天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區(qū)植被修復(fù)的可行性

王 磊， 蘇本營(yíng)， 方廣玲， 胡 鈺， 王 玥， 香 寶*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012 2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 北京 100875

天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區(qū)植被修復(fù)的可行性

王 磊1,2， 蘇本營(yíng)1,2， 方廣玲1,2， 胡 鈺1,3， 王 玥1,2， 香 寶1,2*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012 2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院， 北京 100875

為解決中石化大牛地氣田天然氣開采壓裂返排液污泥(采氣污泥)難處理的困境，在測(cè)定采氣污泥成分和運(yùn)用地累積指數(shù)法(Igeo)評(píng)估其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，利用三種荒漠區(qū)常見植物〔沙蒿(Artemisiadesertorum)、黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagofalcataL.)〕，通過(guò)設(shè)計(jì)采氣污泥與荒漠區(qū)土壤配比，開展天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區(qū)植被修復(fù)的可行性試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明：①采氣污泥中各污染物組分含量相對(duì)較低，w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)分別為35.187、0.181、5.502 mg/kg，PAHs(多環(huán)芳烴類)未檢出；w(OM)、w(TN)也較低，分別為1.46%、0.32%，鹽分含量為1.2%. ②重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果顯示，Cr、Cd、Pb的Igeo值分別為-0.76、-8.69和-2.20，污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為清潔；Se和Ba的Igeo值分別為0.02和0.91，有輕度環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn). ③5%采氣污泥處理能使土壤最大持水量、土壤保水能力和孔隙度分別提高了74.41%、14.29%和4.35%. ④低濃度(2.5%)采氣污泥處理能使沙蒿、黑麥草和苜蓿種子發(fā)芽率分別提高7.38%、3.61%和8.20%，高濃度(>2.5%)采氣污泥對(duì)種子萌發(fā)則表現(xiàn)為抑制作用. ⑤根據(jù)采氣污泥對(duì)沙蒿、黑麥草和苜蓿株高、根長(zhǎng)和生物量的影響，確定采氣污泥適宜施用量分別為≤5%、≤2.5%、≤2.5%. 研究顯示，采氣污泥用于荒漠區(qū)植物修復(fù)是可行的，但適宜施用量較低，可采取去污染物和篩選耐性植物等技術(shù)來(lái)提高其用量.

采氣污泥； 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)； 荒漠區(qū)； 植被修復(fù)； 可行性

Abstract： In order to dispose the sludge from fracturing flow-back fluid for natural gas exploitation (gas production sludge) from Sinopec Daniudi Gas Field, the gas production sludge composition and potential environmental risk assessment byIgeowere researched. Meanwhile, the effects on soil improvement and plant growth were researched in three plant species,Artemisiadesertorum,LoliumperenneL. andMedicagofalcataL., in a compound by gas production sludge and soil. The results showed that the contents of heavy metals and harmful organic contaminants were very low in the gas production sludge; for example, the contents of Cr, Cd and Pb were 35.187, 0.181 and 5.502 mg/kg, while PAHs were under the observed effect concentration. Thew(OM) andw(TN) were small (1.46% and 0.32% respectively), but the salinity was 1.2% in gas production sludge. The results of risk assessment of 13 heavy metals indicated that theIgeoof Cr, Cd and Pb was -0.76, -8.69 and -2.20, respectively, indicating a clean environmental contamination risk level, but theIgeoof Se and Ba was 0.02 and 0.91, respectively, indicating a mild environmental contamination risk. The maximum water holding capacity, water retention capacity and porosity of soil were increased by 74.41%, 14.29% and 4.35% when the content gas production sludge application was 2.5%. The gas production sludge increased seed germination ofA.desertorum,L.perenneL. andM.falcataL. by 7.38%, 3.61% and 8.20% when the mixture ratio was 2.5%. If the content gas production sludge application exceeded 2.5%, the seed germination was restrained. Comprehensive consideration impacts on the height, root height amd fresh weight content of the three plants were detected during the growth period. The feasible gas production sludge application amounts forA.desertorum,L.perenneL. andM.falcataL. were ≤5%, ≤2.5%, ≤2.5%, respectively. The study considered that gas production sludge used for desert area plant restoration is feasible. However, we need to increase the use of pollutant removal with gas production sludge application, choose tolerant plants, etc.

