城市污泥的土地利用及其環境影響研究進展

劉學婭，趙亞洲，冷平生

（北京農學院/北京林果業生態環境功能提升協同創新中心，北京102206）

0 引言

城市污泥是污水處理廠在處理污水過程中產生的組成極其復雜的沉淀物，含有病原菌、寄生蟲卵及難降解的有機物、重金屬等有毒有害物質，若處理不當會引起環境二次污染。據《2014中國環境公報》，至2014年底，全國城市污水處理廠達1797座，累計處理污水382.7億m3，產生的污泥數量巨大。2014年國家環保部公告對污泥處理處置要穩定化、無害化和資源化，未達到標準的污泥嚴禁進入耕地，取締非法污泥堆放點，對現有污泥處理處置設施的達標改造于2017年完成，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2020年底前達到90%以上，因此，迫切需要加快對污泥安全處置的研究。目前城市污泥處置方法包括焚燒、填埋、土地利用等多種方式，各有利弊，其中城市污泥的土地利用是中國以及國際上污泥處置的主要途徑。如何發揮污泥改良土壤和提高肥效功能，同時通過污泥前處理技術與植物富集技術降低二次污染，探索城市污泥在綠地、林地、礦山、荒山、廢棄地等的應用，避免涉及作物食物鏈而危害人類健康，近年開展了廣泛的研究。筆者綜述了國內外城市污泥的主要處置方式、土地利用前處理方式，以及在污泥土地利用過程中的環境影響及植物對污染物質的修復功能，旨在為城市污泥的資源化安全利用尋求更加合理的途徑。

1 城市污泥處置方式

主要發達國家與中國污泥處置方式所占比例見表1[2-3]。從表中可以看出，填埋在污泥處置方法中仍占相當大的比重，低廉的處理成本和簡單的處理程序是這種方法仍被使用的原因。焚燒相較于填埋更先進環保，但要求較高的技術和成本，在日本焚燒是污泥主要處置方式，近年在中國一些大城市污泥焚燒受到重視和得到較快的發展。土地利用是大多數國家處理城市污泥的主要方法，占污泥處置量的一半左右。污泥的其他資源化利用主要指與黏土、頁巖、煤矸石、粉煤灰等混合，用于制作建材用磚和水泥等，其所占比例在中國為15%，其他國家極小。

表1 各國污泥處置方法所占比例 %

1.1 填埋與焚燒

填埋曾是城市污泥的主要處置方式，但隨著污泥產出量的劇增，適宜填埋的土地越來越有限，而且城市污泥中的有毒有害物質種類多，成分復雜，易污染土壤和地下水，且污泥含水量高，直接填埋操作困難，污泥填埋處置日漸減少。焚燒是十分有效的污泥減量化手段，是日本處置污泥的最主要方式，在中國占比僅3%，但近年在一些大城市焚燒占比快速增加。由于污泥中有機質及纖維素木質素的存在，熱值可達12～15 MJ/kg，可作燃料，用于發電等，在火力發電廠中，一般將污泥進行脫水處理后直接與煤炭進行摻燒，處理含水量為70%的濕污泥1 t需摻燒1.685 t燃煤，會產生0.21 kg CO、175.09 kg CO2、6198.01 g NOx、534.77 g SOx及107.07 g HCl[4]。焚燒充分利用了污泥中的能源，不需要作滅菌的處理，但焚燒產生的氣體易造成二次污染，且一般要進行脫水前處理，增加了處置費用。

1.2 土地利用

1.2.1 農業應用 城市污泥在農地上的應用有很長歷史，可顯著改良土壤，提高土壤肥力。中國城市污泥的氮、磷、鉀含量高，平均可達48.3 g/kg，與純豬糞和豬廄肥相比，全氮含量高31%和188%，全磷含量高59%和204%，鉀的含量相對較低，比純豬糞和豬廄肥分別低38%和62%[5]。城市污泥中有機質含量豐富，能改良土壤結構，在一定范圍內土壤結構系數、孔隙率、透水率和持水量均隨污泥施用量的增大而增大,土壤容重和表土抗剪力則隨之減小[6]。此外，污泥在增加土壤有機質和礦質養料同時，土壤中的微生物數量和活性也有顯著提高，從而提高土壤酶活性，促進土壤中的生物化學過程[7-8]。因此，將城市污泥應用于農作物的生產，可顯著提高產量和品質，如施用適量城市污泥或其堆肥后，油菜、中國甘藍、椰菜、棉花、冬小麥、水稻等的產量均有明顯增加[9-13]。在早期，將城市污泥直接應用在農地中是中國污泥的主要利用方式，但由于污泥中含有重金屬與多環芳烴(PAHs)等有機有害物質，施用于耕地時，會增加土壤中這些有害物質的含量，并進入作物中，危害人類健康，因此，國家環保部已明文禁止處理處置不達標的污泥進入耕地。但也有報道，適量施用污泥并不會顯著增加土壤中有害物含量，作物中重金屬等的含量能達到國家標準[14]，這可能與污泥的來源及前處理相關，一般市政污水污泥重金屬含量并不高，因此，對污泥的農用應有嚴格的監測和控制。

