農(nóng)村生活污水厭氧消化液在農(nóng)田利用中對(duì)土壤環(huán)境及作物的影響

王云龍， 李欣， 蘇瑤， 喻曼， 徐天予， 羅安程,*， 沈阿林

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院，浙江 杭州 310000；3.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

隨著國家和社會(huì)對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的重視，農(nóng)村生活污水處理終端設(shè)施正在日益完善，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國60多萬個(gè)行政村有農(nóng)村污水處理設(shè)施占比從2007年的3%快速增長到2017年的25%[1-2]，以處于領(lǐng)先地位的浙江省為例，經(jīng)“五水共治”近5年的攻堅(jiān)，基本實(shí)現(xiàn)規(guī)劃保留村生活污水有效治理全覆蓋，已建設(shè)施約有10萬座[3]，隨著這些設(shè)施投入運(yùn)營，出現(xiàn)了部分處理設(shè)施不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等問題[4-5]。作為一種傳統(tǒng)的水肥資源，農(nóng)村生活污水回用于農(nóng)業(yè)灌溉或美麗鄉(xiāng)村建設(shè)[6]，既可降低設(shè)施運(yùn)行能耗，提高設(shè)施的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少運(yùn)維資金投入，又可以減排污染物，降低新鮮淡水資源的取用量，具有“節(jié)水減排”功效。

未經(jīng)處理的生活污水，其化學(xué)需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)等污染物未能達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，不能直接用于灌溉[7]，且眾多研究表明，直接灌溉產(chǎn)生的土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，尤其是污水中可能含有的鹽分及表面活性劑等污染物，不僅會(huì)對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[8]，也會(huì)對(duì)土壤生物代謝多樣性影響較大[9-13]。因此，利用農(nóng)村生活污水灌溉前，需經(jīng)隔油、厭氧等方式適當(dāng)處理，以達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。厭氧處理作為農(nóng)村生活污水處理的一級(jí)單元，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，不含重金屬等有毒有害物質(zhì)，具備成為農(nóng)業(yè)灌溉水源的潛在條件[14-17]。如果將其作為一種穩(wěn)定的水源，用作農(nóng)田灌溉，可有效利用生活污水中含有的氮磷為作物提供營養(yǎng)物質(zhì)[18]，實(shí)現(xiàn)水資源與氮磷資源的再利用。

本文研究了不同灌溉用量下的農(nóng)村生活污水厭氧消化液在農(nóng)田利用中對(duì)土壤環(huán)境和作物品質(zhì)的影響，建立起“厭氧消化液-土壤-農(nóng)作物”多重生態(tài)結(jié)構(gòu)，充分利用土壤、農(nóng)作物對(duì)污染物的吸附、遷移、轉(zhuǎn)化、吸收、降解作用，達(dá)到消納污染物的作用，同步實(shí)現(xiàn)污染物減排與資源回收的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)田位于浙江省湖州市安吉縣杭垓鎮(zhèn)桐杭村，土壤類型為潴育型水稻土，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在15.5 ℃左右，年平均降雨量為1 461 mm。該試驗(yàn)田在試驗(yàn)前已正常耕作種植多年。選擇試驗(yàn)田附近約50 m處的一座采用厭氧+好氧處理工藝的污水處理設(shè)施(處理規(guī)模10 t·d-1)，將該設(shè)施的厭氧出水作為試驗(yàn)供試水，其基本水質(zhì)情況見表1。

表1 供試水水質(zhì)與我國農(nóng)田灌溉水質(zhì)基本控制標(biāo)準(zhǔn)值比較

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)試驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共設(shè)置12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有效面積30 m2(5 m×6 m)。其中包括對(duì)照處理1個(gè)。處理1廢水投配水力負(fù)荷按照0.010 m3·m-2·d-1，處理2廢水投配水力負(fù)荷按照0.002 m3·m-2·d-1，處理3廢水投配水力負(fù)荷按照0.001 m3·m-2·d-1，處理4為對(duì)照，分別記為T1、T2、T3、CK。污水采用連續(xù)灌溉的方式，且根據(jù)植物生長需求、氣溫及降水情況適當(dāng)增加或減少水量，對(duì)照組根據(jù)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)事操作投配清水。

采用輪作的方式，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣，選擇玉米和蘿卜兩種作物輪作。各試驗(yàn)組農(nóng)事操作方式一致。本試驗(yàn)共進(jìn)行586 d，從第一年玉米種植開始，至第二年蘿卜收獲結(jié)束。

1.3 材料與方法

1.3.1 供試水及土壤溶液

測(cè)定指標(biāo)：化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮含量(TN)、總磷含量(TP)、電導(dǎo)率(EC)。

