淺論污泥土地利用的重金屬風險及其削減途徑

1、淺論污泥土地利用的重金屬風險及其削減途徑        文章標題：淺論污泥土地利用的重金屬風險及其削減途徑摘要：由于經(jīng)濟和城市化水平的不斷提高及人口的增長，我國污水處理廠也迅速增加，這導(dǎo)致了大量污泥的產(chǎn)生。重金屬超標是限制我國大部分污泥進行農(nóng)業(yè)利用的主要因素。本文總結(jié)了污泥中重金屬的危害及其削減途徑，提出可以通過堆肥、堿性穩(wěn)定、生物淋濾，完善污泥土地利用的法律法規(guī)等措施來降低污泥中重金屬的含量或活性，減少其對人類、動物和周圍環(huán)境的風險。關(guān)鍵詞：污泥；重金屬；環(huán)境風險；削減措施中圖分類號：X703文獻標識碼：A作者簡

2、介：楊志海（1977-），男，河北唐山人，講師，固體廢棄物綜合利用技術(shù)；孫玉煥（1976-），女，山東德州人，副教授，研究方向：污泥土地處置的風險評價及其資源化?；痦椖浚呵鄭u科技大學科研啟動基金（0022177）資助1引言污泥又名污水污泥，是指污水處理廠在凈化污水過程中的副產(chǎn)物，是由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。由于經(jīng)濟和城市化水平的不斷提高及人口的增長，我國污水處理廠迅速增加，相應(yīng)的污泥產(chǎn)生量也急劇增加。隨著垃圾（包括污泥）填埋場地的越來越少以及對資源循環(huán)利用的需求，污泥的土地利用已成為污泥處置的發(fā)展方向。污泥含有多種重金屬、有機污染物和病原物，這些環(huán)境危險

3、物質(zhì)隨污泥進入土壤，對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康帶來風險，甚至構(gòu)成威脅。其中，污水污泥中重金屬的含量一直都是人們所關(guān)心的環(huán)境問題，擔心城市污泥中會含有大量重金屬，因此把重金屬問題看作是限制其農(nóng)用的主要障礙。本文就污泥土地利用過程中污泥中重金屬含量及其對土壤質(zhì)量、植物等的潛在影響，以及削減這種環(huán)境風險的措施作一綜述，為污泥的安全處置及土地利用過程中的生態(tài)環(huán)境保護提供科學信息和管理經(jīng)驗。2污泥中重金屬的含量污泥是污水處理的副產(chǎn)物，污水中的污染物在污水處理過程中部分會轉(zhuǎn)移到污泥中。重金屬是污泥中最主要的污染物之一。重金屬由于具有難遷移、易富集、危害大等特點一直是限制污泥農(nóng)業(yè)利用的最主要因素。陳同斌等1對

4、國內(nèi)（19942001）報道的城市污泥重金屬的資料進行統(tǒng)計分析表明，我國城市污泥的Ni、Pb、Cr、Cu、Zn含量變化幅度很大，極差最高達幾千mgkg-1。從統(tǒng)計結(jié)果和根據(jù)污泥農(nóng)用標準進行分析來看，其中Cu和Zn是我國污泥中含量最高的元素，也是限制其土地利用的主要因素之一。李季和吳為中2對我國44個城市污水污泥重金屬含量進行了統(tǒng)計分析，Cu和Zn的含量低于陳同斌等1的對我國部分污水處理廠污泥統(tǒng)計結(jié)果，而對于毒性較大的Hg和As，含量則較高。從總量的角度研究重金屬是比較傳統(tǒng)的研究方法，但只憑一個總量無法說明重金屬的活性和生物有效性。因此，在對污泥中重金屬進行研究時，不僅要考慮全量，還要對其分布形

5、態(tài)進行研究。3污泥土地利用的重金屬風險3.1增加土壤中重金屬含量施用含有重金屬的污泥后，土壤和土壤溶液中各形態(tài)的重金屬含量均有所增加，但以表層增加最多。由于重金屬具有難遷移難轉(zhuǎn)化的特點，因此污泥施用后可以長時間保留在土壤中。長期施用污泥的土壤停止施用污泥后，重金屬在各形態(tài)中的分布沒有明顯變化，表明重金屬對植物、動物和微生物的毒害作用仍然存在。既然污泥施用后，重金屬會殘留在土壤中，隨著污泥施用時間的不斷延長，重金屬就會在土壤中不斷累積。土壤中重金屬含量的增加對人類、動物、植物和土壤生態(tài)系統(tǒng)都存在著潛在的危害，污泥土地利用時，應(yīng)綜合考慮施用量、施用地點和施用時間等方面的選擇。3.2對植物的毒害作用