1.2.2 園林應用 將污泥用在農地上，存在有害物質進入作物食物鏈的風險，如果應用在園林綠化與生態恢復上，就能避免食物鏈污染風險，是極有前景的污泥土地利用途徑，相關的研究與應用在逐漸增加。研究表明，隨污泥或污泥堆肥施用量增加，黑麥草、紫羊茅、無芒雀麥、馬尼拉草和白三葉等的蓋度、密度和生物量均顯著增加，無芒雀麥總根量連續3年都增加[15-17]。施用5%～10%污泥堆肥后，草坪草葉片葉綠素含量均顯著增加，且隨著用量的增加而增加，這對提高草坪草的成坪性與觀賞價值極為有利[18]。因此，城市污泥在草坪草生產和草地方面的應用受到重視，包括家庭草坪、公園草坪、公共綠地、高爾夫球場及足球場等運動場草坪等，同時也可用于生產草坪基質，直接用于草坪草生產。將污泥堆肥施用于月季、美人蕉、旱荷花等觀賞性花卉植物時，花卉的花徑增大，花期延長，花量增加，顯著提升了觀賞價值，當污泥施用量不超過90 t/hm2時，不會造成環境污染[19]。

1.2.3 林地應用 人工林地很少像農耕地一樣施肥，如果立地條件差，樹木往往因營養缺乏而生長緩慢，若能利用城市污泥補充林地養分是一條變廢為寶的有效途徑。研究表明，施用城市污泥能顯著促進松樹、火炬松和生長，生物量增加，同時也促進了林中的灌木和草層植被的生長[20]。在雨季將城市污泥分別施用于平原林和丘陵林地的6年生毛白楊，平原林中毛白楊胸徑凈生長量和株高凈生長量分別比對照高5.3%～17.6%和1.7%～13.3%，丘陵林地中比對照高1.2%～5.8%和3.6%～32.1%，污泥施用量為75 kg/株時效果最佳[22]。將制革污泥施用柳樹林時，柳樹年輪較寬，心材顏色深，早材管胞的長度、弦向直徑、射線頻率和高度、壁的厚度均顯著高于對照[23]。在林地大量施用污泥有可能增加環境中有害物含量，但如果控制好污泥施用量，在多種林地如楊樹、泡桐、油松等施用污泥，重金屬均累積于土壤表層，未向下層轉移，未引起地下水污染[24]。

1.2.4 生態恢復 在礦山以及其他工程創面，如道路邊坡等，由于缺乏土壤或土壤貧瘠，立地條件差，在進行生態恢復時一般需要大量客土，有些項目直接挖取耕地土壤，對周邊土壤資源造成破壞。將污泥應用在生態恢復中，可部分解決客土來源不足問題。

在城市污泥恢復美國芝加哥富爾頓的煤礦廢棄地的試驗中，土壤耕性、透水性和CEC值得到改善，并為植物生長提供了充足的養分[25]。對山西省塔山煤礦煤矸石山生態修復實驗中也得到類似結論，將污泥、粉煤灰、煤矸石和土壤按比例混合，混合基質有效氮、磷、鉀含量均高于對照土壤，顯著促進了恢復植物檸條、紫穗槐和二色胡枝子的生長[26]。由于城市污泥中N和P含量豐富，在缺N和P的土壤恢復中效果更好，如利用城市污泥對科爾沁沙地土壤進行改良，顯著增加了退化沙地中的N、P含量[27]。城市污泥的施用不僅能增加礦山貧瘠土壤的養分進而促進植被恢復，并且污泥自身的粘性、持水性和保水性等能顯著改善礦山廢棄地的土壤的結構穩定性和持水保水能力，明顯減少水土流失。在對坡度為28°的灰巖采石場廢棄地上施用城市污泥，無論坡面上是否種植植被，在模擬降雨試驗(64 mm/h)中，均減少了坡面水土流失10%以上，在施用范圍為200～400 t/hm2時，降低程度與污泥的施用量成正比[28]。

