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随着城市污水处理量的大幅度增加,城市污泥产量亦逐年提高,由此带来的城市污泥的处理处置已经成为日益突出的难题。据统计,2020年我国城市污泥产量将突破6.00×107~9.00×107 t[1]。城市污泥的最终处置方式主要为土地利用、焚烧、填埋、建材利用等。其中,污泥林地利用具有诸多优势,可以充分利用污泥中的营养元素及有机质,达到增加土壤肥力、改善植物生长状况等目的[2-3];同时,此处置方式还能避免污泥进入食物链,从而避免对人群健康的影响[4]。但是,城市污泥中存在的重金属是制约其土地利用的主要因素[5-6]。有研究[7]表明,城市污泥中的重金属会以不同的形态存在于土壤环境中。其中,Cu、Cd以及Hg等毒性较强的重金属以残渣态存在,而Zn和Ni主要以不稳定态存在。重金属在土壤中的累积可能导致超标,进而危及到土壤环境安全。因此,污泥产品施用于林地后带来的重金属环境风险问题值得关注。
为评价污泥产品在林地中长期施用可能带来的生态环境风险,本研究连续5年将城市污水处理厂污泥堆肥产品施用于供试林地,结合施肥过程中连续5年监测的土壤重金属(Cu、Zn、Hg、Cr、Cd、Pb、As、Ni等)含量变化数据,分析污泥堆肥泥质、不同的施肥比例以及连续追肥等因素对土壤重金属产生的环境风险影响;并依据数学模型预测多年连续施肥给土壤带来的环境风险,以期为城市污水处理厂污泥的林地利用提供参考。
连续施用城市污泥后林地土壤中重金属的含量变化及生态风险
Eco-environmental risk assessment of urban sludge application in forest land
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摘要: 将堆肥污泥施用于林地能够增加土壤肥力,促进林木增长,具有广阔的应用前景,但污泥中所含重金属进入土壤环境后的积累特征及所引起的生态风险问题亦备受关注。连续5年将污泥堆肥产品施用于林地并对相应林地土壤重金属含量进行了同步监测,采用单因子指数法和潜在生态危害指数法分析评价了污泥堆肥泥质、污泥堆肥不同施用比例以及是否连续施肥等因素对土壤重金属环境风险的影响;并利用相关分析和基于相关系数的聚类分析揭示了土壤重金属来源与施用污泥的关系。结果表明,污泥堆肥中的Hg、Cd、Zn、As、Pb存在较大生态风险;污泥堆肥施用比例为10%和20%时,产生的生态风险较低,而施肥比例为30%和40%时的生态风险较大。施用污泥堆肥后土壤中重金属含量具有一定的累积效应,但均未超过《土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)(6.5≤pH≤7.5)限定的含量。土壤重金属累积模型预测结果表明,施肥比例为10%的林地在连续施肥11年后,土壤重金属含量将会超标,即10年内连续施肥较为安全。连续施肥后的林地土壤重金属含量间相关性分析表明,土壤中的重金属并非全部来源于堆肥污泥,大气沉降、降水、土壤母质等因素也影响了土壤的重金属含量。本研究可为林地施用污泥产品提供参考。Abstract: The usage of sludge as fertilizers for forest land can improve the soil fertility and the plant growth, but the environmental risks of sludge usage are still unclear due to the relative high concentration of heavy metals in the sludge. Based on the five-year data of heavy metal concentration in the soil after the use of sludge as fertilizers, the single-factor index method and the potential risk hazard index method were used to investigate the effects of sludge properties, sludge dosage and continuous fertilization on the environmental risks of heavy metal in this study. The correlation analysis was also conducted to investigate the relationship between the change of heavy metal in soil and the use of sludge. The results showed that Hg, Cd, Zn, As and Pb in sludge had greater environmental risks, compared to other heavy metals. When the sludge dosage was 10% and 20%, the environmental risks were low. However, the risk to the environment was greater when the sludge dosage was 30% and 40%. The monitoring results showed that the heavy metals in the soil has accumulated but not exceeded Soil Environmental Quality Risk Control Standards for Soil Contamination of Agricultural Land (GB 15618-2018) (6.5≤pH<7.5) in five years. According to the prediction model of soil pollutant accumulation, it showed that the heavy metal concentration in the soil would exceed the standard in the 11th year when the fertilization ratio was 10%, indicating that fertilization was safer in 10 years. Based on the correlation analysis, heavy metals in soil might be affected by various factors such as fertilizer sludge, atmospheric sedimentation, precipitation, and soil parent material. This study can provide a reference for the application of sludge products in forest land to avoid the risk of heavy metals.
