城镇排水污泥制生物碳土在农林业中的应用研究进展

　　摘要：为进一步促进城镇排水污泥的资源化利用，本文对近年来国内外污泥制生物碳土在农林业领域应用的相关文献进行了整理，指出了污泥制生物碳土的生产方式和特点，系统地总结了施用污泥制生物碳土后对土壤理化性质和土壤中微生物及酶活性的影响，分析了农作物、草坪草、花卉及树木4类植物使用生物碳土后的生长效果。在此基础上提出了在农林生产中利用污泥制生物碳土现阶段仍需要解决的问题以及未来的发展方向。

　　关键词：城镇排水污泥;生物碳土;农林业生产;应用效果

　　城镇排水污泥为城镇污水处理厂在处理污水过程中产生的固态、半固态废弃物，其中包含大量的病原菌、寄生虫卵、重金属等有毒有害物质，组成成分极其复杂，是污水中各种有毒有害物质的集合体，具有体积大、含水量高等特点[1]。随着我国经济的发展及城镇化进程的加快，城市工业污水和生活污水的排放量日益增多，随之产生的污泥量也在不断增加。

　　据统计，截至2020年6月，我国城市年产生污泥量共计5000多万t(以含水率80%计，不含工业污泥)，预计到2022年将突破8909万t[2]。城镇污水处理率在2017年达到95%，但调查结果显示，污水处理厂产生的污泥中有70%均未得到妥善处理，“重水轻泥”现象较为突出，且污泥处置成本居高不下，约占污水处理厂总投资的30%～50%。

　　由此可见，污泥的处理已经成为当前城镇污水处理厂面临的严峻问题，如若处理不当，势必会造成对环境的二次污染[3]。目前国内外对污泥的处理方法主要为干化、脱水、填埋、焚烧、浓缩等方式相结合，发展最成熟的是污泥填埋、焚烧、堆肥等。污泥填埋是将处理污水产生的污泥进行统一回收，灭菌后集中运输到偏远低洼区域进行填埋处理，此种方式成本低、效果好，但占据空间大，影响城市土地规划，且随着时间的推移，易造成有害物质的下渗，污染土壤和地下水资源[4]。

　　污泥焚烧是在高温下燃烧污泥，除去其中的水分、有机物与病原菌，能够最大限度减小污泥的体积[5]，但污泥焚烧会产生大量灰分物质，不利于生态环保且处理费用偏高，难以实现大面积推广[6]。城市污泥中含有较为丰富的有机质及氮、磷、钾等营养元素，与普通土壤相比，可以更好地促进树木的生长，采用无害化污泥处理工艺将其进行堆肥，能够有效控制其中的病原体含量，且加工成本低，实用性强，在土地利用方面具有广阔的应用前景[7]。

　　结合我国国情，立足经济性与实用性角度，对污泥进行堆肥处理，变废为宝，进行土地的资源化利用将成为污泥处理的主要发展方向，而污泥制生物碳土就是城镇排水污泥为了实现资源化利用而加工产出的产品形式[8]。本文通过文献分析法从生产及特点、对土壤及植物的影响几个方面对污泥制生物碳土的应用进行了系统的总结，指出当前存在的问题并进行展望，旨在为污泥制生物碳土的合理利用的相关研究提供科学依据。

　　1城镇排水污泥制生物碳土的生产及特点

　　1.1城镇排水污泥制生物碳土的生产

　　污泥制生物碳土是指人工参与控制，使城市排水污泥中不稳定的有机质在微生物的发酵作用下，逐步降解和转化为腐殖质，此过程可有效杀死污泥中的病原菌与寄生虫卵，降低挥发性物质含量，同时在一定程度上消除恶臭。其生产工艺需满足污泥处理的无害化、减量化和资源化工作目标[9]。

　　目前，将污泥进行堆肥是获取污泥制生物碳土的主要途径，国内外对污泥堆肥技术的研究已经较为成熟。污泥堆肥根据不同的微生物生长环境，可以将堆肥过程分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。相较于厌氧堆肥，好氧堆肥周期较短，有机物分解速度更快，降解程度更为彻底，且在加工过程中不会产生恶臭，因此现代化的堆肥工艺一般均采用好氧堆肥方式[10]。

　　1.2城镇排水污泥制生物碳土的特点

　　污泥制生物碳土具有质地疏松、容重较小、养分含量高等特点，能够促进植物的生长，还可以改善土壤的物理、化学性质，是良好的土壤改良剂[11]。以北京市排水集团高碑店再生水厂为例，其生产的经堆肥工艺制得的污泥制生物碳土，结构松散，颗粒细小均匀，呈黑褐色，经检验其总养分[全氮(N)+全磷(P2O5)+全钾(K2O)]、有机质、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、砷(As)、蛔虫卵、大肠杆菌等指标含量均符合现行资源化利用的标准要求[12]。将城市排水污泥进行加工处理后制成生物碳土施用，旨在避免城市污泥对环境的二次污染，实现污泥的资源化利用，同时也能为农林业等以土地资源为主要生产要素的领域，提供充足的土壤改良剂，缓解肥料短缺现状，实现可持续发展[11]。

