生活垃圾填埋場不同粒徑礦化垃圾中N、P、K的分布＊

侯 棻，李 甜

（山西財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院土地資源管理系，山西 太原 030006）

1 引言

衛(wèi)生填埋是大多數(shù)國家生活垃圾處理的主要途徑［1］，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高，生活垃圾產(chǎn)生量呈逐年上升的趨勢，導(dǎo)致大量垃圾填埋場庫容趨于飽和，如何解決新增垃圾處理問題引起廣泛關(guān)注［2-5］。在我國，垃圾填埋占用大量的土地資源，伴隨城市的擴(kuò)張形成了“垃圾圍城”現(xiàn)象，對土壤環(huán)境、地下水、大氣環(huán)境以及周圍人群健康產(chǎn)生重大風(fēng)險［4,6］。為避免占用大面積土地資源及對環(huán)境潛在的危害，垃圾填埋場的資源化利用成了當(dāng)務(wù)之急。

垃圾填埋場封場數(shù)年后，垃圾經(jīng)過降解成為基本穩(wěn)定的類土壤物質(zhì)，即礦化垃圾［7-8］。由于礦化垃圾具有有機(jī)質(zhì)含量高、陽離子交換量大、比表面積大和含有豐富的微生物等特點(diǎn)，常被用作生物濾池反應(yīng)床的主要填料處理廢水［9-11］。近年來，已有大量研究探索礦化垃圾的資源化開發(fā)利用，在獲得可循環(huán)使用材料的同時釋放垃圾填埋場填埋空間［10,12-16］，實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場的再生利用。

礦化垃圾從物理質(zhì)地分析，與砂土類似，同時又具有與肥沃土壤相似的一些特性。有機(jī)質(zhì)、TN、TP 含量高，陽離子交換能力強(qiáng)，含有大量種類繁多的微生物，即具有可以提供植物生長所需的營養(yǎng)、結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件。然而，礦化垃圾雖然肥力高，但成分復(fù)雜，其有毒有害物質(zhì)的穩(wěn)定性直接影響植物的生長發(fā)育。前期已開展的研究結(jié)果表明，礦化垃圾對大麥、玉米種子、萬壽菊等的生長存在影響，并且礦化垃圾粒徑越小，越容易吸附污染物質(zhì)，損傷植物的風(fēng)險越高，在礦化垃圾對玉米種子的生物毒性研究中發(fā)現(xiàn)，礦化垃圾對其影響主要集中在小粒徑［11,14-15］。同時研究發(fā)現(xiàn)礦化垃圾中含有比普通土壤數(shù)量多的微生物群，適量添加礦化垃圾對萬壽菊的生長有促進(jìn)作用［17-18］。因此，礦化垃圾對環(huán)境的影響具有雙重效應(yīng)，在利用礦化垃圾作為植物栽培土壤之前，應(yīng)分析其粒徑分布，選擇合適的粒徑［14-15,17-18］。

N、P、K 是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，常以有機(jī)化合物的形式存在，不能被植物直接利用，只有在水溶性狀態(tài)下，形成速效N、P、K 才能被植物吸收。因此，在植物栽培過程中，速效N、P、K 含量是衡量栽培土壤肥力的重要指標(biāo)［17-18］。此外，土壤的粒徑分布決定土壤質(zhì)地，與土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和植物生長營養(yǎng)物質(zhì)吸收所需的環(huán)境條件密切相關(guān)。礦化垃圾作為植物栽培土的資源化利用不僅可以延長填埋場的使用壽命，還會產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益［18］。只有了解礦化垃圾顆粒的組成、質(zhì)地特點(diǎn)及肥力的特征，才能更科學(xué)地研究礦化垃圾作為植物培養(yǎng)土的可行性。為了研究礦化垃圾中營養(yǎng)元素N、P、K 的穩(wěn)定性和含量，課題組10 a 前，已經(jīng)對填埋10 a 的不同粒徑礦化垃圾進(jìn)行了理化性質(zhì)分析及N、P、K 含量的測定分析［17-18］。本次研究通過采集同一堆填區(qū)填埋20 a 的礦化垃圾樣本，測定其理化性質(zhì)及N、P、K 元素含量，研究不同粒徑礦化垃圾中營養(yǎng)元素隨時間的變化規(guī)律，旨在為礦化垃圾作為植物種植培養(yǎng)土的利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 礦化垃圾樣品制備

