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污泥堆肥土地利用 重金屬去哪兒?

分類(lèi):固廢觀察 > 污泥治理    發(fā)布時(shí)間:2018年1月17日 9:21    作者:來(lái)源:環(huán)境論評(píng) 作者:方文 劉建國(guó)    文章來(lái)源:北極星固廢網(wǎng)

泥堆肥土地利用中重金屬的釋放、遷移與分配

1.前言

近年來(lái),隨著我國(guó)污水處理量的增加和處理標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格,生活污水處理廠污泥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)污泥)的產(chǎn)量也逐年增加,2015年已達(dá)到3500萬(wàn)噸。隨著我國(guó)污水處置效率和行業(yè)平均技術(shù)水平的進(jìn)一步提高,污泥量還會(huì)繼續(xù)增加。污泥富集了污水中約55%的有機(jī)質(zhì)、30~45%的氮和85~95%的磷,如能采用適當(dāng)技術(shù)加以回收利用,將成為重要的土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源;反之,如不能得到妥善處置,這些物質(zhì)將重新釋放到環(huán)境中,成為重要的污染源。我國(guó)污泥特性復(fù)雜,無(wú)害化處理率低,其安全高效的處置和利用是我國(guó)固體廢物處理和環(huán)境保護(hù)需要解決的重大課題之一。

根據(jù)污泥性質(zhì)和含水率的不同,污泥處理方式包括填埋、焚燒、堆肥、厭氧消化、建材化等。土地利用,即將污泥進(jìn)行堆肥、厭氧消化等穩(wěn)定化處理后將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園林綠化、土地修復(fù)等領(lǐng)域,在穩(wěn)定化的過(guò)程中,污泥的含水率快速降低,易降解有機(jī)物大量降解,生物病原體在高溫過(guò)程中被大量消滅。美國(guó)和歐盟通過(guò)土地利用的污泥量已經(jīng)占到污泥總量的45~50%左右,成為主要的污泥處理技術(shù),主要是因?yàn)椋?1)污泥中富含N、P等植物生長(zhǎng)的必需元素,是一種無(wú)機(jī)化肥的良好替代材料;(2)污泥經(jīng)過(guò)堆肥等穩(wěn)定化過(guò)程后,可形成大量腐植酸類(lèi)物質(zhì),改善土壤有機(jī)質(zhì)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性和土壤水分滯留能力;(3)污泥土地利用形成了土壤的碳匯,增加土壤碳庫(kù)的儲(chǔ)存量,減少了對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。雖然土地利用是我國(guó)極具潛力的污泥處理技術(shù)發(fā)展方向之一,但污泥中含有重金屬、有機(jī)污染物等有毒有害物質(zhì),在土地利用的過(guò)程中可能累積在土壤中,并被植物吸收,造成環(huán)境污染與健康危害,值得高度關(guān)注和深入研究。

2.我國(guó)污泥中重金屬含量及變化趨勢(shì)

我國(guó)污泥中重金屬含量變化范圍較大,數(shù)據(jù)較為離散,但總體而言高于美國(guó)和歐盟。尤其是部分地區(qū)由于污水處理系統(tǒng)尚不完善,存在工業(yè)污水與生活污水混合處理的情況。同時(shí),由于我國(guó)不同區(qū)域地理氣候特點(diǎn)、工業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平各不相同,導(dǎo)致污水組成和污水處理系統(tǒng)設(shè)置差異明顯,并對(duì)污水污泥中重金屬含量產(chǎn)生影響。研究表明東南方地區(qū)的城市污泥中重金屬Zn、Cu、Cd、Cr、Ni含量均處于較高水平,這可能與該地區(qū)工業(yè)密集程度高及人類(lèi)活動(dòng)開(kāi)發(fā)程度高有關(guān)。張麗麗等對(duì)近30年我國(guó)城市污水污泥中重金屬的年代變化規(guī)律進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)污水污泥中重金屬Cd和Cu的含量隨年代逐漸下降,分別由20世紀(jì)80年代的2.35 mg/kg和428 mg/kg下降到近10年的1.14 mg/kg和278 mg/kg。郭廣慧等、楊軍等、陳同斌等分別于2013、2006、2001年對(duì)我國(guó)城市污泥中重金屬含量進(jìn)行調(diào)研分析,三次調(diào)查結(jié)果對(duì)比表明,污泥中的重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)含量隨時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)。隨著污水處理全過(guò)程監(jiān)管水平的提升,污泥中重金屬含量還會(huì)進(jìn)一步降低,同時(shí)有機(jī)質(zhì)和N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量進(jìn)一步升高,污泥堆肥土地利用的可行性不斷提高。