Keywords： gas production sludge; desert area; vegetation restoration; feasibility

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中占比逐漸增大[1]，據(jù)周波等[2]預(yù)測(cè)，未來(lái)20年我國(guó)對(duì)天然氣的需求增長(zhǎng)將保持在每年15%以上. 開采天然氣鉆井過(guò)程中產(chǎn)生大量廢水、巖屑及壓裂返排液處理污泥等，據(jù)估算，僅大牛地氣田采氣污泥產(chǎn)生量每年約1×104m3，目前由于缺乏合適的處理處置技術(shù)，大量的采氣污泥仍處于堆放狀態(tài)，這對(duì)天然氣可持續(xù)開采和周邊生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生很大負(fù)面影響.

目前針對(duì)城市污泥、采油污泥處理處置技術(shù)的大量研究，主要集中于采用超聲波技術(shù)[3]、冷凍技術(shù)[4]和穩(wěn)定化技術(shù)[5]、土地填埋[6]及資源化回收利用[7]等手段進(jìn)行減量化處理. 城市污泥最終處置是近年研究熱點(diǎn)，如CHEN等[8- 10]提出污泥是一種資源應(yīng)加以利用；Fullana等[11- 13]研究發(fā)現(xiàn)，污泥焚燒處置技術(shù)是一種有效處理技術(shù)，但存在二次污染，成本較高. 城市污泥堆肥處理逐漸成為研究熱點(diǎn)[14- 15]，其中農(nóng)田利用[16- 17]逐漸成為學(xué)者優(yōu)先推薦的處置方式. 歐盟目前優(yōu)先采用土地利用處理城市污泥，并于2010年制定并通過(guò)城市污泥土地利用管理?xiàng)l例[18- 19]，條例規(guī)定未來(lái)污泥處置方向?yàn)槎逊驶①Y源化利用. Semiyaga等[20- 21]從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性、技術(shù)可行性及社會(huì)可接受性多標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)城市污泥處置技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)排名前兩位的為污泥資源化、堆肥化. 通過(guò)對(duì)比其他類型污泥處理處置技術(shù)發(fā)現(xiàn)，資源化利用、堆肥化土地利用將是未來(lái)污泥處理處置的方向.

近年來(lái)，有關(guān)城市污泥用于荒漠區(qū)土壤改良和植被恢復(fù)研究不斷增加. 城市污泥具有較強(qiáng)的黏性、持水性和保水性，因此，施入城市污泥有利于提高沙地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和持水保水能力[22]. 李雪[23]開展了城市污泥改良沙地土壤試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沙地土壤孔隙度、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等隨著污泥施用量的增加而增加. 華正偉[24]通過(guò)污泥與沙土配比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，城市污泥的施入能促進(jìn)楊樹幼苗生長(zhǎng)，并且隨污泥量增加，效果更加明顯，當(dāng)污泥與沙土的比例為1∶1時(shí)，與對(duì)照組相比，楊樹幼苗株高、葉面積分別提高3.95和1.55倍，胸徑增加了1.68 mm.

在探索采氣污泥處理處置技術(shù)方面，筆者所在課題組前期研究了采氣污泥干化焚燒、制作免燒磚、填埋等處理方式，發(fā)現(xiàn)焚燒和制磚成本過(guò)高，且制磚銷路有限，當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)部門不允許填埋，并要求及時(shí)處理堆積污泥. 采氣污泥產(chǎn)生地一般處于沙地腹地，距離城鎮(zhèn)距離較遠(yuǎn)，焚燒、制建材、填埋等處理方式不適合，確保環(huán)境安全的基礎(chǔ)上沙地利用是有效處置方式. 為此，借鑒城市污泥用于沙地土壤改良和植被修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，該研究因地制宜將采氣污泥處理處置與荒漠區(qū)沙地植物恢復(fù)相結(jié)合，在采氣污泥物質(zhì)特性分析及其污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合采氣污泥與荒漠區(qū)土壤混配進(jìn)行植物培養(yǎng)試驗(yàn)，明確采氣污泥組成成分及其對(duì)荒漠區(qū)土壤改良效果，分析采氣污泥對(duì)沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物生長(zhǎng)特性的影響，篩選適宜的采氣污泥施用量，探討采氣污泥用于荒漠區(qū)植物修復(fù)的可行性，這對(duì)于緩解荒漠區(qū)土壤退化和植被恢復(fù)具有理論指導(dǎo)意義，同時(shí)可為探索采氣污泥安全處理處置新途徑提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年6—10月在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院廢棄物資源化利用與沙地生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)基地進(jìn)行，研究區(qū)位于鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，地處毛烏素沙地腹地，具有土地沙化嚴(yán)重、土壤養(yǎng)分含量少、土壤保水性差等特點(diǎn). 該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫6.8 ℃，全年日照 2 800～3 000 h，年降水量350～400 mm，年蒸發(fā)量 2 200～2 800 mm.