2 城市污泥前處理

污水廠的新鮮污泥含水量高，成分復雜，一般在土地利用前有必要進行前處理，以降低污泥含水量和體積，便于運輸和施用，以及降低甚至除去病原菌、寄生蟲卵、有毒有害有機物、重金屬等。有研究表明，直接施用原始制革污泥，水稻的生長受到抑制，產量下降27%；脫毒后施用則促進水稻生長，產量增加16.95%，并且水稻苗期葉綠素含量增加17.3%，生物量也增加了17.96%[29]。

2.1 脫水處理

城市污泥含水率在97%左右，過高的含水量給污泥的運輸和后續處置帶來了極大不便，因此，城市污泥在土地利用前進行脫水是重要的一步。目前常用技術有超聲波脫水技術、微波脫水技術、絮凝脫水技術、電滲析脫水技術、熱水解脫水等，這些技術已經較為成熟，但成本相對較高。生物瀝浸法是一種快速調理深度脫水的新方法，近年得到廣泛重視。該方法是將污水處理廠濃縮液態污泥泵送到含有專用復合微生物菌群的生物瀝浸反應器中處理約2天，通過微生物替代效應、生物氧化與生物酸化作用使污泥中束縛水變成較易脫除的自由水，同時使污泥中重金屬溶出進入水相并殺滅污泥中病原物[30]。與其他脫水技術相比，生物瀝浸法具有不需要添加絮凝劑，脫水率、病原菌殺滅率與重金屬去除率高，有機質及氮磷等有益成分含量不被破壞，處理過程無臭味及一次投入長期使用等優點，是一種既高效環保又廉價易行的脫水方法。

2.2 無害化處理

2.2.1 污泥堆肥 污泥堆肥是污泥穩定化及無害化最常見的方法，堆肥時發生一系列的物理、化學、生物變化，能有效地殺滅病原體，降低有機污染物含量及鈍化重金屬等。在堆肥過程中，污泥中的重金屬絕對含量雖不會變化，但其生物活性較高的存在形態比例降低，如交換態和碳酸鹽結合態；而鐵錳氧化物結合態、有機物結合態等重金屬的穩定態比例升高，從而降低了污泥中重金屬的毒害作用，如表2所示。污泥堆肥時添加適當秸稈、粉煤灰、磷礦粉、沸石和草炭等，能調節城市污泥的含水率及C/N，增加空隙度，促進重金屬活性降低[31]。將污泥與木屑以鮮重2∶1混合，加入不超過1%生石灰進行堆肥，發現加入石灰顯著降低了銅、錳、鉛和鋅4種重金屬的可交換態含量和酸提取率，且當石灰的用量不超過1%時不會降低種子發芽率[32]。分析氯苯類、鄰苯二甲酸酯類和苯系物等毒性有機物在堆肥前后的含量發現，各種毒性有機物在堆肥后降解率均在60%以上，部分達到90%[33]。經過堆肥處理的污泥可直接土地應用，是目前污泥安全利用的主要方式。

表2 堆肥前后污泥中重金屬各形態比例變化 %

2.2.2 消化處理 消化處理包括厭氧消化和好氧消化2種方式。污泥厭氧消化過程是指污泥中的大分子有機物在厭氧微生物的作用下分解，在反應過程中殺滅病原菌。污泥厭氧消化在國內外應用廣泛，可達到減量化、穩定化和無害化的目的，但是厭氧消化對設備要求高，并且消化后的污泥含水率仍然較高；好氧消化是指不投加底物，直接對污泥進行長時間的曝氣，使污泥中微生物進行自身氧化，其優點是污泥消化程度高，體積減少明顯，運行管理簡單，但反應過程受溫度影響大，對病原菌的去除效果不如厭氧消化法，且費用高[34]。

