活性污泥復混肥施用效果與風險評價研究

徐立軍， 王云龍， 賈生強， 喻曼*

(1.桐廬縣農業技術推廣中心，浙江 杭州 311500； 2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

根據《中國污泥處理處置深度調研與投資戰略規劃分析報告》顯示，2019年我國大約產生了6 300萬t的城市生活污泥[1]，目前處理方式以衛生填埋、焚燒與熱干化處理、新型建材利用等方式為主。生活污泥富含氮、磷、鉀和有機質等營養成分，施入土壤中，可以給植物生長提供養分；污泥中的有機物質可明顯改善土壤結構，達到提高土壤肥力，改良貧瘠土壤，修復受損土壤[2-4]；自20世紀60年代，歐美等發達國家已將污泥作為有機肥進行土地利用，我國也在積極開展相關研究，如直接施用于林地[5]，或將污泥開發成營養土等進行土地利用[6]，但用于復混肥開發的研究較少，已有研究結果表明，利用污泥的營養成分能促進植物的生長。另一方面，污泥成分復雜，含有毒、有害物質，比如重金屬、病原菌以及寄生蟲等[7],進入土壤后，重金屬易向水體、土壤及植物遷移擴散，這也是污泥土地利用的限制因子。因此，對污泥農用產品進行風險評估是其土地利用前的重要步驟。目前，地累積指數(Igeo)、潛在生態風險指數(ER)、風險指數(RI)及風險評估準則(RAC)等方法[8-13]是對污泥中重金屬的污染程度與生態風險評價的常用方法。因此，本研究以城市生活污泥發酵產物復配的復混肥為研究對象，通過盆栽實驗對其肥效與重金屬污染風險進行評價，為拓展活性污泥資源化利用途經提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自浙江省金華市金東區設施菜地，基本理化指標如下：pH 5.78、有機質含量18.41 g·kg-1、堿解氮含量158.42 mg·kg-1、有效磷含量355.05 mg·kg-1、速效鉀含量 478.5 mg·kg-1、重金屬鎘含量為0.66 mg·kg-1。活性污泥取自浙江省金華市義烏市污水處理廠，經腐熟發酵后，添加無機肥料，配制成活性污泥復混肥，配制后復混肥的基本性質如下：氮(N)含量為4.91%，磷(P2O5)含量為7.73%，鉀(K2O)含量為7.96%，有機質質量分數為30%；重金屬砷(As)含量6.4 mg·kg-1、鎘(Cd)含量6.6 mg·kg-1、鉛(Pb)含量31.2 mg·kg-1、鉻(Cr)24.4 含量mg·kg-1、汞(Hg)含量0.1 mg·kg-1。

1.2 處理設計

試驗地點為浙江省農業科學院桑園科研溫室，試驗時間為2022年1—4月，采用盆栽試驗方式，作物分別選擇草本類黑麥草和蔬菜類小青菜(冬秀)。根據氮投入量計算復混肥用量，試驗設置4個處理：1)CK不施加復混肥；2)T1 常規處理(折合純氮112.5 kg·hm-2)；3)T2 增氮25%處理(折合純氮140.625 kg·hm-2)；4)T3減氮25%處理(折合純氮84.375 kg·hm-2)；每個處理5個重復。

1.3 樣品采集與方法

黑麥草與冬秀在成熟后取地上部分，用去離子水洗凈后，擦拭干凈，統計地上部分生物量，計算產量；后放置105 ℃烘箱中進行殺青 30 min，然后將溫度降至75 ℃進行烘干，中間不斷稱重直至恒重，烘干后粉碎研磨備用。土壤樣品將整個盆栽土壤經過自然風干后研磨過篩備用。植物樣本測定分析全氮、全磷和全鉀指標以及重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛)；土壤樣品測定分析pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀以及重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛)與有效態鎘。

土壤樣品中有機質采取重鉻酸鉀-紫外分光光度法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定，全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定[14]，pH利用pH計測定(1∶2.5土液比)。土壤中重金屬總量采用微波消解-電感耦合等離子發射光譜法測定；植株樣品重金屬全量采用電感耦合高頻等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定。

1.4 環境影響評價方法

本次評價運用單因子污染指數法分析各處理污染物的積累水平，并利用內梅羅綜合污染指數法計算各處理的綜合污染程度(表1)，結合生物重金屬富集系數，對復混肥農用的污染風險進行綜合評價。

表1 土壤內梅羅綜合污染指數法評價分級標準

單因子污染指數法：

Pi=Ci÷Si。

(1)