6、一般而言，隨著污泥施用量的增加，作物體內(nèi)重金屬的含量增加。國外專家研究發(fā)現(xiàn)，與化肥相比，長期施用污泥土壤的小麥籽粒Cu、Zn含量明顯增加。污泥浸提液中的重金屬對植物幼苗也有一定的毒害作用，在各種污泥浸提液中，中國大白菜種子發(fā)芽率保持較高的水平，隨著污泥浸提液濃度的降低，種子發(fā)芽率升高。植物對重金屬的吸收受到土壤條件、重金屬形態(tài)、植物類型等多種因素的影響，不能只從土壤重金屬的總量角度來研究。重金屬植物有效性是一個涉及物理、化學、生物學等許多因素的交叉研究課題。污泥中重金屬的活性既不同于土壤中原有的重金屬，又不同于以無機鹽形式加入的重金屬，其在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化和植物有效性更帶有本身的復(fù)雜性，需要更

7、深入細致的研究。3.3對人和動物的毒害重金屬對人類健康的危害主要通過以下幾種途徑：（1）人直接暴露在重金屬污染的環(huán)境中。施入污泥后，土壤中重金屬含量提高，人類暴露于污染環(huán)境的機會增加。尤其是當污泥用于園林綠地時，這種直接危害更大。（2）重金屬通過食物鏈進入人體。生        長在重金屬污染土壤上的作物，體內(nèi)重金屬含量也較高，如果攝入了這種受污染的食物，就會危害人類健康。同樣，通過食用受污染的動物，也增加了重金屬對人類的毒害作用。（3）飲用含重金屬較高的水，也可能引起重金屬在體內(nèi)的積累。（4）如果大氣中懸浮顆粒物

8、或氣溶膠中含有重金屬，也可能通過呼吸道進入人和動物體內(nèi)，產(chǎn)生毒害作用。動物通過食用受污染的牧草或在放牧過程中直接將受污染土壤攝入體內(nèi)，增加了重金屬對動物產(chǎn)生毒害的可能性。專家對Cd在羊可食部分的積累進行研究時發(fā)現(xiàn)，放牧結(jié)束時，施污泥草地上的羊肌肉內(nèi)Cd含量與放牧前相比沒有明顯變化，但羊腎內(nèi)Cd含量明顯增加，此外，污泥表施處理中羊肝臟內(nèi)Cd含量顯著提高。動物體內(nèi)重金屬濃度的增加，一方面會危害動物的健康，影響其健康生長；另一方面，增加了通過食物鏈方式對人類健康危害的可能性。3.4對土壤微生物的影響土壤微生物是土壤肥力的一個重要指標，它與植物所需養(yǎng)分的生物化學循環(huán)和有機碳的轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。當?shù)厍蚧瘜W指

9、標不能對污染物影響土壤生態(tài)系統(tǒng)做出有效評價時，微生物學指標可以預(yù)示潛在性有毒物質(zhì)對土壤肥力的影響。施用污泥，一方面增加了土壤有機質(zhì)、全氮等養(yǎng)分的含量，提高了土壤肥力，有利于土壤微生物活性的增加。另一方面，由于污泥中含有重金屬等污染物質(zhì)，隨污泥帶入土壤的污染物質(zhì)也會對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用。施用重金屬污染的污泥后，土壤的微生物生物量、呼吸速率會發(fā)生顯著變化。施用污泥會使土壤微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。雖然關(guān)于污泥施用對土壤中微生物種類和微生物活性的影響進行了廣泛的研究，但是在污泥農(nóng)用對土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)風險評價中還缺乏有效的生物學指標。3.5對土壤酶的影響土壤酶對環(huán)境管理因素引起的變化較為敏感，且具