　　2城市排水污泥制生物碳土在农林业生产中应用效果

　　2.1施用污泥制生物碳土对土壤的影响

　　2.1.1对土壤物理性质的影响

　　土壤水为植物生长提供必要的水分供给，是影响植物生长的重要因素，也是土壤的重要组成部分和重要性质之一[13]。污泥颗粒细小，具有较低的渗透率，EI-Nahhal等[14]、Verlicchi等[15]将污泥施入土壤后，该土壤较一般的土壤具有更高的持水量和含水量;Chen等[16]通过试验得出，施用污泥堆肥能够促进土壤团聚体的形成，进而提高土壤团聚体的稳定性和保水保肥能力;Epstein等[17]研究发现，将污泥堆肥施入土壤后，土壤的保水储水能力有明显提高，能够有效缓解干旱期对植物的水分胁迫影响。土壤容重和孔隙度均是衡量土体结构的重要参数。

　　土壤容重越小，则表示土质越疏松，结构性良好;土壤孔隙度与土壤透水、透气性、导热性密切相关[18]。Mondal等[19]研究表明，施用污泥能够显著降低0～15cm土层的土壤容重，当施用量为15t·hm-2时，土壤容重较对照降低了14%;Tejada等[20]试验发现，污泥堆肥的施用增加了土壤孔隙度，有效降低了土壤地表板结;张增强等[21]、Mays等[22]均开展过污泥堆肥的施用试验，结果显示随着污泥堆肥施用量的增加，土壤容重逐渐降低，而孔隙度逐渐增加。

　　2.1.2对土壤化学性质的影响

　　土壤电导率能够反映土壤水溶性盐含量，是判断植物生长是否受土壤中盐离子胁迫的重要指标。前人研究指出，当土壤电导率超过3000μS·cm-1时，可能会对植物的生长产生抑制作用[23]。杨桐桐等[24]通过盆栽试验研究了城市污泥堆肥产品的施用效果，结果表明随着污泥堆肥施用比例的提高，土壤电导率也随着显著提高，当施用比例达到50%时，土壤电导率值升至2314μS·cm-1，但随着试验时间的延长，土壤电导率升高至峰值后开始迅速下降，施用污泥给土壤带来的盐度风险逐渐减弱，因此在污泥施用过程中需要密切专注土壤电导率值的变化情况。

　　pH是重要的土壤化学性质指标之一，能够直接反映出土壤的酸碱度情况，过高或过低均会抑制植物的生长。王晓辉等[25]通过大田玉米试验，将堆肥污泥以不同的添加比例施用于pH本底值为8.75的中度盐碱化土壤中，结果表明随着堆肥污泥施用量的增加，土壤pH显著降低，当污泥堆肥施入比例在40%～60%时，土壤pH在7.15～7.38，属于玉米生长的最适pH范围内，与唐银健等[26]在改良碱性滩涂土时施用堆肥污泥所取得的结果相似。生物碳土富含N、P、K等营养元素，能为土壤带来充分的养分补给，提高土壤的营养物质含量。

　　徐瑾等[27]研究发现，将脱水污泥施用于沙化土壤之后，土壤中的有机质、氮、磷含量也逐渐增加;辛涛等[28]通过盆栽试验发现，施用污泥堆肥能够显著提升土壤的有机质、全氮、全磷含量，当污泥堆肥施用量为30，60，90和120t·hm-2时，土壤中有机质、全氮、全磷含量较未施污泥对照组的增幅分别达到32.5%～52.1%、32.0%～95.3%、75.4%～236.3%，各养分含量均有极显著提升。

　　土壤中重金属元素的过度积累易造成环境污染，而城镇排水污泥中的重金属含量是其土地利用的限制因素，这一问题在国内外也备受关注。司莉青等[29]通过盆栽试验发现，污泥的短期施用基本不会造成土壤的重金属污染，但若施用周期长则需慎重考虑施用污泥后重金属带来的环境风险;Cogger等[30]在土壤中连续7年施用城市污泥，结果表明在土壤纵剖面上，重金属基本均集中在表层土壤，迁移速度较慢;此外还有Williams等[31]研究表明，如果将污泥林地施用量控制在4.5kg·m-2范围以内，污泥中含有的重金属元素就基本不会对植物、土壤以及地下水产生不良影响。

　　2.1.3对土壤中微生物及酶活性的影响

　　土壤中微生物与酶参与土壤中各种生物化学过程，其活性能够反映土壤生态状况下生物化学过程的相对强度，是评价土壤肥力的重要指标之一。胡自航等[32]采用随机区组试验设计，研究了城市污泥在人工林地施用2年后土壤微生物活性的变化，结果表明施用污泥堆肥2年后，土壤酶和微生物碳氮随污泥施用量的增加无明显变化趋势，但经污泥施用处理的样地的土壤酶指数和土壤呼吸强度均比未施污泥对照样地高，表明了污泥堆肥的施用能够提高土壤微生物酶活性。