CODCr、TN、TP測(cè)試方法選用哈?？焖贉y(cè)定儀試劑盒測(cè)定；EC選擇上海雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定。

1.3.2 土壤樣品

測(cè)定指標(biāo)：堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量。

土壤堿解氮含量采用擴(kuò)散法；土壤速效磷含量采用鉬藍(lán)比色法；土壤速效鉀含量采用火焰光度計(jì)法；土壤樣品有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮測(cè)定采用半微量開氏法[19]。

1.3.3 作物樣品

測(cè)定指標(biāo)：可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、維生素C(VC)含量。

可溶性蛋白的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)染料結(jié)合法；可溶性糖的測(cè)定采用蒽酮比色法；VC的測(cè)定采用2,6-二氯靛酚滴定法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪制圖表，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 灌溉農(nóng)村生活污水厭氧消化液對(duì)土壤溶液的影響

由圖1可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，對(duì)照組與處理組土壤溶液TN出現(xiàn)顯著性差異，試驗(yàn)組土壤溶液TN含量低于對(duì)照組，且與生活污水灌溉量呈正比，相關(guān)研究[20-21]表明，生活污水中的表面活性劑成分會(huì)抑制土壤粒子對(duì)氮素的吸附。另一方面，從施肥后采集到的土壤溶液中可以看出，T1、T2、T3總氮含量在這一階段要高于CK，說明施用生活污水對(duì)土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化存在一定的影響。但隨試驗(yàn)時(shí)間增加，土壤溶液中總氮含量并未保持在較高水平或表現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢(shì)。

對(duì)于土壤溶液中TP含量來說，供試污水中總磷的濃度在1.67～4.93 mg·L-1，明顯高于土壤溶液總磷含量，且不同處理?xiàng)l件下，土壤溶液中總磷含量相差不大，隨試驗(yàn)時(shí)間增加，土壤中并未出現(xiàn)明顯的積累，說明植物-土壤系統(tǒng)對(duì)生活污水中的磷有較好的消納作用。

從圖1中可以看出，對(duì)照組與試驗(yàn)組土壤溶液電導(dǎo)率變化趨勢(shì)一致，且無顯著性差異，對(duì)于施用不同量的經(jīng)厭氧處理的生活污水，其土壤溶液電導(dǎo)率相對(duì)高于用清水灌溉后土壤溶液電導(dǎo)率，有升高的趨勢(shì)，但未出現(xiàn)持續(xù)升高的現(xiàn)象，說明土壤對(duì)于鹽分含量有一定的調(diào)節(jié)能力。同時(shí)有研究[9-11]表明，未經(jīng)處理的生活污水灌溉，則會(huì)出現(xiàn)鹽漬化，這也從側(cè)面體現(xiàn)了生活污水灌溉前適度處理的必要性。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～8同。

土壤溶液COD、TN、TP含量和電導(dǎo)率與供試水對(duì)應(yīng)含量的關(guān)系存在不確定性，即存在供試水COD、TN、TP含量和電導(dǎo)率較低時(shí)土壤溶液各含量較高，和供試水COD、TN、TP含量和電導(dǎo)率較高時(shí)土壤溶液各含量較低的現(xiàn)象，這可能是由于土壤含水量受到降雨、氣溫等因素的影響，進(jìn)而使土壤溶液出現(xiàn)較大波動(dòng)，同時(shí)安吉地區(qū)全年降雨量較多，雨水的沖刷也加快了生活污水中污染物的遷移，說明土壤溶液COD、TN、TP、電導(dǎo)率的變化受生活污水資源化利用的影響較小。

2.2 灌溉農(nóng)村生活污水厭氧消化液對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖2可知，在0～<20 cm深度各試驗(yàn)組土壤有機(jī)質(zhì)含量均在20～25 g·kg-1，且同一處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量未隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而發(fā)生明顯變化。在20～<40 cm和40～60 cm的土壤中，同一處理的有機(jī)質(zhì)含量雖然隨著試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)生波動(dòng)，但試驗(yàn)組與對(duì)照組的變化趨勢(shì)相同。同時(shí)，隨著土壤深度的增加，各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨之減少，說明生活污水資源化利用未影響土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布。因此，在試驗(yàn)期間生活污水灌溉對(duì)0～60 cm的耕層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量影響不大，未產(chǎn)生顯著性差異。

圖2 不同處理對(duì)土壤不同深度有機(jī)質(zhì)含量的影響

有研究[22]表明，長期使用生活污水灌溉可以使土壤中的有機(jī)質(zhì)增加64 g·kg-1，說明灌溉生活污水可以為土壤帶來有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)?？傮w來說，灌溉農(nóng)村生活污水厭氧消化液對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不明顯，但在一定程度上促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。