10、有良好的時效性特點。土壤酶活性在一定程度上還可以反映出環(huán)境狀況，某些污染物的存在能抑制土壤酶活性，如脲酶和脫氫酶活性對某些重金屬的反應(yīng)很敏感。劉云國等3研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶活性隨土壤Cd濃度的增加而降低，脲酶活性與土壤Cd濃度顯著負相關(guān)。譚啟玲等4的研究結(jié)果表明，污泥的施用能增加潮土中脲酶的活性，多酚氧化酶及中性磷酸酶的活性與污泥的施用量有一定相關(guān)性，并與土壤中交換態(tài)Zn、Cu含量呈一定負相關(guān)。微生物活性與污泥性質(zhì)、施用量有關(guān)。當施用低量外加重金屬和不加重金屬的污泥時（100m3ha-1），二者脫氫酶活性均升高，而當污泥施用量較高時（300m3ha-1），外加重金屬污泥的脫氫酶活性降低。雖然土壤

11、酶對土壤污染程度非常敏感，但僅僅以土壤酶來進行評價還遠遠不夠，研究表明，酶活性與微生物量的比率是評價環(huán)境脅迫的敏感指標。雖然有關(guān)重金屬對土壤酶的研究較多，但在重金屬的環(huán)境風險評價中還沒有被廣泛應(yīng)用。3.6對土壤動物的影響有關(guān)重金屬對土壤動物的研究以重金屬對蚯蚓的效應(yīng)居多。研究結(jié)果表明，與對照處理相比，施用污泥后，蚯蚓體內(nèi)Cu和Zn的含量增加。蚯蚓體內(nèi)重金屬含量的增加會明顯降低其繁殖能力，生命周期延長。對生活在重金屬污染的河流沖積平原土壤中蚯蚓的研究結(jié)果表明，蚯蚓體內(nèi)重金屬含量高于未污染的對照區(qū)域。由于土壤中的重金屬很難被蚯蚓吸收利用，在評價重金屬對蚯蚓的毒害作用時，不應(yīng)只考慮土壤中重金屬的全量

12、，還應(yīng)當考慮土壤溶液中和植物體內(nèi)重金屬的含量。目前，雖然對污泥施用的重金屬效應(yīng)進行了較為廣泛的研究，但對土壤動物的研究還相當缺乏，應(yīng)加強這方面的科學研究。4削減污泥中重金屬危害的途徑4.1堆肥堆肥是一種把有機廢物分解轉(zhuǎn)化成類腐殖質(zhì)的過程，該過程是在不同微生物的參與下完成的，是一種經(jīng)濟、有效的污泥處理方法。污泥經(jīng)過堆肥處理，其重金屬形態(tài)有較大的變化。一般是水浸提態(tài)重金屬的量減小，交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)重金屬的量有所增加，而殘渣態(tài)的量不同的重金屬變化不盡相同，但其比不同浸提劑所提取的總量大的多5,6。在堆肥過程中加入鈍化劑，如泥炭、粉煤灰和磷礦粉可以有效降低堆肥中有效性重金屬含量，是一種簡單可行的污泥

13、穩(wěn)定處理技術(shù)7。雖然堆肥可以改變污泥中重金屬的形態(tài)，降低其活性，但是污泥堆肥廠一次性投資和占地面積大、堆肥周期較長，研制低投入、高效率的污泥堆肥工藝是堆肥技術(shù)研究及推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。4.2堿性穩(wěn)定堿性穩(wěn)定是指將堿性材料加到處理的污泥中，通過提高污泥的pH值，達到無害化，實現(xiàn)污泥資源化的目的。在堿性穩(wěn)定過程中，由于添加了大量堿性物料，污泥pH值升高，重金屬形態(tài)發(fā)生改變，從而降低了其生物有效性。此外，在酸性土壤中施用堿性穩(wěn)定污泥和N-ViroSoil（一種堿性污泥產(chǎn)品）可以降低土壤中可溶態(tài)和可交換態(tài)的鋁的含量，從而降低了鋁對植物產(chǎn)生毒害的可能性。因此有關(guān)施用堿性污泥的重金屬環(huán)境風險，有待于進一步深入

