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    城鎮排水污泥制生物碳土在農林業中的應用研究進展

    時間:2021年08月11日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

    摘要:為進一步促進城鎮排水污泥的資源化利用,本文對近年來國內外污泥制生物碳土在農林業領域應用的相關文獻進行了整理,指出了污泥制生物碳土的生產方式和特點,系統地總結了施用污泥制生物碳土后對土壤理化性質和土壤中微生物及酶活性的影響,分析了農作

      摘要:為進一步促進城鎮排水污泥的資源化利用,本文對近年來國內外污泥制生物碳土在農林業領域應用的相關文獻進行了整理,指出了污泥制生物碳土的生產方式和特點,系統地總結了施用污泥制生物碳土后對土壤理化性質和土壤中微生物及酶活性的影響,分析了農作物、草坪草、花卉及樹木4類植物使用生物碳土后的生長效果。在此基礎上提出了在農林生產中利用污泥制生物碳土現階段仍需要解決的問題以及未來的發展方向。

      關鍵詞:城鎮排水污泥;生物碳土;農林業生產;應用效果

    城鎮污水

      城鎮排水污泥為城鎮污水處理廠在處理污水過程中產生的固態、半固態廢棄物,其中包含大量的病原菌、寄生蟲卵、重金屬等有毒有害物質,組成成分極其復雜,是污水中各種有毒有害物質的集合體,具有體積大、含水量高等特點[1]。隨著我國經濟的發展及城鎮化進程的加快,城市工業污水和生活污水的排放量日益增多,隨之產生的污泥量也在不斷增加。

      據統計,截至2020年6月,我國城市年產生污泥量共計5000多萬t(以含水率80%計,不含工業污泥),預計到2022年將突破8909萬t[2]。城鎮污水處理率在2017年達到95%,但調查結果顯示,污水處理廠產生的污泥中有70%均未得到妥善處理,“重水輕泥”現象較為突出,且污泥處置成本居高不下,約占污水處理廠總投資的30%~50%。

      由此可見,污泥的處理已經成為當前城鎮污水處理廠面臨的嚴峻問題,如若處理不當,勢必會造成對環境的二次污染[3]。目前國內外對污泥的處理方法主要為干化、脫水、填埋、焚燒、濃縮等方式相結合,發展最成熟的是污泥填埋、焚燒、堆肥等。污泥填埋是將處理污水產生的污泥進行統一回收,滅菌后集中運輸到偏遠低洼區域進行填埋處理,此種方式成本低、效果好,但占據空間大,影響城市土地規劃,且隨著時間的推移,易造成有害物質的下滲,污染土壤和地下水資源[4]。

      污泥焚燒是在高溫下燃燒污泥,除去其中的水分、有機物與病原菌,能夠最大限度減小污泥的體積[5],但污泥焚燒會產生大量灰分物質,不利于生態環保且處理費用偏高,難以實現大面積推廣[6]。城市污泥中含有較為豐富的有機質及氮、磷、鉀等營養元素,與普通土壤相比,可以更好地促進樹木的生長,采用無害化污泥處理工藝將其進行堆肥,能夠有效控制其中的病原體含量,且加工成本低,實用性強,在土地利用方面具有廣闊的應用前景[7]。

      結合我國國情,立足經濟性與實用性角度,對污泥進行堆肥處理,變廢為寶,進行土地的資源化利用將成為污泥處理的主要發展方向,而污泥制生物碳土就是城鎮排水污泥為了實現資源化利用而加工產出的產品形式[8]。本文通過文獻分析法從生產及特點、對土壤及植物的影響幾個方面對污泥制生物碳土的應用進行了系統的總結,指出當前存在的問題并進行展望,旨在為污泥制生物碳土的合理利用的相關研究提供科學依據。