2.2.3 藥劑穩定法 藥劑穩定法是指加入化學藥劑如堿性物質、硫化物或磷酸鹽等與污泥中的重金屬發生反應生成沉淀，從而使重金屬固定在污泥中[40]，從而達到無害化的目的。加入石灰等堿性物質，能調節污泥pH，使重金屬離子生成難溶的氫氧化物，此外，堿性物質能與污泥中的羥基、羧基等官能團發生反應生成碳酸根并進一步與重金屬結合生成碳酸鹽沉淀，同時也能夠增加污泥表面的可變電荷，減弱其對重金屬的專性吸附能力[35]。污泥中的一些微生物如硝酸鹽還原菌和酸化細菌等能將硫酸鹽還原為S2-，污泥中的重金屬與S2-結合成穩定的硫化物沉淀，從而達到鈍化重金屬的目的[36]。

2.2.4 熱噴處理 熱噴處理是是近年來發展起來的新的污泥處理方法，處理過程是將污泥置于壓力罐內，通入蒸汽，使之達到高溫高壓，短時間保持后瞬時全部放壓。熱噴處理具有諸多優點，例如有效除臭，處理時間短，無害化程度高，還可提高水溶性有機物和速效氮磷含量，使污泥的養分供應能力提高[37]。

3 城市污泥土地利用的環境污染

3.1 N和P過剩

純污泥氮磷含量平均值遠高于中國純豬糞的含量[5]。Esteller等[38]比較了施用污泥、污泥堆肥與化肥后氮磷在土壤中的淋溶性，隨著土壤中氮磷含量增加，其淋溶量迅速增加，而與其離子形態（銨態氮或硝態氮）關系不大。在城市污泥土地利用時，如果施用量過高，過多的N、P由于雨水淋洗與沖刷等進入地表水和地下水，會造成水體的污染和富營養化。對NO3--N淋溶污染地下水問題，世界各國都高度重視，中國政府1985年規定，飲用水中NO3-不得超過20 mg/L，美國規定NO3-低于10 mg/L；此外，含鹽量高的污泥會導致土壤的電導率的明顯增大，養分之間的平衡受到破壞，抑制植物對養分的吸收，甚至會直接對植物根系造成傷害，土壤有效養分如K+、NO3-、NH4+等也會由于離子之間的拮抗作用淋失加速[39]。

3.2 重金屬污染

楊軍等[40]調查了全國107個城市污水處理廠污泥中的重金屬含量（表3）。不同來源的污泥重金屬含量相差很大，一般生活污水污泥重金屬含量偏低，而造紙廠等工業污水含量偏高，總體上，污泥中Cd、Cu、Hg、Zn含量高，而As、Cr、Ni、Pb含量偏低。一般土壤重金屬含量隨污泥施用量的增加而增加，長期施用污泥會顯著增加土壤重金屬總量，其中，Cd、Pb和Cu遷移性相對較高，易從土壤中轉移到植物體內，從而進入食物鏈，帶來健康風險，Zn、Cu和Pb可能污染土壤或污染淺蓄水層[41]。上官宇先等[42]采用大型土柱自然淋溶方法，分析淋溶4年后不同土壤、不同深度重金屬含量與形態變化，表明重金屬主要保留在土壤表層，而30 cm以下土層含量與背景值相差不大，不同土壤中重金屬含量為砂土＜潮土＜黑土＜紅壤，土壤中重金屬保留少，通過淋溶流失到淺層水的重金屬就多。

表3 107個污水處理廠重金屬含量統計mg/kg

3.3 有機物污染

城市污泥中的有機污染物主要是多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)和、有機氯農藥(OCPs)、抗生素等，在環境中具有持久性、生物累積效應和放大效應，其中很多化合物屬于美國EPA的“優控污染物”，具有致癌性、致畸性和致突變性。對中國的11個城市的污泥進行多環芳烴測定分析，發現各城市污泥中PAHs的含量在 2.27～143.8 mg/kg 之間[43]。對 1942—1961年間連續施用污泥農田進行了PAHs長期追蹤檢測發現，到1984年，施用污泥后土壤中PAHs濃度增加了3倍多[44]，足見PAHs污染的持久性。有機污染物還會在植物體內積累從而進入食物鏈，例如，用廣州市大坦沙污水處理廠的污泥施肥栽種通菜，收獲的通菜植株中多種有機污染物含量比對照高10倍多[45]，無論作為飼料或直接食用都將危害人體健康。