本次研究所用的礦化垃圾采自山西省太原市東山新溝垃圾衛(wèi)生填埋場，此垃圾填埋場于1987年建成并投入使用，2007 年停止使用并封場，最早填埋的生活垃圾已有30 余年，形成了穩(wěn)定的礦化垃圾。

采用與2009 年相同的采樣方法——隨機(jī)取樣法獲得分析樣品。2009 年采集到填埋區(qū)埋藏近10 a 的礦化垃圾樣品［17-18］，2019 年在同一區(qū)域以相同方法采集埋藏近20 a 的樣品［19］。具體采樣過程為深入垃圾填埋溝內(nèi)200 m 左右，在垃圾堆埋層側(cè)面，隨機(jī)收集5 個樣本點(diǎn)，將5 個點(diǎn)混合作為1 個樣本。取樣前先去除采樣點(diǎn)表面花草和表層覆蓋土（30～50 cm 厚），挖1 個深15 cm 的坑，然后用土鏟從垂直坑壁處均勻切出5 cm 厚的土片。在現(xiàn)場去除里面的金屬、塑料、大石塊、玻璃和橡膠等難降解大顆粒物。經(jīng)過孔徑900μm的分級篩，篩下物再篩分為300～900、150～300、105～150、90～105、0～90 μm 5 個不同粒徑樣品，風(fēng)干備用。普通表土在距離垃圾填埋場5 km 范圍內(nèi)采集，取樣方法和深度與礦化垃圾取樣方法相同。

2.2 礦化垃圾理化特性分析

pH 采用pH 計電位法測定；電導(dǎo)率EC 采用電導(dǎo)率儀法；有機(jī)物含量采用重鉻酸鉀滴定法測定；CEC 的測定采用醋酸鈉-火焰光度法［20］。

2.3 N 含量的測定

礦化垃圾中TN 含量測定采用半微量凱氏定氮法，樣品經(jīng)濃硫酸消煮，堿化后加入硼酸吸收，標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定測得TN 含量。速效N 采用堿解擴(kuò)散法測定，氫氧化鈉水解樣品后，加入硼酸吸收，用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定后計算出速效N 含量［20］。

2.4 P 含量的測定

采用硫酸-高氯酸消煮法測定樣品TP 含量，高溫下加入高氯酸和硫酸消解，采用鉬銻抗比色法測定TP。采用碳酸氫鈉法測定樣品速效P 含量，選用碳酸氫鈉作為提取劑提取樣品中速效P，加入鉬銻抗混合顯色液顯色后用分光光度計測定［20］。

2.5 K 含量的測定

采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法測定樣品中TK 含量，將礦化垃圾用氫氧化鈉溶液浸漬，然后在馬弗爐中高溫煅燒，在火焰光度計上測定K 含量。采用醋酸銨-火焰光度計法測定樣品中速效K含量［20］。

2.6 數(shù)據(jù)分析

用Origin 8.0 軟件處理數(shù)據(jù)、繪制圖表并進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦化垃圾粒徑分布

礦化垃圾經(jīng)過分級篩進(jìn)行篩分后，篩分為0～90、90～105、105～150、150～300、300～900 μm 5個粒徑組。圖1 顯示了不同粒徑篩分物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。粒徑最大組（300～900μm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為39.6%，粒徑最小組（0～90μm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.4%；其余各組90～105、105～150、150～300 μm分別占總質(zhì)量的5.4%、5.8%、20.7%。

