活性污泥復(fù)混肥施用效果與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

徐立軍， 王云龍， 賈生強(qiáng)， 喻曼*

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311500； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

根據(jù)《中國(guó)污泥處理處置深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，2019年我國(guó)大約產(chǎn)生了6 300萬t的城市生活污泥[1]，目前處理方式以衛(wèi)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(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，施入土壤中，可以給植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分；污泥中的有機(jī)物質(zhì)可明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高土壤肥力，改良貧瘠土壤，修復(fù)受損土壤[2-4]；自20世紀(jì)60年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已將污泥作為有機(jī)肥進(jìn)行土地利用，我國(guó)也在積極開展相關(guān)研究，如直接施用于林地[5]，或?qū)⑽勰嚅_發(fā)成營(yíng)養(yǎng)土等進(jìn)行土地利用[6]，但用于復(fù)混肥開發(fā)的研究較少，已有研究結(jié)果表明，利用污泥的營(yíng)養(yǎng)成分能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。另一方面，污泥成分復(fù)雜，含有毒、有害物質(zhì)，比如重金屬、病原菌以及寄生蟲等[7],進(jìn)入土壤后，重金屬易向水體、土壤及植物遷移擴(kuò)散，這也是污泥土地利用的限制因子。因此，對(duì)污泥農(nóng)用產(chǎn)品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是其土地利用前的重要步驟。目前，地累積指數(shù)(Igeo)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ER)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則(RAC)等方法[8-13]是對(duì)污泥中重金屬的污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的常用方法。因此，本研究以城市生活污泥發(fā)酵產(chǎn)物復(fù)配的復(fù)混肥為研究對(duì)象，通過盆栽實(shí)驗(yàn)對(duì)其肥效與重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為拓展活性污泥資源化利用途經(jīng)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)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(qū)設(shè)施菜地，基本理化指標(biāo)如下：pH 5.78、有機(jī)質(zhì)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(jīng)腐熟發(fā)酵后，添加無機(jī)肥料，配制成活性污泥復(fù)混肥，配制后復(fù)混肥的基本性質(zhì)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(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院桑園科研溫室，試驗(yàn)時(shí)間為2022年1—4月，采用盆栽試驗(yàn)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(jù)氮投入量計(jì)算復(fù)混肥用量，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：1)CK不施加復(fù)混肥；2)T1 常規(guī)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(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

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(tǒng)計(jì)地上部分生物量，計(jì)算產(chǎn)量；后放置105 ℃烘箱中進(jìn)行殺青 30 min，然后將溫度降至75 ℃進(jìn)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(gè)盆栽土壤經(jīng)過自然風(fēng)干后研磨過篩備用。植物樣本測(cè)定分析全氮、全磷和全鉀指標(biāo)以及重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛)；土壤樣品測(cè)定分析pH、有機(jī)質(zhì)、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(tài)鎘。

土壤樣品中有機(jī)質(zhì)采取重鉻酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測(cè)定，全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀采用火焰光度法測(cè)定[14]，pH利用pH計(jì)測(cè)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(fā)射光譜法測(cè)定；植株樣品重金屬全量采用電感耦合高頻等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定。

1.4 環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法

本次評(píng)價(jià)運(yùn)用單因子污染指數(shù)法分析各處理污染物的積累水平，并利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算各處理的綜合污染程度(表1)，結(jié)合生物重金屬富集系數(shù)，對(duì)復(fù)混肥農(nóng)用的污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表1 土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

單因子污染指數(shù)法：

Pi=Ci÷Si。

(1)

其中：Pi:土壤污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci:污染物i的實(shí)測(cè)濃度，mg·kg-1；Si:污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg·kg-1。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法：

(2)

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

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

BCF=組織中Cd含量/土壤中Cd含量。

(3)

活性污泥復(fù)混肥用量的農(nóng)田安全施用次數(shù)計(jì)算公式：

(4)

其中：a為安全施用次數(shù)；x為土壤中重金屬的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)混肥施用量，單位為kg；n為活性污泥復(fù)混肥中重金屬的含量，單位為mg·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016和 SPSS 22.0 軟件對(duì)本文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)和繪制圖像，運(yùn)用 SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)混肥肥效分析

試驗(yàn)結(jié)果表明(表2)，與對(duì)照相比，施用活性污泥復(fù)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(duì)其產(chǎn)量無顯著影響。施用活性污泥復(fù)混肥可以顯著提高小青菜的產(chǎn)量，不同施用量之間差異不顯著，對(duì)其株高也無顯著影響。

表2 不同處理株高和產(chǎn)量結(jié)果

2.2 復(fù)混肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

復(fù)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(shù)值可知樣品土壤pH在5.5～6.5，各處理土壤重金屬含量遠(yuǎn)低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

表3 復(fù)混肥農(nóng)用后土壤中的重金屬元素含量

以GB 15618—2018標(biāo)準(zhǔn)中5.5

表4 復(fù)混肥施用后土壤中重金屬單因子污染指數(shù)(Pi)評(píng)價(jià)結(jié)果

復(fù)混肥施用后土壤所致的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)見表5。黑麥草和小青菜中常規(guī)施肥和增施處理的綜合污染指數(shù)均高于對(duì)照，且隨用量增加而上升，表明復(fù)混肥施用存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)其用量進(jìn)行限定。

表5 復(fù)混肥農(nóng)用后土壤中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P綜)評(píng)價(jià)結(jié)果

基于對(duì)作物的生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)一步計(jì)算復(fù)混肥施用后不同作物重金屬的生物富集系數(shù)，結(jié)果如表6所示。黑麥草中生物富集系數(shù)>0.5的重金屬元素有Cr、Cu、Cd，生物富集系數(shù)>1的重金屬元素有Zn。小青菜中生物富集系數(shù)>0.5的重金屬元素有Cd，生物富集系數(shù)>1的重金屬元素有Zn。

表6 復(fù)混肥施用后作物重金屬生物富集系數(shù)變化

2.3 污泥復(fù)混肥農(nóng)田最大限量推算

結(jié)合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，本次選用土壤中的Cd作為污泥復(fù)混肥農(nóng)用限制因子推算其最大限量。按每季常規(guī)施肥最大施用量225 kg·hm-2純氮投入量計(jì)算，則每季需施用污泥復(fù)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(fù)混肥每季輸入量及其在土壤中的增量

污泥復(fù)混肥限量參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)中的Cd限量來推算。該標(biāo)準(zhǔn)是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值，主要適用于農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等。三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是保障林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤限制值，當(dāng)土壤pH≤7.5時(shí)，土壤Cd的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.3 mg·kg-1，當(dāng)土壤pH>7.5時(shí)，土壤Cd的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.6 mg·kg-1。

綜合表7和土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，計(jì)算出不同pH土壤和不同施用量下的活性污泥復(fù)混肥的可施用次數(shù)(表8)。

表8 基于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2018)Cd限量的不同pH土壤復(fù)混肥施用次數(shù)

從以上結(jié)果可以看出，鎘元素是活性污泥復(fù)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(fù)混肥計(jì)算，平均施用次數(shù)為11次，即施用年限為11 a左右，鹽堿地條件可適當(dāng)放寬。

3 小結(jié)

活性污泥復(fù)混肥可以提高農(nóng)作物的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量，減少化肥投入量，但是復(fù)混肥施用仍存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，施用時(shí)需對(duì)其用量進(jìn)行限定，以土壤Cd 含量為0.15 mg·kg-1為例，每次復(fù)混肥施用量為1 500 kg·hm-2，其施用次數(shù)僅為11次。