      1城鎮排水污泥制生物碳土的生產及特點

      1.1城鎮排水污泥制生物碳土的生產

      污泥制生物碳土是指人工參與控制,使城市排水污泥中不穩定的有機質在微生物的發酵作用下,逐步降解和轉化為腐殖質,此過程可有效殺死污泥中的病原菌與寄生蟲卵,降低揮發性物質含量,同時在一定程度上消除惡臭。其生產工藝需滿足污泥處理的無害化、減量化和資源化工作目標[9]。

      目前,將污泥進行堆肥是獲取污泥制生物碳土的主要途徑,國內外對污泥堆肥技術的研究已經較為成熟。污泥堆肥根據不同的微生物生長環境,可以將堆肥過程分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。相較于厭氧堆肥,好氧堆肥周期較短,有機物分解速度更快,降解程度更為徹底,且在加工過程中不會產生惡臭,因此現代化的堆肥工藝一般均采用好氧堆肥方式[10]。

      1.2城鎮排水污泥制生物碳土的特點

      污泥制生物碳土具有質地疏松、容重較小、養分含量高等特點,能夠促進植物的生長,還可以改善土壤的物理、化學性質,是良好的土壤改良劑[11]。以北京市排水集團高碑店再生水廠為例,其生產的經堆肥工藝制得的污泥制生物碳土,結構松散,顆粒細小均勻,呈黑褐色,經檢驗其總養分[全氮(N)+全磷(P2O5)+全鉀(K2O)]、有機質、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、砷(As)、蛔蟲卵、大腸桿菌等指標含量均符合現行資源化利用的標準要求[12]。將城市排水污泥進行加工處理后制成生物碳土施用,旨在避免城市污泥對環境的二次污染,實現污泥的資源化利用,同時也能為農林業等以土地資源為主要生產要素的領域,提供充足的土壤改良劑,緩解肥料短缺現狀,實現可持續發展[11]。

      2城市排水污泥制生物碳土在農林業生產中應用效果

      2.1施用污泥制生物碳土對土壤的影響

      2.1.1對土壤物理性質的影響

      土壤水為植物生長提供必要的水分供給,是影響植物生長的重要因素,也是土壤的重要組成部分和重要性質之一[13]。污泥顆粒細小,具有較低的滲透率,EI-Nahhal等[14]、Verlicchi等[15]將污泥施入土壤后,該土壤較一般的土壤具有更高的持水量和含水量;Chen等[16]通過試驗得出,施用污泥堆肥能夠促進土壤團聚體的形成,進而提高土壤團聚體的穩定性和保水保肥能力;Epstein等[17]研究發現,將污泥堆肥施入土壤后,土壤的保水儲水能力有明顯提高,能夠有效緩解干旱期對植物的水分脅迫影響。土壤容重和孔隙度均是衡量土體結構的重要參數。

      土壤容重越小,則表示土質越疏松,結構性良好;土壤孔隙度與土壤透水、透氣性、導熱性密切相關[18]。Mondal等[19]研究表明,施用污泥能夠顯著降低0~15cm土層的土壤容重,當施用量為15t·hm-2時,土壤容重較對照降低了14%;Tejada等[20]試驗發現,污泥堆肥的施用增加了土壤孔隙度,有效降低了土壤地表板結;張增強等[21]、Mays等[22]均開展過污泥堆肥的施用試驗,結果顯示隨著污泥堆肥施用量的增加,土壤容重逐漸降低,而孔隙度逐漸增加。

      2.1.2對土壤化學性質的影響

      土壤電導率能夠反映土壤水溶性鹽含量,是判斷植物生長是否受土壤中鹽離子脅迫的重要指標。前人研究指出,當土壤電導率超過3000μS·cm-1時,可能會對植物的生長產生抑制作用[23]。楊桐桐等[24]通過盆栽試驗研究了城市污泥堆肥產品的施用效果,結果表明隨著污泥堆肥施用比例的提高,土壤電導率也隨著顯著提高,當施用比例達到50%時,土壤電導率值升至2314μS·cm-1,但隨著試驗時間的延長,土壤電導率升高至峰值后開始迅速下降,施用污泥給土壤帶來的鹽度風險逐漸減弱,因此在污泥施用過程中需要密切專注土壤電導率值的變化情況。