2.2.2 對(duì)土壤全氮含量的影響

由圖3可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，同一處理各層土壤的全氮含量變化不明顯，這與定期為CK、T1、T2、T3分別施加等量氮肥，以保證試驗(yàn)期間作物的正常生長有關(guān)。同時(shí)，各試驗(yàn)組間的全氮含量也未產(chǎn)生顯著性差異，僅在242 d的20～<40 cm土層存在顯著性差異，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行差異也隨之消失，說明生活污水資源化利用未影響土壤全氮含量。同時(shí)，土壤全氮含量隨著土壤深度增加而減少，符合土壤養(yǎng)分向表層富集的特點(diǎn)[23]，反映出利用生活污水的厭氧消化液灌溉，對(duì)土壤全氮含量的空間分布影響較小。

圖3 不同處理對(duì)土壤不同深度全氮含量的影響

2.2.3 對(duì)土壤堿解氮含量的影響

由圖4可知，隨著土壤深度的增加，同一處理的土壤樣品堿解氮含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，符合土壤堿解氮空間變化規(guī)律，說明生活污水資源化利用對(duì)土壤堿解氮的空間分布影響較小。另一方面，試驗(yàn)期間，不同處理?xiàng)l件下，土壤同一深度的堿解氮含量基本無顯著性差異，但467 d時(shí)0～<20 cm的土層中取到的土樣，T2、T3堿解氮含量顯著低于CK、T1，且隨生活污水灌溉量的減少而減少，白保勛等[24]對(duì)在林地中灌溉污水也同樣出現(xiàn)了土壤中堿解氮含量隨灌溉量的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，但在試驗(yàn)后期，差異逐漸消失。

圖4 不同處理對(duì)土壤不同深度堿解氮含量的影響

2.2.4 對(duì)土壤速效鉀含量的影響

由圖5可知，試驗(yàn)期間，施用不同量的生活污水對(duì)不同深度土壤中速效鉀含量影響較小，不同處理在相同土壤深度的速效鉀含量基本無顯著性差異，且試驗(yàn)組與對(duì)照組土壤速效鉀含量變化趨勢(shì)相同。僅162 d時(shí)，在20～<40 cm土層速效鉀有顯著性，但同時(shí)期0～<20 cm和40～60 cm土層速效鉀含量均未出現(xiàn)顯著性差異，說明其差異性可隨空間變化而減小。同時(shí)有相關(guān)研究[25-27]表明，灌溉水中鉀含量將對(duì)土壤中速效鉀含量產(chǎn)生直接影響，因此，灌溉水質(zhì)不同對(duì)其影響程度也不同，如經(jīng)二級(jí)處理的生活污水灌溉的土壤，其速效鉀含量有增加趨勢(shì)。因此，總體來看，生活污水資源化利用對(duì)土壤速效鉀含量影響不明顯，且經(jīng)處理的生活污水在一定程度上有益于土壤速效鉀含量的增加。

圖5 不同處理對(duì)土壤不同深度速效鉀含量的影響

2.2.5 對(duì)土壤速效磷含量的影響

由圖6可知，試驗(yàn)初始階段，各試驗(yàn)組土壤速效磷含量差異較大，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，差異逐漸縮小，但在0～<20 cm土層中速效磷含量較20～<40 cm和40～60 cm土層波動(dòng)大，可能與作物根系在該層分布較多，且不同作物生長對(duì)磷吸收量不同所產(chǎn)生的。在40～60 cm土層中，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，逐步顯現(xiàn)出土壤速效磷含量的差異性，與灌溉量呈現(xiàn)正相關(guān)，且T1、T2、T3含量均小于CK。有相關(guān)研究[20,28-30]表明，生活污水中含有的陰離子表面活性劑，可抑制土壤離子對(duì)磷的吸附，增加土壤磷的解析能力，促進(jìn)磷的淋出。另一方面由于土壤-作物系統(tǒng)對(duì)磷有較好的消納作用，在試驗(yàn)前期土壤速效磷含量的波動(dòng)較大的情況下，隨試驗(yàn)時(shí)間增加，表層土壤速效磷含量未出現(xiàn)顯著性差異，這也與雷瓊等[27]的研究結(jié)果一致。

