城市污泥土地利用的淋溶风险探析

2017年河北大学学报(自然科学版)2017第37卷第1期JournalofHebeiUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.37No.1DOI:10.3969/j.issn.10001565.2017.01.012城市污泥土地利用的淋溶风险探析徐成斌1,董兴1,黄野1,田丹2,孙学凯3(1.辽宁大学环境学院,辽宁沈阳110036;2.沈阳大学信息工程学院,辽宁沈阳110044;3.中国科学院沈阳应用生态研究所大青沟沙地生态实验站,辽宁沈阳110016)摘要:科学合理地处置城市污泥业已成为中国当前亟待解决的重要环境问题.剩余污泥土地利用是一种最具发展潜力的处置方式,但是污泥中含有多种重金属、有机污染物、养分元素等,土地利用后能否产生淋溶风险,是否对土壤、地下水甚至人体健康产生危害存在较大争议.为此,本文对污泥土地利用后重金属、有机污染物以及养分的淋溶风险进行了论述,并对污泥土地利用的未来发展方向进行了展望.关键词:城市污泥;淋溶;土地利用;环境风险中图分类号:X53;X705文献标志码:A文章编号:10001565(2017)01008006AreviewonleachingriskoflandapplicationofurbansewagesludgeXUChengbin1,DONGXing1,HUANGYe1,TIANDan2,SUNXuekai3(1.CollegeofEnvironmentalScience,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China;2.CollegeofInformationEngineering,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China;3.DaqinggouEcologicalStation,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China)Abstract:Inourcountry,dealingwithsewagesludgescientificallyandreasonablyhasbecomeanim-portantandurgentenvironmentalproblem.Landapplicationofurbansewagesludgeisthemostpromisingwayofthedisposal.However,sludgecontainsavarietyofheavymetals,organiccontaminantsandnutri-ents.Itremainsunclearwhetherthesepollutantsinthesludgemayleachintosoilandgroundwater,andcauseharmtohumanhealth.Inthispaper,theriskofheavymetals,organiccontaminantsandnutrientsaf-terthesludgelandusewerereviewed.Theproblemsinthefuturedevelopmentaboutlandapplicationofur-bansewagesludgewerepointedout.Keywords:urbansludge;leaching;landapplication;environmentalrisk随着中国城市化的迅速发展,污水处理厂不断修建,中国城市污水处理厂剩余污泥的产量日益增加[1].据中国水网/中国固废网研究院发布的《中国污泥处理处置市场分析报告(2013版)》可知,近些年,中国的污泥产生量大幅提升,目前城镇污水处理厂湿污泥(含水率80%)产生量已超过3×107t/a.剩余污泥是污水处理过程中产生的沉淀物,含有各种有机污染物、重金属、病原微生物、无机颗粒等,在剩余污泥的处置过程收稿日期:20160630基金项目:国家自然科学基金资助项目(41401262);国家“十二五”科技重大专项子课题(2012ZX07202003-05);辽宁省教育厅一般项目(L2015202);2016年辽宁省级本科教改立项项目;辽宁省博士科研启动基金计划项目(201501131)第一作者:徐成斌(1980—),男,辽宁大连人,辽宁大学副教授,主要从事环境污染与防治、环境工程研究.E-mail:[e-mail]通信作者:孙学凯(1980—),男,辽宁沈阳人,中国科学院沈阳应用生态研究所工程师,主要从事碳氮养分循环、植被生态恢复与环境污染控制的研究.E-mail:[e-mail]第1期徐成斌等:城市污泥土地利用的淋溶风险探析中如不能有效去除各种污染物质就会造成二次污染[2].因此,污泥有效利用和安全处置是经济、环境协调发展中的一个重要部分[3].现阶段,国内外对污泥的处理方式主要有土地利用、建材利用、焚烧、填埋、污泥干化与消化等[4].由于城市污泥中富含氮、磷等养分以及多种有机质,将城市污泥施入土壤可以改善土壤的理化性状[5].Tejada等[6]研究施用污泥的土壤发现,土壤孔隙度增加,土壤表面板结和地表径流减少.Cheng等[7]研究认为,施用污泥可增加土壤阳离子交换量,增强土壤团聚体的稳定性和保水保肥能力.Kimberley等[8]研究结果表明,施用适量污泥会显著促进松树生长,施用5年后松树的最大枝条直径较未施用污泥的最大枝条直径大1cm.另有研究表明,向沙质土壤中施入污泥,可提高草本植物的生物量[9].因此,对城市污泥的资源化利用业已成为环境科学、生态学等诸多领域的重要研究热点[10].城市剩余污泥在长期施用或过量施用时,往往会对土壤及地下水产生一定风险,因此污泥土地利用已经引起广大学者们的高度重视.研究表明,施用污泥中含有一定量的重金属,会在土壤中产生一定的累积,造成环境污染[11],并能直接或间接途径进入食物链,对人体健康产生危害.