利用的風(fēng)險(xiǎn)控制。要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合理進(jìn)行污泥土地利用，同時(shí)需要對施用污泥的土壤進(jìn)行長期監(jiān)測，以研究施用污泥對土壤的累積影響，為進(jìn)一步制定科學(xué)合理的污泥處置方案提供數(shù)據(jù)支撐。