雖然堆肥后土地利用已成為我國(guó)污泥處理的重要發(fā)展方向,但其中重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)仍是制約污泥堆肥土地利用的瓶頸問(wèn)題。污泥堆肥土地利用后,重金屬可在降雨或灌溉水的淋濾作用下,由土壤-堆肥混合體浸出釋放到土壤水,進(jìn)而被植物吸收,或隨土壤水遷移至地下水,產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本課題組以重金屬向水環(huán)境的釋放特性研究為核心,針對(duì)我國(guó)典型土壤環(huán)境及污泥堆肥特性,通過(guò)系列動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)、土壤環(huán)境模擬、田間試驗(yàn)與地球化學(xué)模擬,分析污泥堆肥施用后,不同土壤環(huán)境下(土壤酸堿條件、有機(jī)物降解、氧化還原電位變化)重金屬的釋放與分配的規(guī)律及控制過(guò)程,揭示污泥堆肥多年周期性施用對(duì)重金屬釋放與分配的動(dòng)態(tài)性、累積性影響,闡明污泥堆肥田間施用中重金屬的釋放與遷移規(guī)律,為污泥堆肥安全土地利用提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

3.污泥堆肥與土壤理化性質(zhì)、重金屬含量及賦存形態(tài)比較

選取我國(guó)蘇州、昆明的兩種典型代表土壤(壤土、粘土)和污泥堆肥為研究對(duì)象,對(duì)比污泥堆肥與空白土壤的理化特性、重金屬總量和形態(tài)的差異。研究顯示污泥堆肥的有機(jī)物和鐵水合氧化物的含量均明顯高于土壤(見(jiàn)表1),污泥堆肥的長(zhǎng)期土地利用可能增加土壤中有機(jī)物和鐵水合氧化物含量,有利于增加土壤肥力,也有利于重金屬固定。污泥堆肥中重金屬As、Cd、Cu和Ni的總量為對(duì)照土壤含量的2~3倍,長(zhǎng)期使用無(wú)疑會(huì)增加土壤中重金屬總量,但是真正影響環(huán)境安全的不是重金屬總量,而是可浸出釋放量。在土壤主要pH范圍內(nèi)(5

表1 污泥堆肥與土壤基本理化性質(zhì)對(duì)比

    
           

圖1 污泥堆肥和兩種土壤中重金屬形態(tài)分析

4.土壤環(huán)境對(duì)污泥堆肥中重金屬釋放的影響

在污泥堆肥施用到土壤中后,土壤中的生物地球化學(xué)過(guò)程將影響重金屬的釋放。首先,重金屬的浸出隨著pH的變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)(圖2),在酸性條件下,金屬呈自由離子態(tài)溶出,在堿性條件下,金屬浸出濃度的升高主要與有機(jī)物有關(guān),污泥堆肥的施用增加了重金屬Cr、Cd、Cu和Pb在堿性條件下的釋放能力,這是由于污泥堆肥增加了土壤中有機(jī)物含量,尤其是腐植酸類(lèi)物質(zhì),在堿性條件下大量溶出,溶解性有機(jī)物的絡(luò)合促進(jìn)了重金屬Cr、Cd、Cu和Pb的溶出。


圖2 土壤、污泥堆肥、土壤和污泥堆肥混合物中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb的浸出濃度隨pH的變化規(guī)律。