      pH是重要的土壤化學性質指標之一,能夠直接反映出土壤的酸堿度情況,過高或過低均會抑制植物的生長。王曉輝等[25]通過大田玉米試驗,將堆肥污泥以不同的添加比例施用于pH本底值為8.75的中度鹽堿化土壤中,結果表明隨著堆肥污泥施用量的增加,土壤pH顯著降低,當污泥堆肥施入比例在40%~60%時,土壤pH在7.15~7.38,屬于玉米生長的最適pH范圍內,與唐銀健等[26]在改良堿性灘涂土時施用堆肥污泥所取得的結果相似。生物碳土富含N、P、K等營養元素,能為土壤帶來充分的養分補給,提高土壤的營養物質含量。

      徐瑾等[27]研究發現,將脫水污泥施用于沙化土壤之后,土壤中的有機質、氮、磷含量也逐漸增加;辛濤等[28]通過盆栽試驗發現,施用污泥堆肥能夠顯著提升土壤的有機質、全氮、全磷含量,當污泥堆肥施用量為30,60,90和120t·hm-2時,土壤中有機質、全氮、全磷含量較未施污泥對照組的增幅分別達到32.5%~52.1%、32.0%~95.3%、75.4%~236.3%,各養分含量均有極顯著提升。

      土壤中重金屬元素的過度積累易造成環境污染,而城鎮排水污泥中的重金屬含量是其土地利用的限制因素,這一問題在國內外也備受關注。司莉青等[29]通過盆栽試驗發現,污泥的短期施用基本不會造成土壤的重金屬污染,但若施用周期長則需慎重考慮施用污泥后重金屬帶來的環境風險;Cogger等[30]在土壤中連續7年施用城市污泥,結果表明在土壤縱剖面上,重金屬基本均集中在表層土壤,遷移速度較慢;此外還有Williams等[31]研究表明,如果將污泥林地施用量控制在4.5kg·m-2范圍以內,污泥中含有的重金屬元素就基本不會對植物、土壤以及地下水產生不良影響。

      2.1.3對土壤中微生物及酶活性的影響

      土壤中微生物與酶參與土壤中各種生物化學過程,其活性能夠反映土壤生態狀況下生物化學過程的相對強度,是評價土壤肥力的重要指標之一。胡自航等[32]采用隨機區組試驗設計,研究了城市污泥在人工林地施用2年后土壤微生物活性的變化,結果表明施用污泥堆肥2年后,土壤酶和微生物碳氮隨污泥施用量的增加無明顯變化趨勢,但經污泥施用處理的樣地的土壤酶指數和土壤呼吸強度均比未施污泥對照樣地高,表明了污泥堆肥的施用能夠提高土壤微生物酶活性。

      楊長明等[33]通過盆栽試驗展開添加污泥對巢湖流域廢棄礦區土壤微生物特性的影響試驗,結果表明在整個試驗階段,添加不同方式處理污泥后土壤中的脫氫酶、轉化酶、脲酶、磷酸酶活性始終顯著高于對照組。還有學者連續3年進行施用消化污泥的土柱試驗得出,污泥的施用增加了苗圃土壤微生物的生物量和代謝活性,與無添加污泥的對照組相比,微生物生物量碳增加了207%,脲酶和堿性磷酸酶活性分別增加了118%和102%[34]。

      2.2施用污泥制生物碳土對植物生長的影響

      2.2.1對農作物生長的影響

      污泥制生物碳土是對資源合理利用的產物,它不僅可以作為良好的土壤改良劑,還可作為一種緩釋肥,為作物的生長發育提供養分,改良作物的生長狀態,促進作物產量的提高。王新等[35]應用城市污泥進行試驗研究,結果表明當污泥施用量為2.25和4.50kg·m-2時,水稻的各項生長指標均明顯好于對照組,說明適量施用污泥能夠促進水稻的生長發育,但超過這個施用量,則會使作物的生物產量降低;李文忠等[36]研究了污泥堆肥對夏玉米的影響,發現施用污泥堆肥能夠提高夏玉米的產量,相較于空白對照組,夏玉米的產量增加率為5.4%~18.3%,且夏玉米籽粒尚清潔,重金屬含量雖略有增加但均低于安全限值。

