洪湖底泥特性及生產(chǎn)有機(jī)肥的分析研究

王瑞露 劉湛 董偉 吳翔鵬 陳帥 萬端極

[摘 要]為研究洪湖底泥生產(chǎn)有機(jī)肥的可行性，對(duì)洪湖底泥的有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)分析。研究表明：洪湖底泥有機(jī)質(zhì)平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染；全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。此外，洪湖底泥中重金屬汞（Hg）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）的含量平均值均低于有機(jī)肥限量標(biāo)準(zhǔn)，但砷（As）的含量略高于限量標(biāo)準(zhǔn)。全湖范圍內(nèi)Hg、Pb、Cd、Cr、As單因子污染指數(shù)Pi均≤1，為無污染狀態(tài)。南、北部湖區(qū)重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P值分別為0.81、0.80，處于尚清潔狀態(tài)。以上結(jié)果表明洪湖底泥是作為有機(jī)肥料的良好資源。

[關(guān)鍵詞]洪湖底泥；有機(jī)質(zhì)；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；重金屬；有機(jī)肥

[中圖分類號(hào)]X524[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

湖泊作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，近年來污染加劇，湖泊水體水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重^[1]。污染物通過地表徑流、雨水沖刷、大氣循環(huán)及不合理排水等途徑進(jìn)入湖泊系統(tǒng)，逐漸在湖底沉積形成湖泊內(nèi)源污染物^[2]。主要內(nèi)源污染物包括有機(jī)質(zhì)、氮磷化合物和重金屬^[3]。底泥是組成湖泊系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，一方面底泥可以吸附湖泊水體的污染物，凈化水質(zhì)；另一方面，底泥釋放污染物進(jìn)入上覆水影響湖泊水質(zhì)，兩者相互聯(lián)系，相互制約^[4-5]。

在湖泊水體的內(nèi)源污染控制中，底泥疏浚得到廣泛的應(yīng)用，治理效果明顯^[6]。

底泥疏?？梢郧宄龤埓嬖诘啄嘀械脑孱悺⑺鷦?dòng)植物殘骸和絮狀膠體，同時(shí)疏浚后的底泥攜帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽，減輕了湖泊內(nèi)源污染威脅^[7]。但是疏浚出來的底泥中攜帶大量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及重金屬，如果得不到良好的處置，會(huì)使底泥中的有害物質(zhì)隨雨水沖刷再次進(jìn)入水體，對(duì)環(huán)境造成二次污染。將底泥進(jìn)行資源化處理利用是當(dāng)下環(huán)保行業(yè)需要著重考慮的問題^[8]，也是當(dāng)前階段底泥資源化處置的熱點(diǎn)。

以疏浚底泥為原材料制備有機(jī)肥就是資源化處置利用的方式之一。有機(jī)肥的發(fā)酵過程釋放大量的熱，可以殺死底泥中潛在的病原微生物、寄生蟲，發(fā)酵放熱的過程還可以帶走大量的水分，使生產(chǎn)出來的有機(jī)肥作用于土壤更加安全^[9]。但底泥生產(chǎn)有機(jī)肥也存在諸多技術(shù)壁壘，如有機(jī)肥制備過程中重金屬的安全性、底泥中土著微生物對(duì)發(fā)酵過程的影響等^[10]。

本研究以洪湖底泥為研究對(duì)象，對(duì)底泥有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬含量及污染等級(jí)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)?；谘芯拷Y(jié)果，評(píng)估以洪湖底泥作為原材料生產(chǎn)有機(jī)肥的可行性。

1 材料與方法

1.1 洪湖污染現(xiàn)狀

洪湖（N29°39′- 30°12′；E113°7′- 114°05′）位于湖北省洪湖市、監(jiān)利縣之間，年平均降雨量約為1174 mm。洪湖作為湖北省最大的湖泊，水域面積常年保持在350 km²。洪湖有“湖北之腎”的美譽(yù)，對(duì)流域的供水灌溉、旅游航運(yùn)發(fā)揮著重要功能。在保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)方面也具有重要意義。然而，外源污染、過度捕撈、圍湖造田和不合理的開發(fā)導(dǎo)致洪湖水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，流域飲用水安全受到影響，流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到威脅^[11]。