除了pH,土壤中有機(jī)物種類(lèi)和含量也是影響重金屬釋放的主要因素。污泥堆肥施用到土壤中后,由于污泥堆肥的有機(jī)物含量較高,因此仍會(huì)發(fā)生有機(jī)物降解的情況。研究結(jié)果顯示,在模擬旱田的好氧環(huán)境下,經(jīng)過(guò)180天的穩(wěn)定時(shí)間,總有機(jī)碳降解約10%,溶解性有機(jī)碳降解約45%。溶解態(tài)有機(jī)物和顆粒態(tài)有機(jī)物對(duì)重金屬的釋放有著相反的作用,溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)會(huì)通過(guò)絡(luò)合作用促進(jìn)重金屬釋放,而顆粒態(tài)有機(jī)物通過(guò)吸附作用促進(jìn)重金屬固定,當(dāng)溶解性有機(jī)物降解45%,而顆粒態(tài)有機(jī)物含量變化較小時(shí),溶解性有機(jī)物與重金屬的絡(luò)合作用降低,而顆粒態(tài)有機(jī)物對(duì)重金屬的吸附能力無(wú)明顯變化,導(dǎo)致與有機(jī)物結(jié)合能力較強(qiáng)的重金屬Cd、Cu釋放能力的降低。在模擬水田的厭氧條件下,土壤氧化還原電位的變化是影響重金屬釋放的主要因素,在還原性條件下,As在堿性條件下釋放潛能的增加,這是由于還原性條件的形成,三價(jià)鐵被還原為二價(jià)鐵,鐵水合氧化物含量降低,對(duì)As的吸附能力減弱。

5.污泥堆肥周期性施用過(guò)程中重金屬的釋放與分配

在實(shí)際場(chǎng)景下,污泥堆肥為多次且周期性施用到土壤中,在該情景下,土壤的組分特征和理化特性持續(xù)處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中,導(dǎo)致土壤中重金屬的總量、賦存和釋放狀態(tài)和也持續(xù)處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中。因此使用動(dòng)態(tài)淋濾柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M污泥堆肥土地利用實(shí)際場(chǎng)景,周期性多次添加污泥堆肥,分析重金屬的浸出濃度隨污泥堆肥施用次數(shù)的變化,探究污泥堆肥多次周期性施用過(guò)程中,重金屬向水環(huán)境的釋放潛能及在土壤中的累積存量和賦存狀態(tài)。

研究顯示,污泥堆肥的多次施用明顯增強(qiáng)了As的釋放風(fēng)險(xiǎn)。首先,污泥堆肥的施用明顯增加了As在低固液比(<1 L/kg)下的浸出濃度,初始浸出濃度由0.004~0.01 mg/L增加到0.03~0.04 mg/L;其次,隨著有機(jī)物含量的逐漸增加,微生物對(duì)有機(jī)物的降解導(dǎo)致氧氣的快速消耗,易形成還原性條件,As的浸出濃度快速上升。對(duì)于污泥堆肥多次周期性施用過(guò)程中重金屬的變化進(jìn)行總量衡算如圖3所示。進(jìn)行4次污泥堆肥連續(xù)施用后,由污泥堆肥引入的重金屬占總量的10~40%,所引入的重金屬大部分殘留在土壤中,累積釋放率<5%;在較強(qiáng)的還原性條件下,As的累積釋放率占重金屬總量的15.7%。因此污泥堆肥在施用時(shí),應(yīng)該注意控制土壤的氧化還原電位,避免采用連續(xù)灌溉等農(nóng)田管理措施。對(duì)于有機(jī)物含量較低的土壤,污泥堆肥的多次施用可以增加土壤中固體有機(jī)物的含量,增加土壤對(duì)重金屬Cr和Pb的吸附能力,降低其釋放濃度。


圖3 污泥堆肥多次周期性施用過(guò)程中重金屬釋放量衡算

6.污泥堆肥田間施用中重金屬的釋放、遷移與分配

由于污泥堆肥實(shí)際施用場(chǎng)景中影響因素較多,如地表徑流、植物種植、間歇性降雨灌溉等,因此,通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)(圖4),分析污泥堆肥多年周期性施用的情景下,污泥堆肥的施用對(duì)土壤中重金屬總量、浸出特性以及植物體內(nèi)重金屬含量的影響。


