污泥保水功能的研究及應(yīng)用初報(bào)

陳曉蓉，孫克君，王 俊，廖宗文

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州510642；2.廣州市園林科學(xué)研究所，廣東 廣州510170）

隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源的短缺已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)障礙［1］，因而開(kāi)發(fā)保水效果明顯且低廉的保水材料成為重要研究課題［2－3］。保水劑是重要的吸水保水材料，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，已經(jīng)在美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究［4－5］，但其高成本成為一個(gè)重要制約因素［6］，且保水劑的使用方式一般為與土壤混合［7］，尚未見(jiàn)對(duì)保水劑在土壤中不同層次放置的保水效果的研究報(bào)道。目前，對(duì)復(fù)合保水劑的研究中具有典型代表意義的是礦物/高分子超強(qiáng)吸水性樹(shù)脂［8－9］，而對(duì)于利用廢物特性進(jìn)行保水功能開(kāi)發(fā)的研究，尚顯薄弱。污泥作為一種急待處理的廢物，迫切需要尋求更多更新的有效處理技術(shù)［10］，其肥料化利用被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ奶幚矸绞剑?1－13］。污泥本身有一定養(yǎng)分可以用作肥料，但由于其滯水性強(qiáng)［14－15］，干燥時(shí)外干硬內(nèi)糊軟，成為干燥加工的難題。本研究擬使這一不利因素轉(zhuǎn)化為有利因素，開(kāi)發(fā)污泥保水新功能，在促進(jìn)污泥利用的同時(shí)，為復(fù)合保水劑提供一種新的廉價(jià)材料。目前，保水劑因?yàn)楦叱杀镜葐?wèn)題［16］，尚未廣泛使用，另一方面，僅把污泥視為廢棄物，對(duì)于其水分含量高，滯水性強(qiáng)的特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用也尚未見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)污泥這些特點(diǎn)，通過(guò)土培模擬試驗(yàn)及盆栽研究污泥不同用量及土層不同放置方式對(duì)土壤水分保持及作物生長(zhǎng)的影響，開(kāi)發(fā)其保水新功能，既解決污泥處理難題又解決作物干旱缺水問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)的菜園土，播前養(yǎng)分狀況為：全氮2.63 g/kg，全磷1.51 g/kg，全鉀3.29 g/kg，p H 值為6.05，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。供試城市污泥取自珠海，水分含量為78.24%，污泥含氮3.8 mg/kg，含五氧化二磷2.0 mg/kg，含氧化鉀3.8 mg/kg，有機(jī)質(zhì)80.5%，p H 值為6.8。供試保水劑為美國(guó)商用保水劑（preli minary researc），吸水倍率為306.82，耐鹽倍率為44.78。供試玉米為華寶1號(hào)。

1.2 土培模擬實(shí)驗(yàn)

2009年1月11日至1月29日，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行塑料杯土培模擬實(shí)驗(yàn)，先在塑料杯底部開(kāi)幾個(gè)氣孔，按表1實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備好相應(yīng)量的保水劑或污泥，并與170 g土混合雙層或單層。單層為保水劑（污泥）平鋪于從塑料杯底部起1/3土壤處；雙層為平鋪（約1 c m厚）在1/3及2/3處；混合即保水劑（污泥）與土壤混合均勻。各處理浸泡于略低于土面的水中，24 h后懸空放置10 h，待土中重力水淋失，稱(chēng)重，即為土壤田間持水量。放在28℃培養(yǎng)箱中，每24 h稱(chēng)其重量，共觀察20 d，計(jì)算其含水量、失水量及失水率。

表1 土培模擬實(shí)驗(yàn)

1.3 盆栽試驗(yàn)

盆栽從2009年2月25日至6月5日種植100 d，根據(jù)土培模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇5個(gè)處理進(jìn)行溫室盆栽試驗(yàn)如表2所示，其中，保水劑的量減少為0.064%（2.56 g）是考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般都在2 g保水劑/株左右。這一用量較接近生產(chǎn)實(shí)際，因而與土柱模擬的高用量以便于比較效果有所不同。盆栽重點(diǎn)研究污泥與保水劑的差異以及同一污泥量條件下置于土層不同位置的保水效果。每個(gè)處理重復(fù)4次，每盆裝土4 kg，N，P，K用量分別為 N 150 mg/kg，P2O5100 mg/kg，K2O 120 mg/kg。污泥含 N 3.8 mg/kg，P2O52.0 mg/kg，K2O 3.8 mg/kg，有機(jī)質(zhì)80.5%，p H值為6.8。污泥處理扣除其所含的N，P，K養(yǎng)分，全部肥料都作為基肥，一次性施入土壤。每盆播發(fā)芽玉米4顆，7 d后間苗，每盆定植3株，收獲后測(cè)定盆栽生物量及土壤含水量等。

