脱水污泥对黑麦草生长的影响*

王宪庆，宋泓辰，孔春朵，杨其学，张　旋

(齐鲁工业大学环境科学与工程学院，山东　济南　250353)



脱水污泥对黑麦草生长的影响*

王宪庆，宋泓辰，孔春朵，杨其学，张旋

(齐鲁工业大学环境科学与工程学院，山东济南250353)

以济南市西区污水处理厂的脱水污泥为研究对象，研究了掺加不同配比污泥的土壤对黑麦草的生物量，重金属吸收量的影响。结果表明，污泥中的有机质、氮、磷等肥效成分丰富，其Cr、Cu、Zn、Pb、Ni重金属含量明显高于背景土壤，但在园林绿化用泥标准之内。污泥能有效促进黑麦草的生长，当污泥的添加量为20%时，黑麦草的株高、干湿生物量和叶绿素含量均取得最大值，污泥添加量超过20%时抑制作用明显。黑麦草对不同重金属有不同的吸收规律。

脱水污泥；黑麦草；生物量；重金属

随着经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市污水处理量必将有很大的提升，作为污水处理过程副产物的污泥的产量也在快速增加。截至2012年底，全国城市污水处理厂产生的污泥(含水率以80%计)高达4000万吨/年左右，而且还在以每年10%～15%的速度增加[1]。污泥中不仅含有丰富的有机物质，还含有大量病原微生物、寄生虫卵或重金属等有害物质[2]，从污泥中检测到的192种化合物中有99种被确定为有害化合物[3]。如果不经合理的处理和处置，必然会对环境造成严重的二次污染。2010年，我国城市污水厂污泥无害化处置率不足25%。鉴于我国污泥处理的落后状况，国家“十二五”规划已经将污泥处理处置问题作为“十二五”的重点问题。因此，打破传统的污泥处置方式，探寻一种成本费用低，既能充分利用污泥有机质和营养成分，又不危害生态环境的污泥处置技术变得尤为重要。

城市污水厂污泥用于园林绿化施肥既可以充分利用污泥中的营养成分，又杜绝了其中有害成分进入食物链的可能，因此，污泥用于园林绿化植物必将成为污泥处置的一种重要方式。

本研究利用城市污水厂脱水污泥作为常见草坪草黑麦草的肥料，研究了施用污泥对黑麦草生长的影响，这对于充分利用污泥中的有益成分，解决现在面临的污泥处理和处置难题，实现污泥的资源化利用具有重要的意义。

1　实　验

1.1实验原料

背景土壤：取自齐鲁工业大学长清校区内20～30 cm的熟土。脱水污泥：取自济南市西区污水处理厂的脱水污泥，固含量20%～30%。分别将其自然风干后，拣去植物残体与石头颗粒等杂质，用粉碎机粉碎后过25目筛，装袋密封备用，另一部分过100目筛测定各种理化指标和重金属用。

1.2主要设备及仪器

pHS-3C型pH电极，上海仪电科学仪器股份有限公司；LDO101电导率仪，美国HACH公司；722N可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；TU-1901紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；Optima 2000DV电感耦合等离子体发射光谱仪，美国PE公司。

1.3分析测试方法

土壤和污泥的含水率采用重量法，pH采用电极法，电导率采用5:1浸提-电导法，有机质含量采用重铬酸钾容量法，总氮(TN)采用半微量凯氏法，总磷(TP)采用硫酸-高氯酸消煮法，速效氮采用碱解扩散法，速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗分光光度法，重金属(Cu、Zn、Pb、Ni等)和总钾(TK)采用常压消解电感耦合等离子体发射光谱法测定。

1.4黑麦草的种植及生物量的测定

黑麦草于2015年9月28日种植，污泥肥料投加比例(重量比)分别为0%(对照组)、5%、10%、20%、30%和40%。采用长方形塑料容器，面积约为0.1 m2，每个处理设置3个平行，按18 g/m2的播种量播种。基质混配均匀后，将种子均匀撒播到土壤表面，覆土约0.5 cm后采用喷洒的方式洒水，避免种子被冲刷。播种45天后从每个平行样中任意选取10～12株黑麦草测其株高和分蘖数，收割后测定其生物量及叶绿素含量，215天后，从每个平行样中任意选取10～12株黑麦草，洗净植株后，测其根长。