鄭煌等于2014年在洪湖中部地區(qū)對(duì)采集到的柱狀沉積物進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)TN含量在1480～4920 mg/kg之間^[4]。陳超等于2014年對(duì)洪湖全湖沉積物中的TN進(jìn)行檢測(cè)，TN平均含量為2167 mg/kg，比太湖TN平均值高出419 mg/kg、比巢湖TN平均值高出349 mg/kg，與長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的底泥污染相比，洪湖底泥中的TN污染最為嚴(yán)重^[3]。潘雄等在非汛期對(duì)洪湖有機(jī)質(zhì)含量展開調(diào)查，測(cè)得結(jié)果顯示有機(jī)質(zhì)含量占比在5.0%～24.9%之間。對(duì)采集的底泥進(jìn)行分層檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)底層沉積物的有機(jī)質(zhì)含量較低，而位于底泥表層部分的有機(jī)質(zhì)濃度較高。最表層沉積物（0～10 cm）中有機(jī)質(zhì)濃度處于9.5%～24.9%，30～50 cm底泥中有機(jī)質(zhì)濃度在5.0%～9.7%。研究還發(fā)現(xiàn)底泥有機(jī)質(zhì)含量與底泥深度呈正比，而當(dāng)?shù)啄嗌疃冗_(dá)到40 cm以下時(shí)，有機(jī)質(zhì)濃度就基本趨于穩(wěn)定^[12]。

1.2 樣品采集

洪湖底泥采集于2020年12月底，在洪湖全湖范圍內(nèi)共布設(shè)20個(gè)采樣點(diǎn)。南區(qū)和北區(qū)各10個(gè)采樣點(diǎn)。利用重力采樣器采集無擾動(dòng)的柱狀底泥，沉積物柱狀樣品泥深控制在30 cm左右。對(duì)采集后的南北區(qū)域底泥進(jìn)行標(biāo)記后并于4℃冷藏保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室冷凍干燥。冷凍干燥后將底泥中的大顆粒雜質(zhì)剔除，通過100目篩進(jìn)一步去除大顆粒物質(zhì)，裝袋標(biāo)記后保存于陰涼干燥處備用。待檢測(cè)時(shí)，將南區(qū)和北區(qū)的底泥樣品分別進(jìn)行混合，對(duì)南區(qū)混合后的10個(gè)樣品和北區(qū)混合后的10個(gè)樣品分別進(jìn)行基本理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬含量檢測(cè)。

1.3 樣品分析

底泥的檢測(cè)指標(biāo)包括：pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、全氮（干基）、全磷（干基）、粒徑（D90）、As（干基）、Hg（干基）、Pb（干基）、Cd（干基）、Cr（干基）。pH值測(cè)定采用精密pH計(jì)S-3C（中國(guó)上海），電導(dǎo)率測(cè)定采用電導(dǎo)率儀，有機(jī)質(zhì)測(cè)定按照土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定（NY/T 1121.6-2006）的方法進(jìn)行，全氮測(cè)定按照堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）進(jìn)行測(cè)定，全磷按照連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法（HJ 670-2013）測(cè)定，粒徑D90采用重力沉降+離心沉降法進(jìn)行測(cè)定，Pb、Cd、Cr、As采用電感耦合等離子體法（ICP-MS）測(cè)定，Hg采用催化熱解-冷原子吸收分光光度法測(cè)定。

1.4 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)評(píng)價(jià)

目前，國(guó)內(nèi)尚未形成底泥中氮、磷、有機(jī)質(zhì)等生源要素的環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上的一些沉積物環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，主要因?yàn)榛鶞?zhǔn)建立方法的不同，同時(shí)影響生物多樣性的因素也不相同。加拿大安大略省環(huán)境與能源部出版的沉積物質(zhì)量指南涉及的指標(biāo)較為全面，我國(guó)黃河口、洞庭湖、北部灣等一些流域沉積物環(huán)境評(píng)價(jià)均采用安大略質(zhì)量基準(zhǔn)。本研究將根據(jù)加拿大安大略省沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)評(píng)價(jià)指南對(duì)洪湖底泥環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)^[13]（表1）。