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表 1 污泥堆肥产品重金属含量
Table 1. Heavy metal content in sludge composting products
mg·kg−1 施肥日期 Zn Cd Hg Pb As Cr Cu Ni 2015年5月 580 0.12 5.81 15 6.08 45 29.1 133 2016年6月 1 000 1.42 7.76 46 8.79 101 28.4 219 2017年11月 708 1.21 3.89 19 1.78 72 22.7 148 2018年10月 486 <5 6.24 25 7.47 49 21.9 181 表 2 潜在生态危害系数和危害指数与污染程度关系
Table 2. Relationship between potential ecological hazard coefficient and hazard index and pollution degree
污染程度 潜在生态风险指数EI 综合生态风险指数RI 低 ≤40 ≤150 中等 40~80 150~300 可接受 80~160 300~600 高风险 160~320 600~1200 非常高 >320 >1200 表 3 10%配比污泥堆肥施用后土壤重金属含量预测
Table 3. Prediction of soil heavy metal content after application of 10% proportioned sludge compost
mg·m−1 数值来源 累积施肥时间 Zn Cd Hg Pb As Cr Cu Ni 预测值 第1年 64.28 0.02 0.26 1.52 3.08 13.40 16.38 11.13 第2年 78.19 0.02 0.38 1.96 3.24 14.67 20.33 11.91 第3年 91.41 0.03 0.48 2.41 3.39 15.92 24.25 12.69 第4年 103.96 0.03 0.57 2.84 3.55 17.16 28.13 13.46 第5年 128.29 0.07 0.70 4.23 3.78 20.09 34.62 14.20 第6年 151.41 0.12 0.81 5.60 4.01 22.98 41.03 14.93 第7年 173.37 0.16 0.90 6.96 4.24 25.84 47.39 15.65 第8年 194.23 0.20 0.98 8.30 4.47 28.68 53.68 16.37 第9年 214.05 0.24 1.05 9.63 4.70 31.48 59.91 17.08 第10年 232.87 0.28 1.11 10.95 4.92 34.26 66.08 17.78 第11年 250.76 0.32 1.16 12.25 5.14 37.01 72.18 18.48 国家标准 GB 15618-2018 250 0.3 2.4 120 30 200 100 100 2015年4月 49.63 0.02 0.12 1.07 2.92 12.13 12.38 10.34 实测值 2015年5月 58.32 0.01 0.34 3.58 3.91 17.60 17.29 22.40 2016年6月 121.21 0.16 0.08 10.92 8.88 14.88 23.61 26.89 2017年12月 199.08 0.87 0.30 32.21 5.45 2.56 17.45 16.45 2019年5月 52.15 0.06 0.87 17.46 13.15 40.89 12.85 20.04 注:2015年4月的实测值为本底。 表 4 白皮松林地土壤中重金属的相关性
Table 4. Correlation of heavy metals in the soil of Pinus bungeana forest
重金属元素 Cd As Cr Hg Ni Pb Zn Cu Cd 1 0.046 −0.233 0.124 −0.06 −0.072 0.734* 0.686* As 0.046 1 0.783** 0.468 0.524 0.485 0.548 −0.139 Cr −0.233 0.783** 1 0.591 0.344 0.504 0.249 −0.27 Hg 0.124 0.468 0.591 1 −0.277 0.818** 0.366 0.131 Ni −0.06 0.524 0.344 −0.277 1 −0.066 0.299 −0.141 Pb −0.072 0.485 0.504 0.818** −0.066 1 0.319 0.168 Zn 0.734* 0.548 0.249 0.366 0.299 0.319 1 0.461 Cu 0.686* −0.139 −0.27 0.131 −0.141 0.168 0.461 1 注:*在0.05下显著,** 0.01下显著。 -
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