2　结果与讨论

2.1土壤和污泥的基本理化性质

表1　土壤和污泥的基本理化性质

表1为土壤和污泥的基本理化性质。从表1中可以看出污泥pH与背景土壤的pH相近，适合黑麦草的生长。电导率是衡量可溶性盐分含量多少的一个重要指标，可溶性盐分含量过高会抑制植物生长，严重时会出现烧根现象。污泥的电导率(EC)为1.92 mS/cm，明显高于土壤的电导率0.11 mS/cm，说明污泥中可溶性盐含量较高，如果施加量较多，可能会对黑麦草生长产生不利影响。阳离子交换量(CEC)是评价土壤缓冲能力、保水保肥能力的一项重要指标，CEC越高，土壤缓冲能力、保水保肥能力越好。污泥中的阳离子交换量(CEC)为，污泥中的阳离子交换量(CEC)约为土壤中的6倍，这说明污泥具有很好的保肥能力污泥作为肥料将有效改善土壤保肥保水差的特点。

2.2土壤和污泥的肥效性质

污泥中肥效成分的含量是衡量其用于园林绿化价值的主要因素。表2对比了污泥样品和土壤中的有机质及氮磷钾等营养成分的含量，从表2中可以看出，污泥中的有机质、TN、TP和速效氮、速效磷远远高于土壤，分别是土壤中相应指标的27倍、129倍、43倍、43倍和49倍，污泥中总钾的含量为6.04 g/kg，与土壤中的总钾含量差别不大，这与我国污水处理厂中钾含量平均值(5.83 g/kg)基本一致[5]；与猪粪和牛粪相比，各种指标除速效磷外都低于这两种优良的有机肥，但污泥作为一种废弃物，其有机质、N和P都远高于土壤中的相应肥效成分，营养成分满足GB/T23486-2009中总养分[总氮(以N计)+总磷(以P2O5计+总钾(以K2O计)]≥3%的要求，说明污泥肥效成分极为丰富，完全能够满足植物生长需求。

表2　土壤和污泥的肥效成分含量

注：测定结果均为干基。下文中如不特别注明均为干基。

除肥效指标外，污泥中的重金属含量也是需要关注的指标，表3 列出了土壤及污泥中重金属含量及农用污泥和园林用泥的重金属应用标准。从表3中可以看出，污泥中的重金属含量远高于土壤，其锌、铜、镍、铅含量分别是土壤中的275、6、10、11倍；污泥中的铬含量为106.5 mg/kg，在土壤中未检出；土壤和污泥中均未检出镉。虽因锌含量过高该污泥不能直接农用，但是适合园林用泥标准，可直接用于园林绿化。

表3　土壤及污泥的重金属含量和重金属应用标准

注：“—”为未检出，农用泥质标准为《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》(GB/T 309-2009)中的B级标准，园林用泥标准为《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T23486-2009)中标准。

2.3污泥对黑麦草生长状况的影响

图1　不同污泥用量对黑麦草生长情况的影响

实验过程中发现不添加污泥的对照组黑麦草最先发芽，其它施加不同用量污泥的黑麦草种子发芽均比对照组晚2～3天，说明污泥中的重金属等有害物质抑制了黑麦草出芽。

图1中(A)、(B)为不同污泥施加量对黑麦草株高、根长及分蘖数的影响。可以看出，施加污泥促进了黑麦草的生长，污泥施加量在10%～20%之间时，黑麦草的株高和分蘖数都处于最高值。在污泥施加量为5%时，黑麦草根长最大，背景土壤中黑麦草根长次之，这可能是由于未经堆肥腐熟的污泥对草坪草的促进作用主要表现在地上，施用量较大时会对地下部分产生抑制作用[5]。图1(C)、(D)为不同污泥施加量对黑麦草生物量及叶绿素含量的影响。当污泥施加量为20%时，黑麦草地上部分的生物量最大，叶绿素含量最高。综上所述，污泥用量在0%～20%范围内时，随污泥用量的增加，黑麦草的株高、分蘖数、湿重、干重、叶绿素含量均呈增加趋势；当施加量达到20%时，各种生物量指标达到最大；若继续增加污泥用量，各种生物量指标反而会下降，说明施加一定用量的污泥可有助于黑麦草生长，但如果用量过高，由于污泥中重金属等有害物质的含量也会增高，重金属对黑麦草的抑制作用占主导反而对其生长不利，10%～20%是较合适的施用范围，污泥中丰富的营养成分有利于黑麦草的生长，但由于用量较低，重金属等有害成分的抑制作用还不明显。