圖1 礦化垃圾粒徑分布Figure 1 Particle-size distribution of aged refuse

參照本課題組2009 年（填埋10 a）采集的礦化垃圾獲得的研究結(jié)果［17］，0～90、90～105、105～150、150～300、300～900 μm 粒徑礦化垃圾組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.4%、8.2%、10.4%、15.3%、43.7%。分析2009 年（填埋10 a）和2019 年（填埋20 a）采集的礦化垃圾的粒徑分布發(fā)現(xiàn)，與2009 年相比，2019 年的最大粒徑組（300～900μm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然呈現(xiàn)最大，但比2009 年降低了4.1 個百分點(diǎn)。粒徑最小組（0～90μm）比2009年增加了6.0 個百分點(diǎn)，150～300μm 組增加了5.4個百分點(diǎn)，105～150 μm 組減少了4.6 個百分點(diǎn)，90～105μm 組下降2.8 個百分點(diǎn)。結(jié)果顯示，生活垃圾的礦化過程一直在持續(xù)，形成類似腐殖土質(zhì)顆粒狀的多孔物質(zhì)，由礦物質(zhì)、有機(jī)物、水分和氣體組成。10 a 時間受光照、雨水、溫度等環(huán)境因素影響，以及礦化垃圾內(nèi)部水流、氣流作用和持續(xù)的大量微生物的降解作用，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 礦化垃圾理化特性

礦化垃圾的理化性質(zhì)是分析礦化垃圾特性的重要參數(shù)。我國城市生活垃圾的含水量和有機(jī)質(zhì)含量均較高，礦化垃圾不僅含有非常高的EC，還含有速效N、速效P、豐富的腐殖質(zhì)等植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)［9］。表1 結(jié)果顯示礦化垃圾呈弱堿性。除pH 外，其他指標(biāo)在10 a 間都有明顯的降低。2019 年檢測出的EC 是2009 年的42.6%，這種結(jié)果可能是由于無機(jī)鹽含量損失造成的，礦化垃圾中可溶性鹽含量隨時間的延長而降低。2009年礦化垃圾中有機(jī)質(zhì)儲量豐富，礦化程度高，可充分開發(fā)利用。2019 年礦化垃圾中有機(jī)質(zhì)含量仍高達(dá)7.30%，但低于2009 年。這些變化可能是由于垃圾填埋場受微生物作用和雨水侵蝕造成了營養(yǎng)物質(zhì)的流失。本課題組前期研究結(jié)果顯示［17-19］，礦化垃圾中Pb、Cr、Cd、Zn、Hg 等重金屬元素質(zhì)量濃度也有變化，但是其含量均達(dá)到GB 15618—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值范圍，環(huán)境風(fēng)險低。

表1 采集于2009 年和2019 年礦化垃圾的理化特性Table 1 Physical and chemical characteristics of aged refuse in 2009 and 2019

3.3 礦化垃圾營養(yǎng)元素含量

3.3.1 不同粒徑礦化垃圾中TN 和速效N 的分布

由圖2 可見，各粒徑組（0～90、90～105、105～150、150～300、300～900μm）的礦化垃圾TN分別為1.8、2.8、3.1、3.6、2.6 g/kg，速效N 分別為104.2、100.0、102.9、111.3、78.5 mg/kg，速效N 與TN 含量之比分別為5.79%、3.57%、3.32%、3.09%、3.02%。隨著粒徑的減小，TN 含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在150～300 μm 組中含量最大，這與前期研究的結(jié)果一致［17-19］，TN 總是賦存于相對粒徑大的礦化垃圾中；速效N 在150～300μm 組含量最大，然后隨著粒徑的減小略有減少。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，除0～90μm 粒徑組TN 含量達(dá)二級標(biāo)準(zhǔn)，其他粒徑組均為一級。300～900 μm 粒徑組速效N 達(dá)四級（缺乏）級別，其余各組為三級（中等）級別。