圖4 田間試驗(yàn)實(shí)際場(chǎng)景圖

研究結(jié)果顯示,污泥堆肥施用率、污泥堆肥施用次數(shù)對(duì)土壤重金屬總量有顯著影響。當(dāng)污泥堆肥施用率為33噸/公頃(每年施用2次)時(shí),明顯增加了土壤中Cd和Cu的濃度。污泥堆肥次數(shù)的增加明顯增加了土壤(尤其是污泥堆肥施用層0~10 cm土壤)中重金屬含量。在3年的污泥堆肥施用時(shí)間里,不同施肥處理及施肥次數(shù)對(duì)植株(水稻,小麥)秸稈和果實(shí)內(nèi)的重金屬含量無(wú)明顯影響。水稻及小麥對(duì)重金屬的吸收與土壤中重金屬總量、在自然條件下的可釋放量和土壤主要pH范圍內(nèi)最大釋放量無(wú)顯著相關(guān)性。

當(dāng)污泥堆肥為33噸/公頃(每年施用2次)時(shí),3年的施用明顯增加了污泥堆肥施用層(0~10cm)土壤中重金屬Cd、Cr、Cu和Pb在堿性條件下的浸出濃度,這與溶解性有機(jī)物濃度的增加有關(guān),重金屬As和Ni在整個(gè)pH范圍內(nèi)的浸出濃度均有所增加。由于土壤的主要pH范圍大約為5

                                                               表2 污泥堆肥田間施用對(duì)植物和表層土壤的影響


結(jié)論

(1)污泥堆肥中有機(jī)物和鐵水合氧化物的含量均明顯高于土壤,有利于重金屬固定;與此同時(shí),污泥堆肥中各種重金屬總量均高于對(duì)照土壤,土地利用會(huì)增加土壤中重金屬總量。污泥堆肥和土壤中重金屬賦存的化學(xué)形態(tài)基本一致,Cr、Cu和Cd主要吸附在固體有機(jī)物表面,Ni和Pb主要吸附在固體有機(jī)物和鐵鋁氧化物表面,As主要吸附在鐵鋁氧化物表面,同時(shí)易與鈣離子和磷酸根形成共沉淀。

(2)pH、有機(jī)物組成含量變化、氧化還原條件改變是影響污泥堆肥中重金屬釋放的主要因素。堿性條件下顆粒態(tài)有機(jī)物向溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化,重金屬與溶解性有機(jī)物絡(luò)合,釋放能力增強(qiáng)。

(3)旱田的氧化性條件促進(jìn)了溶解性有機(jī)碳的降解,強(qiáng)化了Cd和Cu在顆粒態(tài)有機(jī)碳上的吸附固定。水田的還原性條件下,F(xiàn)e(III)被還原為Fe(II),鐵的水合氧化物含量降低,對(duì)As的吸附能力減弱。

(4)污泥堆肥的多次施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,提升了微生物活性對(duì)土壤中氧氣的消耗能力,強(qiáng)化了還原性條件的形成。在還原性條件下,As的浸出濃度上升約1個(gè)數(shù)量級(jí),累積釋放量可達(dá)到總量的15.7%,因此在降雨豐富及連續(xù)灌溉等易形成還原性條件的土壤環(huán)境中,不宜施用富含As的污泥堆肥。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量低的土壤,污泥堆肥多次施用可增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬Cd、Cu、Pb的吸附固定。

(5)污泥堆肥的3年田間施用顯著提升了污泥堆肥施用層(0~10 cm)土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、鐵水合氧化物含量,有機(jī)物含量的上升及其在堿性條件的溶解,導(dǎo)致重金屬在偏堿性環(huán)境中釋放能力顯著高于對(duì)照土壤。污泥堆肥的施用對(duì)小麥及水稻中重金屬含量無(wú)顯著影響。表層0~10 cm土壤對(duì)重金屬的阻滯固定能力強(qiáng),10~20 cm的土壤中重金屬含量及釋放特性未受到污泥堆肥施用的影響。


來(lái)源:環(huán)境論評(píng)  作者:方文  劉建國(guó)

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