表2 污泥保水性玉米盆栽試驗(yàn)

葉綠素：用SPAD－502葉綠素測(cè)定儀測(cè)從頂部起首片成熟葉的中部［17－18］。

土壤含水率：均勻選取盆栽的5個(gè)點(diǎn)，用取土器取0—10 c m土樣，再用105℃烘干12 h測(cè)定土壤含水量。

盆栽水分管理：玉米苗期（前7 d）保持土壤表層濕潤(rùn)以利活苗，之后待玉米葉子微卷則澆水，每次澆水200 mL，盆底無(wú)水分淋出。

2 結(jié)果與分析

2.1 土培模擬實(shí)驗(yàn)

2.1.1 含水量分析 由圖1可知各處理的保水效果，0.64%保水劑處理含水量最高，其余各處理依次為：5%污泥單層＞5%污泥雙層＞3%污泥單層＞0.64%污泥單層＞0.64%污泥混合＞CK0。其中5%單層與5%雙層在1月15日后差異基本消失，兩曲線(xiàn)幾乎重合。圖1顯示了污泥用量及在土壤中放置方式2個(gè)因素均對(duì)保水性能產(chǎn)生影響，保水效果是這2因素共同作用結(jié)果，污泥用量越高，含水量則越高，且在土壤中分層放置優(yōu)于全層混合。

2.1.2 累積失水量分析 由圖2可知，各處理的累積失水量是一個(gè)急劇上升再趨于平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。0.64%保水劑8 d后趨于平穩(wěn)，CK0及0.64%污泥處理3 d后就趨于平穩(wěn)，其余污泥處理7 d后趨于平穩(wěn)，表明保水劑及高量的污泥處理累積失水是緩慢的過(guò)程。圖2進(jìn)一步顯示污泥在土壤分層放置優(yōu)于全層混合，雙層優(yōu)于單層。失水量由高到低的規(guī)律為：0.64%保水劑單層＞5%污泥單層＞3%污泥單層＞5%污泥雙層＞CK0＞0.64%污泥全層混合＞0.64%污泥單層?？梢缘贸龊扛?，累積失水量也高（詳見(jiàn)圖3）。

圖1 各處理動(dòng)態(tài)含水量變化

圖2 各處理累積失水量變化

2.1.3 失水率分析 失水率是累積失水量與含水量的比值，是兩者的綜合反映，所以更能說(shuō)明各處理保水功能。從圖3可以看出，保水劑的失水率最低，其余CK0＞0.64%污泥全層混合＞0.64%污泥單層＞3%污泥單層＞5%污泥單層＞5%污泥雙層。失水率低表明吸水量大而失水量少且慢，由圖3可知保水劑失水率最低。高量的污泥及分層放置對(duì)失水率有明顯影響。高量5%和雙層放置處理的失水率在污泥各處理中最低。高量?jī)?yōu)于低量，雙層優(yōu)于單層。表明通過(guò)污泥用量和分層放置兩方面的調(diào)控可以更好發(fā)揮其保水功能，使之更接近保水劑效果。

2.2 盆栽試驗(yàn)

土培模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了污泥具有值得利用的保水功能，但在種植中的實(shí)際效果如何有待試驗(yàn)證實(shí)，為此進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。

由表3可知，土壤含水率是影響植株生長(zhǎng)的一個(gè)很重要的指標(biāo)［19］，由高至低依次為：T3＞CK1＞T1＞T2＞CK0，T3（高量、雙層處理）效果最好，這與上述土培實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。盆栽土壤含水率與土培模擬含水量有一個(gè)重要的區(qū)別，前者的含水率還受作物吸收水分的影響。在作物生長(zhǎng)量提高的情況下，尚有較高土壤含水率，更加顯示污泥保水效果，其保水能力不亞于保水劑。

水分脅迫對(duì)光合作用的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它不但影響光合器官的形態(tài)構(gòu)造，而且也影響光合作用的各種生理生化過(guò)程［20］。因此，葉綠素的測(cè)定也能在一定程度上體現(xiàn)作物水分狀況。從表3中可見(jiàn)，CK0的葉綠素含量最低，而保水材料中，污泥處理甚至比保水劑更能提高葉綠素含量。

就干重進(jìn)行比較，污泥處理的植株干重及苞干重均優(yōu)于對(duì)照，而保水劑處理，植株干重最大，苞干重卻最小。就總產(chǎn)量（植株＋苞重）進(jìn)行比較，污泥處理的產(chǎn)量甚至高于保水劑處理。由此可見(jiàn)，污泥保水材料更有利于植株的均衡生長(zhǎng)，尤其是苞重的增加。此外，污泥的用量和分層放置兩方面影響因素中，僅污泥用量影響明顯，高量污泥的增產(chǎn)效果最好，分層放置影響不明顯。這可能與盆栽的澆水、作物吸水條件有關(guān)。