圖6 不同處理對(duì)土壤不同深度速效磷含量的影響

2.3 灌溉農(nóng)村生活污水厭氧消化液對(duì)作物品質(zhì)指標(biāo)的影響

2.3.1 對(duì)玉米品質(zhì)指標(biāo)的影響

由圖7可知，在不同處理?xiàng)l件下，玉米籽粒中的可溶性糖和可溶性蛋白含量未產(chǎn)生顯著性差異，說明本試驗(yàn)設(shè)定的水力負(fù)荷，對(duì)玉米的品質(zhì)指標(biāo)未產(chǎn)生負(fù)面影響。但通過對(duì)比玉米可溶性蛋白的含量可以發(fā)現(xiàn)，隨著供試水灌溉量的增加，其可溶性蛋白含量也隨之增加，兩者呈正比例關(guān)系。結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果[22,27,31]，施用適當(dāng)處理的污水，其中含有的氮磷提高了植物根層中的養(yǎng)分含量，可以增加作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，選擇適當(dāng)負(fù)荷的農(nóng)村生活污水厭氧消化液灌溉，在一定程度上可以提升玉米品質(zhì)。

圖7 不同處理對(duì)玉米品質(zhì)指標(biāo)的影響

2.3.2 對(duì)蘿卜品質(zhì)指標(biāo)的影響

由圖8可知，在不同生活污水灌溉量處理下，各試驗(yàn)組蘿卜肉質(zhì)根中的可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量并未產(chǎn)生顯著性差異，但隨著水力負(fù)荷的增加，其品質(zhì)指標(biāo)含量有減少趨勢(shì)。另一方面，根據(jù)第一年試驗(yàn)情況，與對(duì)照組相比，T2、T3的可溶性蛋白含量均有所增加；T1、T2、T3的可溶性糖含量則減少；T1、T2的VC含量則分別減少14.4%、16.3%，T3的VC含量增加了1.3%。這與相關(guān)研究[32]結(jié)果一致，即生活污水灌溉對(duì)作物的可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量影響存在不一致性。但隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，第二年試驗(yàn)組與對(duì)照組之間各項(xiàng)指標(biāo)差異有縮小的趨勢(shì)。因此，合理選擇生活污水的灌溉量可最大限度的減少對(duì)蘿卜品質(zhì)指標(biāo)的負(fù)面影響，甚至可增加其品質(zhì)指標(biāo)含量，帶來積極效應(yīng)。

圖8 不同處理對(duì)蘿卜品質(zhì)指標(biāo)的影響

2.4 農(nóng)村生活污水消納處理核算

試驗(yàn)期間各處理施用的厭氧消化液如表2所示，其中T1、T2、T3分別施用厭氧消化液192.5、114.5、71.0 m3，折合667 m2年均可消納污水約887、529、328 m3。結(jié)合表1中所示的供試水與農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比可知，經(jīng)過厭氧處理后的生活污水，其COD、LAS、pH及各重金屬的含量均在灌溉標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，且含有總氮、總磷平均含量為14.86、2.64 mg·L-1，可以為作物的生長提供一定的養(yǎng)分。因此，選擇適當(dāng)處理后的生活污水進(jìn)行灌溉，可以滿足灌溉水質(zhì)要求，在不影響作物生長的情況下通過土壤-作物系統(tǒng)消納一定數(shù)量的污水，實(shí)現(xiàn)污水的消納減排與資源的回收利用。

表2 各處理厭氧消化液灌溉用量

3 小結(jié)

采用不同水力負(fù)荷農(nóng)村生活污水厭氧消化液灌溉，對(duì)表層土壤溶液中CODCr、TN、TP含量和電導(dǎo)率影響不大。由于厭氧消化液中所含污染物的濃度存在波動(dòng)，導(dǎo)致土壤溶液中CODCr、TN、TP含量和電導(dǎo)率也存在一定波動(dòng)，但南方雨水較多，且采用輪作方式，各污染物未發(fā)生明顯積累。

各試驗(yàn)組土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷含量在空間分布規(guī)律上未發(fā)生顯著性差異。選擇適當(dāng)?shù)墓喔攘颗c耕作形式，對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生的影響較小。采用不同水力負(fù)荷農(nóng)村生活污水厭氧消化液灌溉，基本不會(huì)對(duì)玉米和蘿卜的可溶性糖、可溶性蛋白、VC等品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響。采用厭氧消化液灌溉的處理作物的產(chǎn)量及品質(zhì)都有顯著性增加。

經(jīng)厭氧處理后的農(nóng)村生活污水可以滿足農(nóng)田灌溉的水質(zhì)要求，通過土壤-作物系統(tǒng)可以消納部分農(nóng)村生活污水，回收利用生活污水中富含的氮磷等養(yǎng)分，減少營養(yǎng)鹽向水環(huán)境的排放。