1.2 供試材料

土壤樣品：取自中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院廢棄物資源化利用與沙地生態(tài)修復(fù)研究基地周邊沙地. 土樣采回后，置于室內(nèi)通風(fēng)處風(fēng)干，備用. 污泥樣品和土樣經(jīng)研磨，過(guò)2 mm篩后，用密實(shí)袋裝好，備用. 供試土樣和污泥樣品的理化性質(zhì)見表1.

表1 供試土壤和采氣污泥基本理化性質(zhì)

采氣污泥樣品：取自于中國(guó)石油化工股份有限公司華北分公司九普污水處理廠，將采氣污泥樣品放置在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，備用. 沙蒿、黑麥草和苜蓿

供試植物：選擇退化沙地修復(fù)、植被重建常見的三種植物——沙蒿(Artemisiadesertorum)、黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagofalcataL.)；供試植物種子均為鄂爾多斯百禾種業(yè)有限責(zé)任公司提供；試驗(yàn)用聚乙烯花盆(長(zhǎng)45 cm、寬25 cm、高30 cm).

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將自然風(fēng)干后的采氣污泥樣品與土樣按照不同質(zhì)量比(均以干質(zhì)量計(jì))進(jìn)行混合配比，共設(shè)置6個(gè)配比濃度：①100%沙土，作為對(duì)照，記做C0；②2.5%污泥+97.5%沙土，記做C1；③5%污泥+95%沙土，記做C2；④10%污泥+90%沙土，記做C3；⑤15%污泥+85%沙土，記做C4；⑥20%污泥+80%沙土，記做C5. 不同污泥配比濃度設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn).

于各花盆中裝混合基質(zhì)50 kg，并混合均勻，沙蒿、黑麥草、苜蓿種子各100粒均勻撒播于盆中，覆蓋一層薄薄的混合細(xì)土，以蓋沒(méi)種子為宜. 試驗(yàn)在野外條件下進(jìn)行，溫度、濕度和光照不做控制，每天早晨澆水1次，每次500 mL；試驗(yàn)時(shí)間為6—8月；種植期間其他管理措施保持一致，保證植物統(tǒng)一的生長(zhǎng)環(huán)境.

1.4 測(cè)定方法

1.4.1重金屬含量測(cè)定

樣品前處理：取樣品10～20 mg，置于特氟龍瓶(容積7 mL)中，加入高氯酸1 mL、硝酸1 mL、氫氟酸0.5 mL，扣上蓋子后放入高壓不銹鋼消解罐中，在150 ℃電烤爐中消解7～9 h，冷卻后打開瓶子，并在電熱板上加熱至190 ℃，直到液體剩余幾百μL. 在殘余液體中加入0.5 mL氫氟酸，加熱到剩余幾百μL，重復(fù)以上步驟直至硅酸鹽礦物完全溶解. 最終的消解液用1%的硝酸稀釋10倍，過(guò)0.45 μm的濾膜.

重金屬含量測(cè)定：取經(jīng)消解、過(guò)濾后的采氣污泥浸出液4 mL，使用ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry)檢測(cè)其中的重金屬含量.

1.4.2有機(jī)污染物含量測(cè)定

樣品前處理：稱取10 g過(guò)篩污泥樣品，加入回收率指示物混合標(biāo)樣和活化銅片，后經(jīng)200 mL二氯甲烷索氏抽提72 h，最后經(jīng)旋蒸濃縮至5 mL左右，轉(zhuǎn)移至雞心瓶，用正己烷為置換溶劑，過(guò)硅膠/氧化鋁(質(zhì)量比2∶1)層析柱分離純化.

有機(jī)污染物含量測(cè)定：對(duì)分離純化的液體用70 mL 二氯甲烷/正己烷(體積比3∶7)淋洗并收集，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至1 mL，再用柔和氮流吹至0.5 mL，加入內(nèi)標(biāo)進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS:Gas Chromatography-Mass Spectrometer，USA)分析.