圖2 不同粒徑礦化垃圾TN 和速效N 分布Figure 2 Total-N and available-N distribution in different particle-size aged refuse

3.3.2 不同粒徑礦化垃圾中TP 和速效P 的分布

由圖3 可見，在0～90、90～105、105～150、150～300、300～900μm 各粒徑組礦化垃圾中TP 含量分別為1.6、1.3、1.4、1.2、1.1 g/kg，速效P 含量分別為103.5、103.4、101.1、82.4、57.6 mg/kg，不同粒徑組的速效P 分別占TP 的6.47%、7.95%、7.22%、6.87%、5.24%。隨著粒徑的減小，TP 和速效P 含量總體上呈增加趨勢，由于小粒徑礦化垃圾的比表面積相對較大，更容易沉積營養(yǎng)物質(zhì)。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，各粒徑組TP 含量均>1 g/kg，達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)。同樣速效P各組均>40 mg/kg，達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同粒徑礦化垃圾TP 和速效P 分布Figure 3 Total-P and available-P distribution in different particle-size aged refuse

3.3.3 不同粒徑礦化垃圾中TK 和速效K 的分布

由圖4 可見，0～90、90～105、105～150、150～300、300～900μm 各組礦化垃圾中TK 含量分別為11.0、9.5、8.8、8.4、7.5 g/kg，速效K 含量分別為149.8、132.4、115.7、111.1、91.2 mg/kg，速效K分別占TK 的1.36%、1.39%、1.31%、1.32%、1.22%。TK 和速效K 含量隨著粒徑的增大呈現(xiàn)減小趨勢，由于小粒徑礦化垃圾的比表面積相對較大，更容易沉積營養(yǎng)物質(zhì)。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，300～900 μm 粒徑組TK 含量達(dá)五級（低），其余各組達(dá)到四級（中下）；速效K與TK 的趨勢相同，除最大粒徑組為五級（低），其余各組均為四級（中下）。

圖4 不同粒徑礦化垃圾TK 和速效K 分布Figure 4 Total-K and available-K distribution in different particle-size aged refuse

3.4 分析與討論

本次研究顯示，不同粒徑組N、P、K 的總量和有效態(tài)含量存在顯著差異。TN 含量以150～300μm 粒徑組最高，隨粒徑減小而顯著降低。TP、TK 含量隨粒徑的減小而增加，其變化趨勢與10 a前基本相同。速效P 含量與10 a 前略有不同，10 a前速效P 含量在105～150μm 組最低，而在本次研究中，速效P 含量隨著粒徑的減小反而增加。速效N、速效K 的含量與10 a 前觀察到的趨勢相似，隨著粒徑的減小而增加，這很可能是由于小粒徑礦化垃圾的比表面積相對較大，容易沉積更多的營養(yǎng)物質(zhì)。綜上所述，除速效P 含量略有差異外，TN、TP、TK、速效N、速效K 含量隨粒徑變化的趨勢與10 a 前基本一致。本研究中的礦化垃圾富含N 和P，而K 略低，但這些營養(yǎng)元素的濃度遠(yuǎn)高于相關(guān)植物生長培養(yǎng)基質(zhì)［17-18,21］。山西省土壤呈現(xiàn)缺P 少N，富含K 的狀態(tài)［22］，因此可以直接利用礦化垃圾或通過添加礦化垃圾改良土壤，使土壤中營養(yǎng)物質(zhì)種類和數(shù)量均滿足植物生長所需。