其中：Pi:土壤污染物i的環境質量指數；Ci:污染物i的實測濃度，mg·kg-1；Si:污染物i的評價標準濃度，mg·kg-1。

內梅羅綜合污染指數法：

(2)

其中：P綜:土壤綜合污染指數；Pi:土壤中各污染物的污染指數平均值；max(Pi):土壤單項污染物最大污染指數。

蔬菜Cd富集系數(biological concentration factor，BCF)計算公式如下：

BCF=組織中Cd含量/土壤中Cd含量。

(3)

活性污泥復混肥用量的農田安全施用次數計算公式：

(4)

其中：a為安全施用次數；x為土壤中重金屬的標準限量，單位為mg·kg-1；b為土壤中重金屬的本底值，單位為mg·kg-1；w為每季活性污泥復混肥施用量，單位為kg；n為活性污泥復混肥中重金屬的含量，單位為mg·kg-1。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2016和 SPSS 22.0 軟件對本文數據進行處理，采用Microsoft Excel 2016處理數據和繪制圖像，運用 SPSS 22.0 統計分析軟件進行相關性和顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 復混肥肥效分析

試驗結果表明(表2)，與對照相比，施用活性污泥復混肥可以顯著增加黑麥草的株高，且株高隨施用量的增加而增加，但是對其產量無顯著影響。施用活性污泥復混肥可以顯著提高小青菜的產量，不同施用量之間差異不顯著，對其株高也無顯著影響。

表2 不同處理株高和產量結果

2.2 復混肥施用環境風險評價

復混肥施用后各處理土壤中的重金屬元素含量見表3。由土壤理化數值可知樣品土壤pH在5.5～6.5，各處理土壤重金屬含量遠低于農用地土壤污染風險篩選值。

表3 復混肥農用后土壤中的重金屬元素含量

以GB 15618—2018標準中5.5

表4 復混肥施用后土壤中重金屬單因子污染指數(Pi)評價結果

復混肥施用后土壤所致的內梅羅綜合污染指數見表5。黑麥草和小青菜中常規施肥和增施處理的綜合污染指數均高于對照，且隨用量增加而上升，表明復混肥施用存在一定的污染風險，需對其用量進行限定。

表5 復混肥農用后土壤中內梅羅綜合污染指數(P綜)評價結果

基于對作物的生產安全風險評估，進一步計算復混肥施用后不同作物重金屬的生物富集系數，結果如表6所示。黑麥草中生物富集系數>0.5的重金屬元素有Cr、Cu、Cd，生物富集系數>1的重金屬元素有Zn。小青菜中生物富集系數>0.5的重金屬元素有Cd，生物富集系數>1的重金屬元素有Zn。

表6 復混肥施用后作物重金屬生物富集系數變化

2.3 污泥復混肥農田最大限量推算

結合食品安全國家標準食品中污染物的限量要求(GB 2762—2012)，蔬菜類Cr≤0.50 mg·kg-1，As≤0.50 mg·kg-1，Cd≤0.20 mg·kg-1，Pb≤0.50 mg·kg-1，及作物的重金屬富集系數，本次選用土壤中的Cd作為污泥復混肥農用限制因子推算其最大限量。按每季常規施肥最大施用量225 kg·hm-2純氮投入量計算，則每季需施用污泥復混肥4 500 kg·hm-2。表7為污染物每季按施入量及其在土壤中的增量。

表7 污泥復混肥每季輸入量及其在土壤中的增量

污泥復混肥限量參照土壤環境質量標準(GB 15618—2018)中的Cd限量來推算。該標準是保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值，主要適用于農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等。三級標準是保障林業生產和植物正常生長的土壤限制值，當土壤pH≤7.5時，土壤Cd的風險篩選值為0.3 mg·kg-1，當土壤pH>7.5時，土壤Cd的風險篩選值為0.6 mg·kg-1。

綜合表7和土壤風險篩選值，計算出不同pH土壤和不同施用量下的活性污泥復混肥的可施用次數(表8)。

表8 基于土壤環境質量標準(GB 15618—2018)Cd限量的不同pH土壤復混肥施用次數

從以上結果可以看出，鎘元素是活性污泥復混肥的限制因子，在酸性土壤中，按每年施用一次活性污泥復混肥計算，平均施用次數為11次，即施用年限為11 a左右，鹽堿地條件可適當放寬。

3 小結

活性污泥復混肥可以提高農作物的農藝性狀和產量，減少化肥投入量，但是復混肥施用仍存在一定的污染風險，施用時需對其用量進行限定，以土壤Cd 含量為0.15 mg·kg-1為例，每次復混肥施用量為1 500 kg·hm-2，其施用次數僅為11次。