氣相色譜條件：毛細(xì)管柱為VF- 5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣為高純氦氣(≥99.999%)，恒流，載氣流速為1.0 mL/min；進(jìn)樣體積為1 μL. 質(zhì)譜條件：離子源溫度280 ℃，四極桿溫度40 ℃，電離模式MS，電子轟擊離子源(EI)，電子能量70 eV；溶劑延遲時(shí)間5.00 min；碰撞氣為高純氫氣(99.999%)，碰撞壓力0.24 Pa；Q1峰寬3.00，Q2峰寬1.00；數(shù)據(jù)采集模式為多反應(yīng)離子監(jiān)測(cè)模式(Multiple Reactions Monitoring Mode，MRM).

1.4.3土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定.

土壤最大持水量、土壤失水時(shí)間采用烘干法測(cè)定.

土壤孔隙度計(jì)算方法如式(1)所示.

S=(1-ρ/μ)×100

(1)

式中：S為土壤孔隙度，%；ρ為土壤容重，g/cm3；μ為比重，g/cm3.

1.4.4植物生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

種子發(fā)芽率采用前14 d正常發(fā)芽數(shù)計(jì)算，方法見式(2)：

β=A/T×100

(2)

式中：β為種子發(fā)芽率，%；A為前14 d正常發(fā)芽數(shù)，個(gè)；T為供試種子數(shù)，個(gè).

株高：每個(gè)試驗(yàn)處理選取10株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，取其第35天時(shí)的平均株高作為測(cè)量值.

根長(zhǎng)：每個(gè)試驗(yàn)處理選取10株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，取其第35天時(shí)的平均根長(zhǎng)作為測(cè)量值.

生物量：在第35天時(shí)選取具有代表性的植物割刈，稱其質(zhì)量，算其平均值. 為便于作圖分析，將黑麥草和苜蓿生物量換算成10株植株生物量，沙蒿采樣單株.

1.5 重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

對(duì)于采氣污泥中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，采用德國(guó)科學(xué)家Muller[25]于1969年提出的地積累指數(shù)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)原理見式(3)：

Igeo i=log2(Ci/kBi)

(3)

式中：Igeo i為土壤污染物i的地累積指數(shù);Ci為土壤污染物i實(shí)測(cè)含量的統(tǒng)計(jì)均值，mg/kg；B為污染物i的地球化學(xué)背景值，mg/kg；k為修正造巖運(yùn)動(dòng)引起的背景波動(dòng)而設(shè)定的系數(shù)，一般取1.5.

依據(jù)Igeo把土壤中重金屬污染程度分為7個(gè)等級(jí)(見表2). 通過(guò)對(duì)九普污水處理廠不同工序、不同時(shí)間采集的43個(gè)污泥樣品，采用GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》中的方法測(cè)定重金屬含量，運(yùn)用地累積指數(shù)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)重金屬背景值[26]，得到采氣污泥中地累積指數(shù)值.

表2 基于地累積指數(shù)的土壤重金屬污染程度分級(jí)

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理應(yīng)用SPSS軟件(version 17，SPSS，Chicago，IL，USA)進(jìn)行. 該研究中試驗(yàn)數(shù)據(jù)用單因素方差分析(one-way ANOVA)，S-N-K(Student-Newman-Keulsa)檢驗(yàn)處理間差異的顯著性，不同的字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥利用潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1采氣污泥特性

采氣污泥及其浸出液中重金屬含量如表3所示. 由表3可見，采氣污泥浸出液中重金屬含量較低，ρ(Cr)、ρ(Cd)、ρ(Pb)、ρ(Ni)、ρ(Cu)、ρ(As)、ρ(Ag)、ρ(Hg)分別為 0.008 1、0.000 2、0.002 1、0.006 9、0.042 9、0.042 5、0.000 2、0.015 8 mg/L，均遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007中相應(yīng)限值(分別為15、1、5、5、100、5、5、0.1 mg/L)，采氣污泥中苯并芘、甲苯、氯苯等有機(jī)污染物均未檢出，因此采氣污泥不屬于危險(xiǎn)廢物范疇. 采氣污泥中重金屬和有機(jī)污染物的含量較低，w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)、w(Ni)、w(Cu)、w(As)、w(Hg)分別為35.19、0.18、5.50、4.82、3.50、7.06、0.05 mg/kg，也遠(yuǎn)低于CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理 廠污泥處置 農(nóng)用污泥》中規(guī)定的相應(yīng)限值(<500、<3、<300、<100、<500、<30、<3)，分別是CJ/T 309—2009中規(guī)定相應(yīng)污染物含量限值的 1/14、1/17、1/55、1/21、1/143、1/4、1/60；污泥中PAHs(多環(huán)芳烴類)、甲苯、氯苯等有機(jī)污染物未檢出.