綜合而言，高量且在土中分層放置的污泥處理更有利于土壤水分保持及植株生長(zhǎng)。

3 討論

本項(xiàng)研究表明，污泥保水功能的開(kāi)發(fā)是切實(shí)可行的，這為污泥的利用提供了一條新的功能化途徑，同時(shí)也為復(fù)合保水劑的研制提供了一種新的廉價(jià)材料，對(duì)于污泥治理及節(jié)水兩方面都有重要意義。

3.1 土培模擬實(shí)驗(yàn)

土培模擬實(shí)驗(yàn)的含水量、失水量及失水率結(jié)果都表明，污泥具有保水性能。雖然其效果不及保水劑，但價(jià)廉易得?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)增加用量及優(yōu)化其在土層中的放置位置而提高其保水效果。與保水劑配合制成復(fù)合保水劑可望大幅降低保水劑的成本而保持較高的保水性能，值得進(jìn)一步深入研究。

3.2 盆栽試驗(yàn)

通過(guò)測(cè)定作物生物量和葉綠素等指標(biāo)，可以看到，保水劑及污泥處理均優(yōu)于對(duì)照，生物量增幅達(dá)0.14%～24.81%，而且污泥處理的增產(chǎn)效果超過(guò)保水劑。這與土培模擬試驗(yàn)的結(jié)果不同。土培模擬實(shí)驗(yàn)中保水劑的保水效果最好，而盆栽結(jié)果則是污泥處理效果更好。這種差別是由于兩者試驗(yàn)的條件不同，模擬實(shí)驗(yàn)沒(méi)有作物吸水影響亦無(wú)澆水過(guò)程。它可以反映污泥與保水劑的保水性能差異，但并不能反映兩者在作物生長(zhǎng)吸水情況下的實(shí)際效果，這一效果與生長(zhǎng)過(guò)程中的條件，主要是澆水條件有關(guān)。在輕微水分脅迫情況下（葉片微卷即澆水）污泥用量較大（1%），且分層（單或雙層）放置于土中，不僅有保水作用，而且還有托水作用，即使水分在一定土層中能較長(zhǎng)時(shí)間保留，這樣可以減少養(yǎng)分隨水淋失，因而有較大的增產(chǎn)幅度，且收獲后在土中還有較高的水分含量。試驗(yàn)表明，不僅污泥用量，而且污泥在土層的放置方式也對(duì)保水效果有重要影響。

3.3 污泥保水功能開(kāi)發(fā)的前景

污泥保水功能的開(kāi)發(fā)，在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上有明顯優(yōu)勢(shì)。污泥是一種急待處理的廢物，在大中城市尤甚［21］。一般每1 t污泥處置費(fèi)用多達(dá)150元以上，基本上是負(fù)成本或0成本。而大多數(shù)城市污泥由于與工業(yè)排污分開(kāi)，基本上沒(méi)有重金屬或有機(jī)污染物超標(biāo)的問(wèn)題。而作為保水材料使用，其用量比作肥料的用量更少，因而安全性更強(qiáng)。污泥若與保水劑結(jié)合制成復(fù)合保水劑使用，可望為污泥也為保水劑的使用提供更大的技術(shù)發(fā)展空間。污泥透水性差，使其干燥成為一個(gè)難題［22－24］，因而是一個(gè)明顯的不利因素，而從保水的角度看，這卻是一個(gè)值得開(kāi)發(fā)的新功能。本研究的土培模擬實(shí)驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)均表明，污泥保水功能的開(kāi)發(fā)是可行的，對(duì)于污泥開(kāi)發(fā)利用以及保水新材料的研發(fā)提供了新的思路和科學(xué)依據(jù)。

本文研究證實(shí)了污泥保水性能，并揭示了其效果與用量及土層放置位置有關(guān)。今后要開(kāi)展進(jìn)一步的研究，在更多土層試驗(yàn)以及污泥土層中的構(gòu)型，為進(jìn)一步提升其保水效果提供更多的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

（1）污泥具有保水功能，其用量和在土層中放置的位置對(duì)保水效果有重要的影響。

（2）污泥保水功能應(yīng)用于玉米栽培有明顯增產(chǎn)效果，適當(dāng)增加污泥用量及調(diào)整其在土層中的放置方式，增產(chǎn)效果不亞于保水劑。

（3）污泥保水功能的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)污泥的農(nóng)用資源化及保水新材料的研制均有重要意義。

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