污泥基生物炭對黑麥草生長特性及重金屬累積的影響

王 軍，劉 程，金 鵬，楊 明，汪 軍*，陶 旭，徐汝民

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230001；2.安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽合肥 230001；3.安徽省生態(tài)環(huán)境廳宣教中心，安徽合肥 230001)

市政污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是一種特殊的泥水混合物，它含有大量水分、有機(jī)物、無機(jī)物和微生物。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，污水的產(chǎn)生量在持續(xù)增加，污泥產(chǎn)生量隨之急劇增大，由此造成的環(huán)境問題日益突出。如何妥善處置市政污泥，實現(xiàn)其安全處置與資源化利用，是當(dāng)前我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程中面臨的一項重大課題，也是無廢城市建設(shè)和綠色低碳發(fā)展的必然要求。

目前，市場上主流的污泥處理工藝包括填埋、好氧堆肥、厭氧消化、焚燒、熱解炭化等。填埋因大量占用土地資源并容易導(dǎo)致周邊環(huán)境污染，逐漸被禁止或限制使用。好氧堆肥使污泥達(dá)到無害化，但好氧堆肥周期較長、占地面積較大、工藝參數(shù)較難控制，處理能力受季節(jié)影響，減量率低，產(chǎn)物未徹底穩(wěn)定，形成污泥堆肥產(chǎn)品氣味大、感觀差，市場接受度較低。厭氧消化雖能從一定程度上實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化，但污泥中含有重金屬及難降解的有機(jī)物，仍有潛在的環(huán)境風(fēng)險。焚燒總體實現(xiàn)了污泥減量化和無害化，但由于含水率高，傳統(tǒng)污泥焚燒系統(tǒng)能耗較高，投資成本大，且產(chǎn)生的二噁英氣體污染環(huán)境，實際應(yīng)用通常受到限制。

近年來，污泥炭化技術(shù)作為污泥“四化”的新手段受到了污泥處置市場的廣泛關(guān)注。污泥炭化就是通過限氧條件下給污泥“加溫和加壓”，使生化污泥中的細(xì)胞裂解，將其中的水分釋放出來同時又最大限度地保留了污泥中有機(jī)質(zhì)的過程。污泥炭化的優(yōu)勢在于其能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)熱量大，N、P含量高。除此之外，污泥炭化過程可以降低重金屬的生物有效性，促進(jìn)酸可溶態(tài)和可還原態(tài)向穩(wěn)定的可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，從而顯著降低污泥資源化利用所帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，有效解決污泥基生物炭土地利用時的負(fù)面效應(yīng)，使得污泥基生物炭的土地利用成為可能。筆者以黑麥草盆栽試驗為研究對象，通過添加不同比例的污泥基生物炭，研究其對黑麥草發(fā)芽率、植株產(chǎn)量產(chǎn)生的影響，考察其對植物生長的影響。

1 材料與方法

供試作物。選用一年生黑麥草牧大師，其具有適應(yīng)性廣泛、發(fā)芽快、養(yǎng)護(hù)簡單、抗寒性強(qiáng)等特點(diǎn)。

供試土壤。供試土壤為安徽省內(nèi)的黃褐土，其pH為7.26，有機(jī)質(zhì)含量為16.6 g/kg，全氮含量為0.82 g/kg，全磷含量為0.37 g/kg，全鉀含量為23.15 g/kg；8種重金屬含量分別為砷6.66 mg/kg、鎘0.11 mg/kg、鉻64.19 mg/kg、銅22.32 mg/kg、鋅56.59 mg/kg、鎳27.50 mg/kg、鉛22.66 mg/kg、汞0.04 mg/kg。

污泥基生物炭。試驗所采用的污泥基生物炭全部取自安徽省蕪湖市某污泥處理處置中心，該污泥處理處置中心的污泥均來自該區(qū)域生活污水處理廠，通過“調(diào)理改性+高干脫水+干化炭化”的技術(shù)路線對市政污泥進(jìn)行處理處置。首先將市政污泥進(jìn)行調(diào)理改性，改變市政污泥粒子表面的理化性質(zhì)，破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，減小與水的親和力，從而改善其脫水性能；其次將調(diào)理改性后的市政污泥配合高壓板框式壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理，脫水后的泥餅含水率控制在60%左右；最后利用市政污泥中有機(jī)物在無氧或缺氧條件下炭化成穩(wěn)定的生物炭。

盆栽試驗所用的污泥基生物炭含水率為5.01%，其pH為6.93，有機(jī)質(zhì)含量為273.3 g/kg，全氮含量為3.94 g/kg，全磷含量為7.98 g/kg，全鉀含量為20.68 g/kg；8種重金屬含量分別為砷8.77 mg/kg、鎘0.62 mg/kg、鉻183.54 mg/kg、銅118.83 mg/kg、鋅258.28 mg/kg、鎳47.09 mg/kg、鉛22.83 mg/kg、汞0.24 mg/kg。