表3 采氣污泥及其各類浸出液中重金屬含量

注：重金屬均以總量計(jì). —表示未檢出; +表示未做規(guī)定; *表示未做測(cè)定.

2.1.2采氣污泥重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采氣污泥中重金屬含量和Igeo值如表4所示. 采氣污泥成分與季節(jié)變化、不同區(qū)域采氣井有關(guān)，為客觀反映采氣污泥成分，該研究共采集新鮮污泥和堆積污泥43個(gè)樣品，發(fā)現(xiàn)各樣品中重金屬含量差異較大. 如采氣污泥中w(Cr)、w(Cu)、w(As)最小值分別為11.594、0.118、1.004 mg/kg，而最大值分別為114.077、12.019、75.202 mg/kg. 該研究采用43個(gè)污泥樣品平均值評(píng)估采氣污泥重金屬環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采氣污泥中Cr、Ni、As、Cd、Pb的Igeo值分別為-0.76、-2.54、-0.38、-8.69、-2.20，均小于0，表明污染程度為清潔；但Se、Ba的Igeo值分別為0.02、0.91，具有輕度污染風(fēng)險(xiǎn). 地累積指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果也表明，采氣污泥中Cr、Ni、As等11種重金屬無(wú)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，僅重金屬Se、Ba有輕度污染風(fēng)險(xiǎn)，但通過(guò)污泥施用濃度控制可有效降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn).

表4 采氣污泥中重金屬含量和地累積指數(shù)值

2.2 污泥對(duì)沙地土壤理化性質(zhì)影響

土壤理化性質(zhì)隨污泥濃度變化如見圖1所示. 由圖1(A)可知，采氣污泥能大幅提高土壤最大持水量，不同處理間存在顯著差異(P<0.05)，當(dāng)污泥施用量為20%時(shí)，土壤最大持水量為19.05%，與對(duì)照組相比，提高了近3倍. 由圖1(B)可見，污泥施入還能增強(qiáng)沙地土壤保水能力，但C0和C1處理間差異不顯著(P>0.05)；與C0相比，其他處理土壤保水能力顯著增加(P<0.05)，污泥施用量為20%時(shí)，能延長(zhǎng)土壤持水時(shí)間達(dá)11 d. 由圖1(C)可見，隨著污泥施入量增加，土壤容重逐漸降低，C0、C1和C2處理間差異不顯著(P>0.05)，C4、C5較C0顯著降低(P<0.05)，當(dāng)污泥施用量為20%時(shí)，土壤容重為1.43 g/m3，較C0降低7.14%；由圖1(D)可見，隨著污泥施入量增加，土壤孔隙度逐漸增加，與C0相比，C1、C2、C3和C4間無(wú)顯著差異(P>0.05)，但C5土壤孔隙度顯著增加(P<0.05)，當(dāng)污泥施用量為20%時(shí)，土壤孔隙度為54%，較C0增加22.73%.

2.3 采氣污泥對(duì)沙生植物生長(zhǎng)的影響

2.3.1植物種子發(fā)芽率的變化

種子發(fā)芽率指發(fā)芽種子數(shù)占實(shí)際播種種子數(shù)的百分比，也是檢測(cè)種子質(zhì)量的重要指標(biāo)之一. 三種植物發(fā)芽率計(jì)算結(jié)果見表5，污泥施用量為C1時(shí)，沙蒿和苜蓿種子發(fā)芽率分別為73.23%和63.10%，均高于C0(68.20%、58.32%)，分別比C0高7.38%和8.20%；當(dāng)污泥施用量為C2時(shí)，沙蒿和苜蓿種子發(fā)芽率分別降至55.46%和45.67%；當(dāng)污泥施用量為C5時(shí)，沙蒿、苜蓿種子發(fā)芽率分別為35.70%和35.00%. 污泥施用量為C1時(shí)，黑麥草發(fā)芽率比C0高3.61%；當(dāng)污泥施用量為C3時(shí)，黑麥草發(fā)芽率降為56.17%，比C0下降了28.00%.