1.5 重金屬污染評(píng)價(jià)

1）單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法是評(píng)價(jià)主要重金屬污染種類的重要方法，對(duì)疏浚底泥中的重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)時(shí)常采用單因子指數(shù)法，通過評(píng)價(jià)可以確定具體哪種重金屬含量超標(biāo)，并且可以進(jìn)一步判別超標(biāo)程度。我國(guó)在評(píng)價(jià)各類環(huán)境介質(zhì)中的重金屬污染時(shí)，通常將某種重金屬含量的實(shí)測(cè)值與該種重金屬在介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，以此來反應(yīng)該種重金屬的污染累積現(xiàn)狀^[14]。計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

其中：Pi為重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)值；Si為重金屬i環(huán)境質(zhì)量限值，Pi與底泥中重金屬濃度呈正比，Pi值增大反映出底泥污染加劇。表2為單因子污染程度劃分標(biāo)準(zhǔn)。

2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法是通過Pi最大值和Pi平均值來準(zhǔn)確全面反映環(huán)境中重金屬污染的評(píng)價(jià)方法，該方法在Pi指數(shù)法基礎(chǔ)上做了調(diào)整，規(guī)避了Pi指數(shù)法評(píng)價(jià)的單一性缺點(diǎn)，是一種計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)方法。其計(jì)算公式如下：

其中：P為采樣點(diǎn)重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi 為單因子指數(shù)；Pi_max為污染最嚴(yán)重的重金屬。通過分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P值進(jìn)行評(píng)價(jià)分類，P值越大，重金屬污染越嚴(yán)重。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表 3 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥理化性質(zhì)

對(duì)采集到的洪湖底泥進(jìn)行分析檢測(cè)，基本理化性質(zhì)數(shù)據(jù)如表4所示。全湖有機(jī)質(zhì)平均濃度為10.5%，全氮平均濃度為4026 mg/kg，全磷平均濃度為1632 mg/kg。通過和2016年對(duì)洪湖底泥采樣檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量有所上升，這是因?yàn)殡S著洪湖治理取得顯著效果，洪湖水生植物恢復(fù)到較高水平，有接近40余萬畝的水域水草豐茂，然而在洪湖的日常管養(yǎng)中由于缺乏對(duì)水生植物殘?bào)w的及時(shí)打撈清理，導(dǎo)致水草豐茂水域植物腐爛堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，洪湖有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)一步提高，高有機(jī)質(zhì)含量的沉積物在水中會(huì)對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重污染，然而將底泥沉積物進(jìn)行打撈清理，將底泥作為有機(jī)肥生產(chǎn)的原材料，便賦予底泥二次利用的價(jià)值。

采用加拿大安大略沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量基準(zhǔn)對(duì)洪湖底泥環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以看出洪湖底泥有機(jī)質(zhì)平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染，全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。由洪湖底泥的粒徑數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，湖內(nèi)底泥中90%的顆粒粒徑為140 μm，具有較大顆粒粒徑，在大量吸水后不容易板結(jié)，具有較好的通透性。

2.2 底泥重金屬含量

相較于2016檢測(cè)到的重金屬含量，2020年重金屬含量有一定程度變化，在洪湖南部區(qū)域，Hg、Cd和As的含量均有所上升，上升后的Hg、Cd和As的含量分別為1.65 mg/kg、0.40 mg/kg、15.05 mg/kg，Hg和Cd的含量仍低于重金屬限量指標(biāo)，As的含量略有超標(biāo)。而Pb和Cr含量有所降低，分別為23.30 mg/kg、69.50 mg/kg；在洪湖北部區(qū)域，Hg、Cd和As的含量也所上升，上升后的Hg、Cd和As含量分別為1.50 mg/kg、0.35 mg/kg、15.10 mg/kg，Pb和Cr含量有所下降，分別為20.55 mg/kg、69.10 mg/kg。