14、研究，特別是當堿性污泥施用到酸性土壤后重金屬的形態(tài)和活性應(yīng)引起關(guān)注。4.3生物浸瀝生物浸瀝是一種較新的能夠經(jīng)濟有效去除污泥中重金屬的方法。生物浸瀝過程中起作用的是硫桿菌屬（Thiobacillus）類細菌。周立祥等8采用自制的活性較高的硫桿菌菌液對供試厭氧消化污泥中重金屬進行生物淋濾，結(jié)果表明，通過8天時間，污泥中Cu和Zn的去除率分別達93和85。硫化菌對污泥中重金屬的淋濾效果受到溫度、氧氣和二氧化碳濃度、起始pH、污泥種類與濃度、抑制因子、二價鐵濃度等因素的影響9,10。隨著污泥農(nóng)用處置方式日益受到重視，生物浸瀝作為一種經(jīng)濟有效的去除污泥中重金屬的手段具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)該加強有關(guān)這方面

15、的研究并應(yīng)用在實際的工程中，讓污泥成為符合環(huán)境標準要求的可利用的資源。在實際的應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合污水處理工藝，以減少工程和運行成本，提高生物淋濾的利用價值。4.4完善污泥農(nóng)用的標準和法律法規(guī)為了防止過量施用污泥對環(huán)境和作物造成危害，許多發(fā)達國家對污泥的處置利用都制定了嚴格的法律法規(guī)。如美國EPA對污泥的標準、施用地點的選擇、病原物的控制、重金屬的允許施入量、水源的保護等都作了相應(yīng)的規(guī)定。我國1984年頒布了農(nóng)用污泥中污染物控制標準（GB428484），按酸性、中性及堿性土壤分別規(guī)定了污泥農(nóng)用的有害物質(zhì)標準。但是，我國關(guān)于污泥農(nóng)用的標準和法律法規(guī)還不健全，如還缺乏有機污染物和病原物的農(nóng)用標準，并且對

16、施用地點、施用后禁止進入的時間等都缺乏相應(yīng)的管理規(guī)定，這都有待于在科學研究的基礎(chǔ)上進一步完善。雖然新的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）中對鋅和銅的臨界含量做了一定調(diào)整，按照新的標準會有更多的污泥符合農(nóng)用的要求。但這同時也意味著可以進入土壤的重金屬增加，至于其環(huán)境風險是否也因此提高是值得關(guān)注的問題?？刂莆勰嘀形廴疚锖孔罡镜拇胧┦牵何鬯畯S應(yīng)該從源頭抓起，控制入廠污水的質(zhì)量，防止含特定污染物較高的污水的混入，以降低污泥中污染物的含量。另外，要向社會各界大力宣傳環(huán)保知識，讓廣大污泥用戶了解科學施用污泥的利益和盲目施用污泥的危害，自覺遵守污泥土地利用的環(huán)境法律法規(guī)。5結(jié)語綜上

17、所述，污泥中重金屬種類繁多，并且在土壤中存在一定的積累現(xiàn)象，如果在污泥處置過程中沒有采取相應(yīng)的安全措施，必將對生態(tài)環(huán)境、人類和其他生物健康產(chǎn)生風險。隨著社會的發(fā)展和人們環(huán)境意識的增強，關(guān)于污泥中重金屬的研究已從傳統(tǒng)的對作物的毒害作用轉(zhuǎn)移到對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康的影響上，如污泥中的重金屬對人和動物、土壤微生物、土壤動物和土壤酶的影響等。降低污泥土地利用過程中重金屬的環(huán)境風險除了依靠堆肥，堿性穩(wěn)定，生物淋濾等技術(shù)措施外，很大程度上取決于國家環(huán)境法律法規(guī)的完善和人們保護環(huán)境自覺程度，這需這一方面需要環(huán)境科學和土壤科學等相關(guān)學科及其專家們的通力合作，同時也需要政府、管理部門和企業(yè)及其與科技界的共同努力，以推動和促進污泥及其土地資源化利用的研究與管理工作。參考文獻1陳同斌,黃啟飛,高定,等.中國城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢J.環(huán)境科學學報,2003,23(5):561-569.2李季,吳為中.國內(nèi)外污水處理廠污泥產(chǎn)生、處理及處置分析A.污泥處理處置技術(shù)與裝備國際研討