　　杨长明等[33]通过盆栽试验展开添加污泥对巢湖流域废弃矿区土壤微生物特性的影响试验，结果表明在整个试验阶段，添加不同方式处理污泥后土壤中的脱氢酶、转化酶、脲酶、磷酸酶活性始终显著高于对照组。还有学者连续3年进行施用消化污泥的土柱试验得出，污泥的施用增加了苗圃土壤微生物的生物量和代谢活性，与无添加污泥的对照组相比，微生物生物量碳增加了207%，脲酶和碱性磷酸酶活性分别增加了118%和102%[34]。

　　2.2施用污泥制生物碳土对植物生长的影响

　　2.2.1对农作物生长的影响

　　污泥制生物碳土是对资源合理利用的产物，它不仅可以作为良好的土壤改良剂，还可作为一种缓释肥，为作物的生长发育提供养分，改良作物的生长状态，促进作物产量的提高。王新等[35]应用城市污泥进行试验研究，结果表明当污泥施用量为2.25和4.50kg·m-2时，水稻的各项生长指标均明显好于对照组，说明适量施用污泥能够促进水稻的生长发育，但超过这个施用量，则会使作物的生物产量降低;李文忠等[36]研究了污泥堆肥对夏玉米的影响，发现施用污泥堆肥能够提高夏玉米的产量，相较于空白对照组，夏玉米的产量增加率为5.4%～18.3%，且夏玉米籽粒尚清洁，重金属含量虽略有增加但均低于安全限值。

　　除了对作物种植影响的研究以外，污泥制生物碳土还常被用于蔬菜的生长过程中。史弋等[37]开展室内盆栽试验，结果表明当污泥添加量为3%～10%时，能够明显促进白菜的发芽，且白菜植株的株高、根长均明显高于对照组，表明污泥的施用为沙质土壤带来了养分，有利于白菜植株积累有机质;邵蕾等[38]以油菜为试验材料，通过盆栽试验研究不同量污泥有机肥的施用效果，结果显示污泥有机肥对油菜增产效果显著，当施用量超过200g·盆-1时增产效果不明显;王社平等[39]将研究不同量城市污泥堆肥的施用对青椒生长的影响，结果指出适量污泥堆肥的施用能够增加青椒的植株总干重并提高青椒的果实产量。这些研究均表明，一定量污泥制生物碳土的施用，可以促进蔬菜的生长，提升蔬菜的产量。

　　2.2.2对草坪草生长的影响

　　施用污泥制生物碳土能够促进草坪草的生长，改善草坪质量。田波[40]探究了污泥堆肥在草坪绿地上的施用效果，结果表明污泥堆肥的施用能够提高草坪草地下生物量，促进草坪的生长;崔丽芳[41]采用污泥提取液参与狗牙根、台湾青、黑麦草、高羊茅、马尼拉5种草坪草的生长进程后发现，污泥提取液对5种草坪草的株高、生长速度、生物量和叶绿素等方面均具有明显的促进作用;于安东[42]采用裂区设计展开试验，结果显示施用污泥可以在一定程度上减弱干旱对植物光合作用的有害影响，缓解植物叶片净光合速率的下降速度，从而提高黑麦草的耐旱能力。由此可见，施用污泥制生物碳土可以显著促进林木的生长，且与农用相比，生物碳土林用有着不可替代的优势，能够在为林木提供生长养分的情况下，避开人类食物链，更好地实现污泥资源化利用的目标。

　　3结语

　　现阶段，虽然我国已有许多针对污泥制生物碳土的研究，但相较于国外来说，各方面尚处于起步阶段。传统将污泥直接进行堆肥的处理工艺，制得的污泥产品仍存在含水量高，异味重等问题，近年来随着高级厌氧消化技术的兴起，为上述问题的解决提供了出路，即采用高温热水解预处理，显著提升污泥的脱水性能，产出的污泥产品能够更好地实现污泥资源化利用的目标，且现已在美国华盛顿特区水务项目中进行了应用，并取得了良好的收益。但目前国内对于高级厌氧消化新技术制成的污泥产品在农林业的应用研究鲜有报道，需要进一步研究和探讨。

　　在污泥资源化利用过程中，还需关注污泥中重金属元素的存在、部分污泥堆肥电导率高以及污泥中的硝酸盐问题，其中重金属元素作为污泥土地利用的最主要限制因素，对土壤环境与植物的生长具有隐蔽性及滞后性影响，难以消除且其对植物的影响会随着污泥中该元素的增加而增加，因此，需要将重金属元素作为污泥中有机污染物的主要代表，进行客观看待，同时也需要对施入污泥后的土壤与植株进行持续监测并定期作好环境风险评价[60-61]。总而言之，将污泥进行加工处理应用于农林业生产，是促进污泥废弃物进入绿地、变废为宝的有效消纳途径，污泥堆肥作为一种极具潜力的资源，需要科学利用，充分发挥其作用，为祖国绿水青山的构建助力。

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　　作者：马富亮1，孙昱2，彭祚登2，熊建军1，姚海1，崔超1，唐胶2