根據(jù)《生物有機(jī)肥》（NY 884-2012）中對(duì)5種重金屬含量的控制指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，洪湖底泥中Hg、Cd、Pb、Cr的含量平均值均低于限量標(biāo)準(zhǔn)，而As含量略高于限量標(biāo)準(zhǔn)。采用單因子污染指數(shù)法對(duì)洪湖底泥重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，在洪湖南部區(qū)域，Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數(shù)Pi分別為0.47、0.83、0.13、0.46、1.00；在洪湖北部區(qū)域，Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數(shù)Pi分別為0.41、0.75、0.12、0.46、1.00。單因子分析可以發(fā)現(xiàn)重金屬均為無污染狀態(tài)。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)底泥重金屬，可以發(fā)現(xiàn)在南、北部湖區(qū)，P值分別為0.81、0.80，屬于警戒級(jí)，即處于尚清潔狀態(tài)。但不足以對(duì)土壤造成污染。P值略高主要是由于底泥中的As含量略微超標(biāo)，而在有機(jī)肥生產(chǎn)過程中底泥作為有機(jī)肥生產(chǎn)的輔料，添加量是按照一定配比添加制備，輔料中的As含量略微超標(biāo)不影響最終有機(jī)肥成品的重金屬檢測(cè)要求。也就是說洪湖底泥中重金屬含量滿足有機(jī)肥生產(chǎn)，將洪湖底泥進(jìn)行再利用不會(huì)對(duì)土壤農(nóng)作物帶來重金屬污染。

如表6所示為農(nóng)用污泥中重金屬含量的控制指標(biāo)，以2020年洪湖底泥重金屬含量為分析對(duì)象，洪湖底泥中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr的含量均低于國(guó)標(biāo)（GB 4284-2018）中A級(jí)控制指標(biāo)，說明洪湖底泥中重金屬指標(biāo)滿足牧草地、園地、種植食用農(nóng)作物耕地的要求。

2.3 底泥生產(chǎn)有機(jī)肥應(yīng)用

有機(jī)肥是指有機(jī)質(zhì)含量豐富，既能為植物生長(zhǎng)提供必要的養(yǎng)分，又能作用于土壤中改良土壤肥力的肥料。有機(jī)肥一部分來自農(nóng)戶就地取材、自行堆肥，還有一部分來自工廠規(guī)?；a(chǎn)的商品肥。施用有機(jī)肥既能增加作物產(chǎn)量、還能改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。有機(jī)肥作用于土壤中通過減少養(yǎng)分的固定，來進(jìn)一步提高養(yǎng)分的有效性，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。以湖泊底泥為原料生產(chǎn)有機(jī)肥，分別做草地、林地、果樹肥料和復(fù)墾土壤改良劑，對(duì)于湖泊疏浚底泥的處置利用具有重要意義。

已有有機(jī)肥生產(chǎn)廠家針對(duì)目前農(nóng)業(yè)和土壤中存在的重點(diǎn)問題，以含碳礦物為主要原料研發(fā)生產(chǎn)了新型有機(jī)肥。以泥炭、煙煤、褐煤和草炭為主的一些低質(zhì)煤為原料，通過二級(jí)生物發(fā)酵方法激活微生物活性，制備出的有機(jī)肥具有有機(jī)質(zhì)含量高、中微量元素配比合理、微生物種類豐富的特點(diǎn)。產(chǎn)品富含有機(jī)質(zhì)和易吸收的高活性有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，同時(shí)還富含作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等元素。

在有機(jī)肥制備過程中，一些廠家采用完全厭氧發(fā)酵工藝，不會(huì)消耗土壤中的氮元素，安全可靠，可以直接施用。培育出的有機(jī)肥具有平衡肥力、改良土壤、促根壯苗、降解殘留、生態(tài)環(huán)保、防病抗旱和增值提效的優(yōu)點(diǎn)。在多個(gè)省區(qū)多種作物上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)示范，水果、蔬菜、糧食、花卉和經(jīng)濟(jì)作物均有普遍增產(chǎn)和改善品質(zhì)的效果。