選取均勻、飽滿的黑麥草種子，用自來水洗凈后再用40 ℃的溫水浸泡15～20 min，作為試驗種子。首先將盆栽用土、污泥基生物炭自然風(fēng)干，接著將盆栽用土、污泥基生物炭磨細(xì)分別過5和2 mm的網(wǎng)篩，最后按照污泥基生物炭在土壤干重比例分別為0、5%、10%、20%、30%進(jìn)行混合，裝于直徑25 cm、高35 cm聚乙烯塑料盆，每盆裝4 kg混合樣，盆底墊上2張濾紙防止土壤滲漏，每個處理設(shè)置3個平行。每盆播種100粒黑麥草種子，將種子均勻播撒到土壤表面，然后覆細(xì)土0.5～1.0 cm。

試驗期間定期澆灌，保證植物生長所需水分，將花盆放置于玻璃溫室內(nèi)，溫度15～23 ℃，濕度15%～20%。試驗共計40 d，計算10 d內(nèi)種子的發(fā)芽率，并在第10天、第20天、第40天測量和記錄植物的各項生長指標(biāo)。試驗結(jié)束后取植物樣本分別進(jìn)行重金屬含量及養(yǎng)分含量的測定。

樣品中pH的測定采用玻璃電極法(1∶2.5土水比)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測定，全氮采用開氏定氮法測定，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定。樣品中重金屬總量采用微波消解-電感耦合等離子發(fā)射光譜法測定。

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用Excel 2010和Origion。

2 結(jié)果與分析

從不同添加比例的污泥基生物炭在第10天時對黑麥草發(fā)芽率的影響(圖1)可以看出，隨著污泥基生物炭添加比例的增加，黑麥草的發(fā)芽率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)污泥基生物炭添加比例為10%時，黑麥草的發(fā)芽率最高，為84.33%；當(dāng)污泥基生物炭添加比例為30%時，黑麥草的發(fā)芽率最低，為69.67%，說明當(dāng)污泥基生物炭的添加量超過一定比例時，污泥基生物炭可能會改變土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，從而干擾黑麥草的發(fā)芽。

圖1 污泥基生物炭對黑麥草發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of sludge-based biochar on the germination rate of ryegrass

從不同添加比例的污泥基生物炭對黑麥長勢的影響(圖2)可以看出，污泥基生物炭不同程度地促進(jìn)黑麥草的生長。在添加污泥基生物炭組中，當(dāng)污泥基生物炭添加比例為10%時，黑麥草株高在第40天達(dá)到最高(19.76 cm)，與空白對照相比，株高提高了2.54%；添加污泥基生物炭后，黑麥草產(chǎn)量(鮮重)較空白對照有所提高。這表明添加污泥基生物炭可以促進(jìn)黑麥草的生長，增加黑麥草的產(chǎn)量，可能是污泥基生物炭中含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分促進(jìn)了黑麥草的生長。當(dāng)污泥基生物炭添加比例達(dá)到30%時，黑麥草的產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢，這表明污泥基生物炭的添加比例只有在適宜的范圍內(nèi)才可以提高作物的產(chǎn)量。當(dāng)施用污泥基生物炭添加量超過一定比例時，污泥基生物炭中的營養(yǎng)元素將不再起主導(dǎo)作用，污泥基生物炭中重金屬和其他有害物質(zhì)可能對植物根系產(chǎn)生抑制作用，影響作物的產(chǎn)量。

從不同添加比例的污泥基生物炭對黑麥草體內(nèi)養(yǎng)分的影響(圖3)可以看出，與對照相比，添加不同比例的污泥基生物炭后，黑麥草中全氮、全鉀含量均得到不同程度的增加。全氮、全鉀含量分別較對照增加幅度為28.57%～685.71%和44.83%～275.86%；當(dāng)污泥基生物炭添加比例超過5%時，黑麥草中全磷含量得到不同程度的增加，與對照相比增加幅度為24.05%～71.37%。在污泥基生物炭添加比例為10%時，黑麥草中全氮和全磷含量均最高，分別為0.55和17.96 mg/kg；在污泥基生物炭添加比例為20%時，黑麥草中全鉀含量最高，為1.09 mg/kg。

從不同添加比例的污泥基生物炭對黑麥草植株中重金屬含量的影響(表1)可以看出，添加不同比例的污泥基生物炭后，黑麥草植株中砷、鎘、鉻、鎳、鉛和汞的含量相比對照處理均有所提高。黑麥草植株中重金屬砷的含量在污泥基生物炭添加比例為30%時達(dá)到最高，為0.014 mg/kg；重金屬鎘的含量隨著污泥基生物炭添加比例的增加而增加，最高含量為0.17 mg/kg；重金屬鉻的含量在污泥基生物炭添加比例為5%時達(dá)到最大值，其含量為2.33 mg/kg；添加不同比例的污泥基生物炭會導(dǎo)致黑麥草植株中重金屬銅的含量下降，在5%、10%、20%和30%處理下重金屬銅的含量相比對照分別降低了39.69%、28.06%、28.06%和47.36%；在污泥基生物炭4種不同添加比例下，黑麥草植株中重金屬鎳的含量分別是對照的1.27、1.20、1.17和1.01倍；重金屬鉛的含量相比對照提高了13.79%～47.13%；重金屬鋅的含量隨著污泥基生物炭添加比例的增加呈先上升后降低的趨勢，在污泥基生物炭添加比例為20%時達(dá)到峰值，為35.65 mg/kg，比對照增加了18.05%。隨著污泥基生物炭的增加，汞的含量表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，在污泥基生物炭添加比例為10%時最大。黑麥草對不同類型重金屬的吸收呈現(xiàn)不同的趨勢，主要是因為土壤中的重金屬含量及其形態(tài)、土壤理化性質(zhì)所導(dǎo)致的。