4 植物對土壤的修復作用

國家已明令禁止未經過處理的污泥直接施用耕地上，經過前處理的污泥其有害物含量明顯降低，但長期、大量施用仍可能對土壤產生重金屬、有害有機物與生物污染，在植物生長過程中，植物根系和土壤中的微生物及有害物質相互作用，降解和富集有害物質，從而達到修復土壤的目的。

4.1 對重金屬的富集作用

植物對土壤中的重金屬具有螯合、轉移的功能，對重金屬超累積植物富集作用的研究已成為國內外環境科學與污染生態學的熱點。目前已報道了400多種超富集植物，如三葉草、東南景天、蕨類、蒲公英、菊芋等等，都對多種重金屬元素有很強的超富集作用[45-46]，在污染土壤種植超富集植物，將重金屬元素從土壤中轉移到植物體內，再進行收獲和集中處理，達到修復土壤的目的，近些年受到廣泛重視。已知超富集植物主要是草本植物，草本植物生物量低、根系淺、生長周期短，實際修復效率并不高，而木本植物生物量大、根系分布范圍廣，生長周期長，維護成本低，即使其富集系數相對較低，但其轉移土壤重金屬效果可能更好。對檜柏苗施用不同量污泥，隨著污泥施用量增加，土壤與植株內重金屬含量隨之增加，重金屬在土壤—檜柏系統中的遷移能力依次為Cd＞Zn＞Co＞Hg＞Cr＞Pb，在檜柏體內蓄積分配規律為幼根＞葉片＞老根、莖[47]。不同木本植物富集重金屬的能力差異很大[48]，但目前仍了解不多，今后應加強對木本植物在土壤修復方面的研究。

4.2 對有機廢棄物的降解作用

植物對土壤中有機污染物的作用主要是通過根際微環境實現的，根系分泌物和脫落物提高了微生物數量、種類和活性，并提供豐富的共代謝底物，促進根際環境中有機有害物的微生物降解。研究表明，植物根系附近污泥PAHs含量明顯低于非植物區，種植植物土壤與不種植植物土壤中芘的降解率分別為30%和4.3%，這與根系附近土壤微生物多樣性和活性明顯增強相關[[49]。苜蓿與降解菌株聯合修復的PAHs降解率在25.69%～45.61%之間，遠高于只接種菌劑和只種植植物的處理組[50]；在菲脅迫黑麥草的試驗中，約77.57%的菲被降解，其中非生物因子作用僅占土壤中菲總量的19.41%，微生物作用占44.08%[51]，表明植物與根際微生物的協同作用可促進有機污染物的降解。此外，植物根系能分泌的過氧化物酶和漆酶等能降解有機污染物，從而促進土壤中有機污染物降解，如6種植物對土壤中十溴聯苯醚(BDE-209)修復60天后，土壤中BDE-209含量下降顯著，最高達40.44%，其中狼尾草修復效果最好，且根際土壤去除率明顯高于非根際土壤[52]。

4.3 對土壤微生物的作用

在土壤施用污泥后，土壤微生物群落結構會發生很大變化，主要表現為外來的微生物顯著增多，如Sopper報道，施用污泥改良土壤，細菌數和真菌數分別增加4×106～6.3×107個/g和1.8×105～4×106個/g，分別比不施用污泥的土壤高5～10倍和3～4倍[53]。隨著植物的生長，在根系和土壤環境的作用下，土壤有益微生物會增多，而有害微生物會逐漸減少，其中植物根系分泌物發揮了重要作用，這些分泌物包括大量的糖、蛋白質、多種次生代謝物質等等，給微生物提供養料并形成植物根系-微生物-土壤共同體，形成不同植物特有的根際環境。在芒草根系分泌物對多環芳烴降解的研究中發現，添加根系分泌物能有效地促進細菌的生長[54]，從而促進對多環芳烴的降解。此外植物根系分泌物質在形成土壤結構、活化土壤養分及緩解環境脅迫等方面都具有重要作用。

總之，城市污泥土地利用重點在園林綠化、森林培育、生態恢復等領域，根據立地條件和環境質量要求，適當污泥前處理后進行土地利用，并控制污泥用量，既發揮污泥肥沃土壤的功能，又能避免通過食物鏈危害人類，并充分發揮植物對土壤污染的修復功能，實現污泥減量化、資源化、安全化利用。

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