2.3.2植物株高變化

沙蒿試驗(yàn)中播種與移栽同步進(jìn)行，沙蒿株高選取移栽植株. 由圖2可知，污泥施用量為C1、C2、C3、

注：小寫字母代表處理間差異性，不同字母代表差異顯著(P<0.05)，相同字母代表差異不顯著(P>0.05). 下同.圖1 土壤理化性質(zhì)隨污泥濃度變化Fig.1 The variation of physical and chemical characters of soil with sludge content

%

圖2 植物株高隨污泥濃度變化Fig.2 The variation of plant height with sludge content

C4、C5時(shí)，株高分別為18.33、17.50、17.67、16.67、16.23 cm，均低于C0(23.33 cm)，分別下降了21%、25%、24%、29%、30%，與C0差異均不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，株高分別為6.93、7.17、7.23、5.53、6.00 cm，均低于C0(12.33 cm)，分別下降了44%、42%、41%、55%、52%，C1～C5與C0比較均差異顯著(P<0.05)，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，苜蓿株高分別為2.03、2.00、1.50、1.67、1.17 cm，均顯著低于C0(4.50 cm)(P<0.05)，分別下降了55%、56%、67%、63%、74%，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05).

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物株高均隨污泥施用量增加而降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 采氣污泥施加沒(méi)有增加植物株高，可能是污泥中鹽分抑制植物生長(zhǎng)，且采氣污泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較少. 從三種植物株高受采氣污泥影響程度來(lái)看，沙蒿受影響程度較小，黑麥草和苜蓿株高受抑制明顯.

2.3.3植物根長(zhǎng)變化

植物根長(zhǎng)隨污泥濃度變化見圖3. 從圖3可以看出，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，沙蒿根長(zhǎng)分別為16.10、14.33、13.50、14.50、13.20 cm，均低于C0(16.67 cm)，分別下降了3%、14%、19%、13%、21%，C0～C5差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，黑麥草根長(zhǎng)分別為8.53、6.17、6.33、6.67、6.5 cm，均低于C0(9.33 cm)，分別下降了9%、34%、32%、29%、30%，C1與C0差異不顯著(P>0.05)，C2～C5與C0差異顯著(P<0.05)，C2～C5之間差異不顯著(P>0.05)；苜蓿幼苗根部對(duì)于污泥響應(yīng)明顯，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，苜蓿根長(zhǎng)分別為9.67、6.67、7.83、6.80、6.00 cm，顯著低于C0(18.17 cm)(P<0.05)，分別下降了47%、63%、57%、63%和67%，C1～C5之間差異不顯著(P>0.05).

圖3 植物根長(zhǎng)隨污泥濃度變化Fig.3 The variation of plant root length with sludge content

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物根長(zhǎng)均隨污泥施用量增加而降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 從三種植物根長(zhǎng)受采氣污泥影響程度來(lái)看，沙蒿受影響程度較??；黑麥草受高濃度污泥(>2.5%)影響較小；苜蓿受污泥影響較大.

圖4 植物生物量隨污泥濃度變化Fig.4 The variation of plant fresh weight with sludge content

2.3.4植物生物量變化

由圖4可見，不添加采氣污泥處理，沙蒿生物量(1.96 g)達(dá)到最大，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，沙蒿生物量分別為1.96、1.54、1.41、1.21、1.19、1.17 g，均顯著低于C0(P<0.05)，分別下降了21%、28%、38%、40%、41%；C1～C3之間差異顯著(P<0.05)，C3和C4差異不顯著(P>0.05)，C4和C5差異不顯著(P>0.05). 不添加污泥的處理下，黑麥草生物量達(dá)最大值(0.78 g)，污泥施用量為C1、C2、C3、C4、C5時(shí)，黑麥草生物量分別為0.65、0.58、0.26、0.20、0.27 g，均顯著低于C0(P<0.05)，分別下降了17%、27%、66%、74%、66%；C1和C2差異顯著(P<0.05)，C3～C5 之間差異不顯著(P>0.05). 不添加污泥的處理，苜蓿生物量達(dá)最大值(1.06 g)，污泥施用量為C1、C2、C3、C4和C5時(shí)，苜蓿生物量分別為0.58、0.27、0.21、0.24、0.17 g，分別下降了46%、74%、80%、77%、84%；C1與C2～C5差異顯著(P<0.05)，C2～C4之間差異不顯著(P>0.05)；污泥施用量為C5時(shí)，與C0～C4差異均顯著(P<0.05).