2.4黑麦草对重金属吸收的研究

污泥中含有多种重金属，可能被黑麦草吸收，草坪草需经常修剪，如果黑麦草体内重金属含量过高，则需谨慎处理割下的黑麦草，需要投入更多人力物力。因此，对收获的黑麦草样品进行了重金属含量分析。分析结果见表4。由表4可以看出，与对照组相比，施加污泥的黑麦草中重金属含量增加，不同的重金属在黑麦草中吸收规律不同。黑麦草中的Cr、Pb两种重金属含量随污泥施加量增加变化不大，而Cu和Zn含量随污泥用量增加而增加，当污泥施加量为20%时达到最大，污泥用量为30%、40%时，其黑麦草中的Cu、Zn含量反而下降，黑麦草中的Ni含量在污泥施加量为40%时达到最大。这可能是由于在污泥中不同重金属的存在状态不同，污泥中的Cr、Pb可能主要以稳定态存在的，使得被黑麦草吸收的Cr、Pb随污泥用量的变化不大。

表4　不同污泥施加量条件下黑麦草中重金属含量

3　结　论

(1) 污泥具有合适的pH和较高的CEC可用于土地利用，较高的有机质和N、P可满足黑麦草生长需要，其中的重金属等有害成分会抑制黑麦草种子萌发。所以污泥不适合在育苗期施用，在黑麦草成长期施用为宜。

(2)当污泥的添加量为20%时，黑麦草株高、分蘖数、叶绿素以及地上部分生长量等均可达到较高水平，由此可见污泥能有效促进黑麦草的生长。添加量为30%时开始出现抑制现象，黑麦草的各种生长量指标反而下降。

(3)黑麦草在生长过程中，六种重金属元素都出现了不同程度的吸收，所以，若长期施用污泥肥料，应对黑麦草进行妥善处理避免形成二次污染。不同的重金属在黑麦草中吸收规律不同，这可能是由于污泥中重金属的存在状态不同，污泥用量增加，黑麦草中的Cr、Cu、Pb三种重金属含量变化不大，说明这三种金属在污泥中主要以稳定态存在。

[1]住房城乡建设部. 住房城乡建设部关于全国城镇污水处理设施2012年第四季度建设和运行情况的通报(城建[2013]21号)[Z].

[2]Cheng M M, Mu L H, Huang Y J, et al. Total concentrations of heavy metals and occurrence of antibiotics in sewage sludges from cities throughout china[J]. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(6):1123-1135.

[3]Yang J, Lei M, Chen JB, et al. Current status and developing trends of the contents of heavy metals in sewage sludges in China[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2014(5): 719-728.

[4]刘新安. 西安城市污水处理厂污泥在市政园林绿化中的应用研究[D]. 西安:西安建筑科技大学硕士学位论文，2012.

[5]赵方莹,李文忠,张雪彪,等. 不同性状城市污水污泥在草坪生产中的应用研究[J]．环境污染与防治，2011,33(8): 32-35.

Influence of Dewatering Sludge on the Growth of Ryegrass*

WANG Xian-qing， SONG Hong-chen， KONG Chun-duo， YANG Qi-xue, ZHANG Xuan

(College of Environmental Science, Qilu University of Technology, Shandong Jinan 250353, China)

The dewatering sludge from the wastewater treatment plant in the west of Jinan was mixed with different proportion of soil and the mixture was used substrate to plant ryegrass. The influence of the sludge on the production of ryegrass and the content of heavy metals assimilated by ryegrass was studied. The results showed that the contents of organic matter, N and P were rich in the raw sludge and contents of heavy metals such as Cr, Cu, Zn, Pb, Ni were obviously higher than those in soils. The raw sludge met the quality standards of sludge used in gardens and parks. The sludge could effectively promote the growth of ryegrass. When the applied amount of sludge reached 20%, the maximal values for plant height, dry and wet biomass and chlorophyll content were obtained. If the applied amount of sludge exceeded 20%, the obvious inhibitory effect was showed. The ryegrass exhibited different rules for different heavy metals uptake.

dewatering sludge; ryegrass; production of plants; heavy metals

大学生创新创业训练计划项目(项目编号:201510431028)。

王宪庆(1993-)，男，在读本科生，专业：环境科学。

张旋，女，博士，副教授，研究方向：水污染控制。

X705

A

1001-9677(2016)016-0076-04