圖2 污泥基生物炭對黑麥草長勢的影響Fig.2 Effect of sludge-based biochar on the growth of ryegrass

圖3 污泥基生物炭對黑麥草體內(nèi)養(yǎng)分的影響Fig.3 Effect of sludge-based biochar on nutrients in ryegrass

黑麥草是我國常見的一種良好牧草，其重金屬含量是否超標(biāo)可以參考《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13078—2017)。由表1可知，不同添加比例污泥基生物炭處理的黑麥草植株中重金屬含量均未超過國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

表1 污泥基生物炭對黑麥草植株重金屬含量的影響

從不同添加比例的污泥基生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響(圖4)可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量在污泥基生物炭的添加比例為20%達(dá)到峰值，全鉀在污泥基生物炭的添加比例為5%和20%達(dá)到峰值，全磷在污泥基生物炭的添加比例為30%達(dá)到峰值，與對照相比，分別提升了32.84%、21.21%、7.70%和42.86%。當(dāng)污泥基生物炭添加比例超過5%時，土壤中全磷含量隨著污泥基生物炭添加量的增加而增加，分別是對照的1.02、1.16和1.43倍。綜上所述，市政污泥經(jīng)過炭化工藝產(chǎn)生的污泥基生物炭中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分，能促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累，提高土壤肥力，改善土壤質(zhì)量。

從不同添加比例的污泥基生物炭對土壤重金屬含量的影響(表2)可以看出，添加污泥基生物炭后，添加比例5%、10%和20%處理中的砷含量均低于對照處理，分別降低了10.27%、13.52%和3.85%，這可能與黑麥草可以吸收土壤中的砷有關(guān)；添加污泥基生物炭導(dǎo)致土壤中的鎘含量和鉻含量增加，相比對照處理分別增加了12.50%～31.25%和0.30%～4.30%；銅、鎳、鉛和鋅的含量均在污泥基生物炭添加比例為30%處理下達(dá)到最大，分別為27.10、29.20、25.04和86.70 mg/kg，分別是對照的1.26、1.02、1.06和1.58倍。與對照相比，添加污泥基生物炭后，土壤汞含量均有所增加，增加幅度為22.22%～66.67%。

圖4 污泥基生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響Fig.4 The effect of sludge based biochar on soil physical and chemical properties

施用污泥基生物炭的土壤重金屬含量是否超標(biāo)可以參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)。由表2可知，施用污泥基生物炭的土壤重金屬含量均達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量中的二級標(biāo)準(zhǔn)。

表2 污泥基生物炭對黑麥草盆栽土壤重金屬的影響

3 結(jié)論

(1)隨著污泥基生物炭添加比例的增加，其對黑麥草生長作用先增后減，當(dāng)污泥基生物炭添加比例為10%時，黑麥草的發(fā)芽率和株高均達(dá)到最高，發(fā)芽率為84.33%，株高在40 d達(dá)到19.76 cm。污泥基生物炭施用量在適宜范圍內(nèi)可以顯著促進(jìn)黑麥草發(fā)芽和生長，提高黑麥草的營養(yǎng)和產(chǎn)量，當(dāng)污泥基生物炭施用量過量時，會抑制其生長，可能會減產(chǎn)。

(2)添加污泥基生物炭可為黑麥草提供養(yǎng)分，其全氮、全鉀含量較空白組分別增加28.57%～685.71%和44.83%～275.86%；當(dāng)污泥基生物炭添加比例為20%時，黑麥草中全鉀達(dá)到最高，含量為1.09 mg/kg；當(dāng)污泥基生物炭添加比例為10%時，黑麥草的全磷和全氮達(dá)到最高，含量分別為17.96和0.55 mg/kg。總體來說，污泥基生物炭施用量在適宜范圍內(nèi)可以顯著增加土壤中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量，有利于提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長，對土壤改良起到一定的效果。

(3)施用污泥基生物炭后，黑麥草植株中重金屬砷、鎘、鉻、鎳、鉛和汞的含量相比對照均有所提高；銅的含量呈現(xiàn)下降趨勢；鋅的含量隨著污泥基生物炭添加量的增加呈先上升后下降的趨勢，但黑麥草植株中重金屬含量均未超過國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(4)施用污泥基生物炭的土壤重金屬含量均達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量中的二級標(biāo)準(zhǔn)。因此，污泥基生物炭可以施用于一般農(nóng)田、園林綠化等土壤。