盡管N、P、K 這些營養(yǎng)元素含量在不同粒徑組間有相似的變化趨勢，TN 和TK 的含量卻比10 a 前顯著下降，但仍具有一定的肥力。究其原因，填埋場的穩(wěn)定程度決定礦化垃圾的組成和結(jié)構(gòu)［8］，進(jìn)而影響營養(yǎng)元素的含量。由于生活垃圾填埋場填埋區(qū)受人類活動影響很少，同時也沒有種植植被或農(nóng)作物，因此可以排除人類活動和植物對礦化垃圾中營養(yǎng)物質(zhì)含量變化的影響。礦化垃圾中各營養(yǎng)元素的變化主要受光照、雨水、微生物等因素影響。本次研究礦化垃圾主要是表層礦化垃圾，因其接近地表，水分含量較深部埋藏礦化垃圾相對少，透氣性好，為各種好氧微生物提供了生存環(huán)境。微生物降解作用在礦化垃圾營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中起著巨大的作用，礦化垃圾中有豐富的特定微生物種群，這些微生物參與了礦化垃圾中N、P、K 等營養(yǎng)物質(zhì)及重金屬的降解［18-19］。同時營養(yǎng)成分及重金屬元素因雨水沖刷，進(jìn)入到滲濾液中［23-25］。且隨著時間的推移，垃圾填埋場防護(hù)系統(tǒng)的覆蓋層和基礎(chǔ)收集系統(tǒng)不可避免地會發(fā)生降解，失去其結(jié)構(gòu)完整性和防護(hù)能力，也可能導(dǎo)致滲濾液的滲漏，從而帶走礦化垃圾中的營養(yǎng)物質(zhì)及重金屬元素。

根據(jù)本課題組對礦化垃圾的理化性質(zhì)測試分析研究結(jié)果顯示［17-19］，采集于2009 年（填埋10 a）的礦化垃圾中Pb、Cr、Cd、Zn、Hg 等重金屬元素質(zhì)量濃度分別為62.9、98、0、122、0 mg/kg和2019 年（填埋20 a）達(dá)到38.48、46.36、0.42、163.83、0.15 mg/kg，均達(dá)到GB 15618—2018 的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值范圍，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長、土壤生態(tài)環(huán)境造成損害的風(fēng)險低。課題組最新研究顯示［19］，在普通土壤中添加適量的礦化垃圾種植萬壽菊，對萬壽菊的生長有促進(jìn)作用，因此礦化垃圾可以作為種植土壤進(jìn)行安全開采和利用。由于本次采樣為淺表層礦化垃圾，深部埋存的礦化垃圾中重金屬仍需深入研究。同時，本次僅對填埋10 a 和填埋20 a 礦化垃圾進(jìn)行了測試分析，中間年份礦化垃圾中相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)變化趨勢需開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）不同粒徑礦化垃圾N、P、K 含量存在明顯差異，根據(jù)植物生長對營養(yǎng)物質(zhì)的需求選擇不同粒徑礦化垃圾加以利用，以提高其利用效率，如植物對N 需求高可選擇添加大粒徑礦化垃圾，對P 和K 需求高，則可以選擇小粒徑礦化垃圾，也可以一定比例組合添加礦化垃圾改善貧瘠的土壤。

2）填埋10 a，垃圾已充分礦化，營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)含量較高。填埋20 a，礦化垃圾中EC、CEC、有機(jī)質(zhì)含量及N、P、K 含量發(fā)生了明顯變化，除P 含量變化不大外，礦化垃圾中N、K 和有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢，說明營養(yǎng)元素隨填埋時間延長可能發(fā)生了流失。同時，填埋20 a 重金屬含量較10 a 前有下降的趨勢。這與礦化垃圾的物質(zhì)成分、填埋環(huán)境、微生物等因素有關(guān)。

3）鑒于礦化垃圾成分的復(fù)雜性和可變性，作為植物栽培土對其利用，還有待進(jìn)一步研究其他物質(zhì)含量。盡管本次研究的礦化垃圾中重金屬含量未超標(biāo)，但因其采樣為淺表層，深部埋存的礦化垃圾中重金屬含量仍需開展進(jìn)一步研究，進(jìn)而為礦化垃圾的資源化開發(fā)利用、減小生態(tài)環(huán)境風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。