2.4 底泥生產(chǎn)有機(jī)肥的可行性

洪湖底泥可清除面積達(dá)200 km²，若按30 cm厚度進(jìn)行底泥疏浚，則可清除底泥（60%含水率）約300萬噸，可將疏浚底泥作為有機(jī)肥生產(chǎn)的主要原料，對(duì)底泥進(jìn)行脫水預(yù)處理，通過二級(jí)生物發(fā)酵激活微生物活性生產(chǎn)出高質(zhì)量的有機(jī)肥。底泥生產(chǎn)有機(jī)肥具有良好的社會(huì)效益。底泥中富含的營(yíng)養(yǎng)元素和礦物質(zhì)使底泥成為制備有機(jī)肥的良好原材料，底泥處置得到資源化利用，底泥中的營(yíng)養(yǎng)物、有機(jī)質(zhì)得到二次利用，以底泥為原材料制備的有機(jī)肥進(jìn)入到土壤中能增強(qiáng)土壤肥力。底泥發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱帶走大量水分，同時(shí)還可以殺死底泥中潛在的寄生蟲卵、病原微生物，使得生產(chǎn)出的有機(jī)肥更加安全。底泥生產(chǎn)有機(jī)肥可以從根本上解決有機(jī)廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，具有減量化、無害化、資源化的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

1）洪湖疏浚底泥有機(jī)質(zhì)平均含量為10.5%，為中度污染；全氮含量為4026 mg/kg，為重度污染；全磷含量為1632 mg/kg，為中度污染。

2）洪湖底泥的重金屬含量除砷外均低于有機(jī)肥限量標(biāo)準(zhǔn)。Pb、Hg、Cd、Cr和As的單因子污染指數(shù)Pi≤1，五種重金屬均無污染；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析得到，南北部湖區(qū)重金屬綜合污染指數(shù)P分別為0.81、0.80，處于警戒級(jí)狀態(tài)。

3）綜合分析可以發(fā)現(xiàn)洪湖底泥是作為有機(jī)肥料的良好資源，底泥生產(chǎn)有機(jī)肥不會(huì)為環(huán)境帶來二次污染。

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Research on The Lakebed Sludge Characteristics of Honghu Lake

and Its Feasibility of Producing Organic Fertilizer

WANG Ruilu¹， LIU Zhan¹， DONG Wei¹， WU Xiangpeng²， CHEN Shuai¹， WAN Duanji³

（1 Wuhan Kunjian Ecological Environment Planning and Design Co. LTD， Wuhan 430080，China;

2 School of Information and Media，Hubei Land Resources Vocational College，Wuhan 430090，China;

3 School of Civil Engin. Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：To investigate the feasibility of producing organic fertilizer from the lakebed sludge of Honghu Lake， the organic matter， nutrients， and heavy metals contents of the sludge collected at Honghu Lake were detected and analyzed. The results showed that the average content of organic matter was 10.5%， which indicated a moderate pollution state. The content of total nitrogen （TN） was 4026 mg/kg， which indicated a severe pollution state. The content of total phosphorus （TP） was 1632 mg/kg， which indicated a moderate pollution state. In addition， the average contents of heavy metals mercury （Hg）， lead （Pb）， cadmium （Cd）， and chromium （Cr） in the lakebed sludge were all lower than the limit standards of organic fertilizer. But the content of arsenic （As） was slightly higher than limit standards. The single-factor pollution index （Pi） of Hg， Pb， Cd， Cr， and as in the whole lake were all ≤1， which was defined as a pollution-free state. The Nemero index （P） of comprehensive pollution of heavy metals in the southern and northern lake areas were 0.81 and 0.80， respectively， which were in a clean state. Based on the above analysis， it is determined that the lakebed sludge of Honghu Lake was a good resource for producing organic fertilizer.

Keywords：lakebed sludge of Honghu lake; organic matter; nutrients; heavy metal; organic fertilizer

[責(zé)任編校：裴 琴]