由此可見，沙蒿、黑麥草和苜蓿三種植物生物量均隨污泥施用量增加而逐漸降低，但是不同植物受污泥影響差異較大. 與對(duì)照組比較，隨著采氣污泥施用量增加，三種植物生物量均受到顯著影響.

3 討論

污泥堆肥處理[14- 15]和農(nóng)田利用[16- 17]已成為當(dāng)前優(yōu)先推薦的處置方式，且對(duì)其應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也有大量報(bào)道[29]. 該研究通過(guò)室內(nèi)分析技術(shù)，明確了采氣污泥物質(zhì)特性，采氣污泥中重金屬、苯并芘等有機(jī)污染物含量較低，遠(yuǎn)低于城市污泥中的含量，用于土壤改良環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更小，但鹽分含量相對(duì)較高(見表1). 運(yùn)用地累積指數(shù)評(píng)價(jià)模型對(duì)采氣污泥中13種重金屬含量進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)常見重金屬(Cr、As、Cd、Pb)的Igeo均為負(fù)值，污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于清潔，Se、Ba的Igeo分別為0.02、0.91，為輕度污染風(fēng)險(xiǎn). 近年來(lái)，城市污泥用于沙地植被修復(fù)、農(nóng)業(yè)還田的研究發(fā)現(xiàn)，城市污泥中重金屬和有機(jī)污染物含量高[29- 30]、污染風(fēng)險(xiǎn)大[31- 32]是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素，而采氣污泥中重金屬和有機(jī)污染物含量低，相對(duì)于城市污泥應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)小. 但是，采氣污泥中鹽分含量高，沙區(qū)本身存在鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格控制，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)采氣污泥去鹽分技術(shù)研究，結(jié)合篩選耐性植物、降低施用量和減少施用次數(shù)等技術(shù)措施將風(fēng)險(xiǎn)控制在安全范圍內(nèi)，這些技術(shù)措施的應(yīng)用同時(shí)也可降低采氣污泥中鹽分對(duì)土壤、植物的影響.

通過(guò)采氣污泥與土壤配比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采氣污泥中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、鉀)含量較低，與城市污泥比較可利用營(yíng)養(yǎng)元素較少[33]，但也能起到提高土壤中養(yǎng)分含量的效果. 該研究還發(fā)現(xiàn)，采氣污泥能夠明顯提高土壤最大持水量、土壤孔隙度，降低土壤容重、延緩?fù)寥朗畷r(shí)間，與城市污泥特性相似[34- 36]. 荒漠區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠，土壤容重相對(duì)較高，孔隙度和土壤持水性低，植物無(wú)法獲得足夠的水分、養(yǎng)分，植物立地條件惡化，導(dǎo)致植被覆蓋度降低，采氣污泥施入有利于提高沙化土壤保水特性、促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)、改良植物生長(zhǎng)立地環(huán)境，從而將可能有利于荒漠區(qū)退化土壤的生態(tài)恢復(fù).

采氣污泥施用量對(duì)植物種子發(fā)芽率影響較大. 當(dāng)污泥施用量為2.5%時(shí)，對(duì)沙蒿、黑麥草和苜蓿種子發(fā)芽均有促進(jìn)作用；而污泥施用量為5%時(shí)，沙蒿、苜蓿種子發(fā)芽受到抑制，黑麥草無(wú)顯著影響；當(dāng)污泥施用量≥10%時(shí)，三種植物種子發(fā)芽率均受到明顯抑制. 采氣污泥具有持水性好、失水速度慢的特性，少量污泥施用會(huì)改善植物種子萌發(fā)環(huán)境，這可能是引起種子發(fā)芽率提高的原因；而污泥施用量超過(guò)10%時(shí)，土壤中的有害物質(zhì)(如鹽分)會(huì)顯著增加，從而將會(huì)抑制植物種子萌發(fā). 低濃度污泥(2.5%)對(duì)三種植物種子萌發(fā)均有促進(jìn)作用，高濃度污泥對(duì)植物種子萌發(fā)起抑制作用，這與楊濤等[37]研究城市污泥對(duì)植物影響類似，低濃度城市污泥(10%)促進(jìn)黑麥草和高羊茅種子萌發(fā)，高濃度則抑制. 荒漠化區(qū)域環(huán)境惡劣，導(dǎo)致種子發(fā)芽率低，種子萌發(fā)是植被修復(fù)的關(guān)鍵，低濃度采氣污泥施用能提高植物種子萌發(fā)，將為荒漠化區(qū)域植物恢復(fù)起到促進(jìn)作用.