城市污泥中含有多种有机污染物,在环境中具有生物累积效应以及放大效应,由于有机污染物具有“三致”作用,长期累积对人体有毒害作用[12].此外,长期施用污泥或者过量施用污泥时,土壤中的氮、磷等无机物质会有淋溶风险,进而导致地下水富营养化的加速,严重的将会导致地下水的污染[13].因此,探讨污泥土地利用的淋溶风险对中国城市剩余污泥的合理处置与资源化利用具有重要的指导意义.1污泥土地利用后重金属的淋溶风险城市污水处理厂污泥中含有多种重金属成分,根据污水来源和污水处理方式工艺的不同,污泥中的重金属种类及含量也略有不同.一般情况下,污泥中主要含有的重金属有Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Cr、Ni、As等[14-15],其中Cu和Cr的含量高于Pb、As和Cd的含量[16].目前有关施用污泥后重金属淋溶风险的研究中Pb、Cu、Cd、Zn、Cr受到较多关注,但由于污泥中重金属在土壤中的迁移与污泥中重金属的组成、土壤的性质以及施用污泥方式等因素相关,因此对施用污泥后重金属的迁移淋溶的研究结果不尽相同[17].黄丽荣等[18]研究发现,施用污泥量的增加使土壤有效态的重金属Zn、Cu、Cd、Pb的含量随之增加,但土壤中不同重金属含量增加的幅度不同.王新等[19]向草坪草施用污水处理厂污泥,研究结果表明,土壤中重金属的含量增加,土壤Cd、Pb、Cu、Zn质量分数分别在0.2~0.5、25~50、27~42、25~43mg/kg内波动变化,并且随着施入污泥量的增加,每种重金属含量都会有不同程度的提高.Sukreeyapongse等[20]通过对污泥施用的研究,发现污泥施用后会促进土壤中Cd、Cu和Pb的释放量,并且随着pH值的下降会提高重金属的释放速率,各重金属释放速率表现为CdPbCu.而傅华等[21]的研究表明,当污泥施用量控制在4.0~8.0t/hm2时,黑麦草地表层土壤(0~20cm)中Cu、Zn和Fe的含量升高,而其余重金属元素的含量与对照组无明显差异,并未对土壤造成污染.付新梅等[22]模拟土柱淋溶实验,结果表明,Cu元素在污泥施入后含量明显升高,特别是在pH4.5的酸性条件下,Cu元素会向下迁移,由此可见Cu对土壤及地下水的污染风险.Madrid等[23]则认为,重金属元素在污泥中比例很大,但由于土壤对重金属具有一定的固定能力,因此施用污泥对重金属迁移方面不会对环境产生严重危害.Fonseca等[24]研究了几种重金属在壤质砂土中不同的吸附能力,得出Cu≈ZnCdPbCr.由此可见,施用适量城市污泥后,短期内重金属淋溶的风险较小,长期使用或者在酸雨多发的地区应考虑重金属对生态环境的危害.2污泥土地利用后有机污染物的淋溶风险多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和有机氯农药(OCPs)是几种常见的持久性有机污染物[25].在城市污泥中,以上有机污染物均可以普遍检测到[26],其质量分数一般达到ng/kg甚至mg/kg(污泥干重)级别[27-28].Cai等[29]对中国9个城市11个污水处理厂取得的污泥进行研究分析,共检测到44种半挥发性有机组分,在这些有机污染物中PAHs是含量最多的有机污染物,PAHs干物质质量分数在1.4~7.9mg/kg.在污泥施入土壤后可能会引起土壤中残留有机污染物通过淋溶至地下水中,进而产生影响和危害.长期以来,人们普遍认为PAHs等这类有机污染物疏水性强、水溶性低,其活性与迁移能力十分微弱[30],但是,这类有机污染物的有机碳-水分配系数高,可被土壤有机质强烈吸附,特别是土壤和污泥中的溶18解性有机质能够通过吸附、分配、氢键、共价键、电荷转移、范德华力等多种方式与有机污染物结合,如结构复杂的富里酸(fulvicacid,FA)与胡敏酸(humicacid,HA),它们的疏水部分是与疏水性有机污染物结合的主要部位,进而导致有机污染物在环境中更大范围迁移和扩散[31].目前,许多学者探讨溶解性有机碳对有机污染物迁移转化等环境行为的影响,以及有机污染物在环境中最终归宿的问题[32-34].近来有研究表明,土壤中PAHs与溶解性有机碳有相似的淋出规律[35].Yu等[36]研究发现,腐殖酸溶液可显著提高PAHs的迁移性.韦婧等[37]通过室内土柱淋溶实验探讨溶解性富里酸对土壤中多环芳烃迁移的影响,结果表明,富里酸提取的溶解性有机质在土壤中具有较强的迁移能力,在溶解性有机质持续淋溶条件下,菲、芘以及苯并[a]芘在淋出液中的浓度明显提高,并有少量二苯并[a,h]蒽淋出,溶解性有机质可作为载体提高PAHs在土壤中的迁移性,进而增加PAHs这类有机污染物向深层土壤和地下水迁移的可能性.可见,在施用城市污泥后,土壤和污泥中所含的PAHs等持久性有机物会在可溶性有机物的作用下产生迁移,具有一定淋溶风险.Oleszczuk和Baran[38]通过研究发现施污泥后的植物中2~3环芳香烃含量明显增加,但其含量对于人体健康暂不能产生影响.赵毅等[39]采用RBCA(riskbasedcorrectiveaction)模型对有机氯农药污染场地进行了风险评估,结果表明,土壤表层有机污染物的浓度最大,随着土层加深,浓度逐渐减小,应重点考虑有机污染物迁移至地下水的风险.这一评价分析为城市剩余污泥的土地利用可行性提供重要参考.3污泥土地利用后养分的淋溶风险城市污泥中富含各种氮、磷等养分,土地利用后可对土壤理化性质加以改善.一般情况下,污泥土地利用后土壤中氮、磷等养分的含量会显著提高[40].城市污泥中含有大量可被植物吸收的速效氮、速效磷,有研究表明,土壤中速效氮、磷、钾等养分的含量会随污泥施用量的增加而提高,其效应可以持续较长的时间[41].此外,污泥中的有机氮、有机磷可在施入土壤后进行矿化,进而能够保持较长时间的肥效,对土壤培肥具有良好的作用[42].但是,污泥施用过量或长期施用时,土壤中氮、磷等养分会大量累积并存在流失风险,以及对地表水、地下水产生危