      除了對作物種植影響的研究以外,污泥制生物碳土還常被用于蔬菜的生長過程中。史弋等[37]開展室內盆栽試驗,結果表明當污泥添加量為3%~10%時,能夠明顯促進白菜的發芽,且白菜植株的株高、根長均明顯高于對照組,表明污泥的施用為沙質土壤帶來了養分,有利于白菜植株積累有機質;邵蕾等[38]以油菜為試驗材料,通過盆栽試驗研究不同量污泥有機肥的施用效果,結果顯示污泥有機肥對油菜增產效果顯著,當施用量超過200g·盆-1時增產效果不明顯;王社平等[39]將研究不同量城市污泥堆肥的施用對青椒生長的影響,結果指出適量污泥堆肥的施用能夠增加青椒的植株總干重并提高青椒的果實產量。這些研究均表明,一定量污泥制生物碳土的施用,可以促進蔬菜的生長,提升蔬菜的產量。

      2.2.2對草坪草生長的影響

      施用污泥制生物碳土能夠促進草坪草的生長,改善草坪質量。田波[40]探究了污泥堆肥在草坪綠地上的施用效果,結果表明污泥堆肥的施用能夠提高草坪草地下生物量,促進草坪的生長;崔麗芳[41]采用污泥提取液參與狗牙根、臺灣青、黑麥草、高羊茅、馬尼拉5種草坪草的生長進程后發現,污泥提取液對5種草坪草的株高、生長速度、生物量和葉綠素等方面均具有明顯的促進作用;于安東[42]采用裂區設計展開試驗,結果顯示施用污泥可以在一定程度上減弱干旱對植物光合作用的有害影響,緩解植物葉片凈光合速率的下降速度,從而提高黑麥草的耐旱能力。由此可見,施用污泥制生物碳土可以顯著促進林木的生長,且與農用相比,生物碳土林用有著不可替代的優勢,能夠在為林木提供生長養分的情況下,避開人類食物鏈,更好地實現污泥資源化利用的目標。

      3結語

      現階段,雖然我國已有許多針對污泥制生物碳土的研究,但相較于國外來說,各方面尚處于起步階段。傳統將污泥直接進行堆肥的處理工藝,制得的污泥產品仍存在含水量高,異味重等問題,近年來隨著高級厭氧消化技術的興起,為上述問題的解決提供了出路,即采用高溫熱水解預處理,顯著提升污泥的脫水性能,產出的污泥產品能夠更好地實現污泥資源化利用的目標,且現已在美國華盛頓特區水務項目中進行了應用,并取得了良好的收益。但目前國內對于高級厭氧消化新技術制成的污泥產品在農林業的應用研究鮮有報道,需要進一步研究和探討。

      在污泥資源化利用過程中,還需關注污泥中重金屬元素的存在、部分污泥堆肥電導率高以及污泥中的硝酸鹽問題,其中重金屬元素作為污泥土地利用的最主要限制因素,對土壤環境與植物的生長具有隱蔽性及滯后性影響,難以消除且其對植物的影響會隨著污泥中該元素的增加而增加,因此,需要將重金屬元素作為污泥中有機污染物的主要代表,進行客觀看待,同時也需要對施入污泥后的土壤與植株進行持續監測并定期作好環境風險評價[60-61]?偠灾,將污泥進行加工處理應用于農林業生產,是促進污泥廢棄物進入綠地、變廢為寶的有效消納途徑,污泥堆肥作為一種極具潛力的資源,需要科學利用,充分發揮其作用,為祖國綠水青山的構建助力。

      參考文獻:

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      作者:馬富亮1,孫昱2,彭祚登2,熊建軍1,姚海1,崔超1,唐膠2

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