該研究還表明，不同濃度采氣污泥施用對(duì)沙蒿株高、根長(zhǎng)無(wú)顯著影響(見圖2、3)，但對(duì)沙蒿生物量影響達(dá)到顯著水平，綜合采氣污泥對(duì)沙蒿株高、根長(zhǎng)和生物量的影響程度，推薦采氣污泥的適宜施用量為5%以內(nèi)；對(duì)于黑麥草而言，污泥的施用對(duì)株高、根長(zhǎng)和生物量會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，但采氣污泥用量為2.5%時(shí)對(duì)黑麥草根長(zhǎng)無(wú)顯著影響，而對(duì)苜蓿根長(zhǎng)存在一定影響，因此，低于2.5%的采氣污泥施用量對(duì)于苜蓿和黑麥草的生長(zhǎng)較為適宜. 三種植物的株高、根長(zhǎng)、生物量均隨采氣污泥濃度升高而降低，未表現(xiàn)出與城市污泥處理類似的趨勢(shì)[38- 39]，即低濃度促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度抑制生長(zhǎng)特性，這可能跟采氣污泥中鹽分含量高有關(guān)[40].

采氣污泥的施入對(duì)荒漠區(qū)植物生長(zhǎng)影響顯著，筆者研究表明，采氣污泥施入沙土后植物可以存活，說(shuō)明其用于沙地植被恢復(fù)是可行的，這對(duì)于采氣污泥處理處置新途徑研究具有重大意義. 采氣污泥就地資源化利用可以大幅節(jié)約成本，盡管其用量較低，后續(xù)可以通過(guò)去除污染物、調(diào)節(jié)施用量、篩選耐性植物等技術(shù)措施提高其施用量.

4 結(jié)論

a) 大牛地氣田采氣污泥中重金屬、苯系物等有害物質(zhì)含量遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值，不屬于危險(xiǎn)廢物，但鹽分含量相對(duì)較高；重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，重金屬Ba、Se存在輕微污染風(fēng)險(xiǎn)，但可通過(guò)污泥施用量和施用次數(shù)的調(diào)節(jié)予以有效控制.

b) 采氣污泥與沙土配比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采氣污泥可以提高沙土孔隙度、降低沙土容重；且采氣污泥保水性好，能提高沙土最大持水量、增強(qiáng)土壤保水能力.

c) 低濃度污泥的應(yīng)用有利于植物種子萌發(fā)，但不同植物的采氣污泥適宜施用量存在差異，如沙蒿的采氣污泥適宜施用量為5%以內(nèi)，黑麥草和苜蓿的則控制在2.5%以內(nèi)為宜.

d) 采氣污泥用于荒漠區(qū)植被恢復(fù)是可行的，但應(yīng)嚴(yán)格控制采氣污泥施用量，并選取適宜的修復(fù)植物.

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Feasibility of Using Sludge from Fracturing Flow-Back Fluid Treatment for Natural Gas Exploitation for Restoring Desert Area Vegetation

WANG Lei1,2, SU Benying1,2, FANG Guangling1,2, HU Yu1,3, WANG Yue1,2, XIANG Bao1,2*

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Regional Ecological Processes and Functions Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

X705

1001- 6929(2017)10- 1570- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.74

2017-01-13

2017-05-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0500904)；中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院院所長(zhǎng)基金(2006001001004028)

王磊(1991-)，男，安徽省阜陽(yáng)人，mywlei@yeah.net.

*責(zé)任作者，香寶(1965-)，男(蒙古族)，內(nèi)蒙古通遼人，研究員，博士，主要從事污泥資源化利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)研究，xiangbao@craes.org.cn

王磊,蘇本營(yíng),方廣玲,等.天然氣開采壓裂返排液污泥用于荒漠區(qū)植被修復(fù)的可行性[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1570- 1579.

WANG Lei,SU Benying,FANG Guangling,etal.Feasibility of using sludge from fracturing flow-back fluid treatment for natural gas exploitation for restoring desert area vegetation[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1570- 1579.