污泥土地利用的重金屬風險及其削減途徑
1 引言
污泥又名污水污泥，是指污水處理廠在凈化污水過程中的副產物，是由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。由于經濟和城市化水平的不斷提高及人口的增長，我國污水處理廠迅速增加，相應的污泥產生量也急劇增加。
隨著垃圾（包括污泥）填埋場地的越來越少以及對資源循環(huán)利用的需求，污泥的土地利用已成為污泥處置的發(fā)展方向。污泥含有多種重金屬、有機污染物和病原物，這些環(huán)境危險物質隨污泥進入土壤，對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康帶來風險，甚至構成威脅。其中，污水污泥中重金屬的含量一直都是人們所關心的環(huán)境問題，擔心城市污泥中會含有大量重金屬，因此把重金屬問題看作是限制其農用的主要障礙。
本文就污泥土地利用過程中污泥中重金屬含量及其對土壤質量、植物等的潛在影響，以及削減這種環(huán)境風險的措施作一綜述，為污泥的安全處置及土地利用過程中的生態(tài)環(huán)境保護提供科學信息和管理經驗。
2 污泥中重金屬的含量
污泥是污水處理的副產物，污水中的污染物在污水處理過程中部分會轉移到污泥中。重金屬是污泥中最主要的污染物之一。重金屬由于具有難遷移、易富集、危害大等特點一直是限制污泥農業(yè)利用的最主要因素。陳同斌等[1]對國內（1994～2001）報道的城市污泥重金屬的資料進行統(tǒng)計分析表明，我國城市污泥的Ni、Pb、Cr、Cu、Zn含量變化幅度很大，極差最高達幾千mg kg-1。從統(tǒng)計結果和根據污泥農用標準進行分析來看，其中Cu和Zn是我國污泥中含量最高的元素，也是限制其土地利用的主要因素之一。李季和吳為中[2]對我國44個城市污水污泥重金屬含量進行了統(tǒng)計分析，Cu和Zn的含量低于陳同斌等[1]的對我國部分污水處理廠污泥統(tǒng)計結果，而對于毒性較大的Hg和As，含量則較高。從總量的角度研究重金屬是比較傳統(tǒng)的研究方法，但只憑一個總量無法說明重金屬的活性和生物有效性。因此，在對污泥中重金屬進行研究時，不僅要考慮全量，還要對其分布形態(tài)進行研究。
3 污泥土地利用的重金屬風險
3.1 增加土壤中重金屬含量
施用含有重金屬的污泥后，土壤和土壤溶液中各形態(tài)的重金屬含量均有所增加，但以表層增加最多。由于重金屬具有難遷移難轉化的特點，因此污泥施用后可以長時間保留在土壤中。長期施用污泥的土壤停止施用污泥后，重金屬在各形態(tài)中的分布沒有明顯變化，表明重金屬對植物、動物和微生物的毒害作用仍然存在。既然污泥施用后，重金屬會殘留在土壤中，隨著污泥施用時間的不斷延長，重金屬就會在土壤中不斷累積。土壤中重金屬含量的增加對人類、動物、植物和土壤生態(tài)系統(tǒng)都存在著潛在的危害，污泥土地利用時，應綜合考慮施用量、施用地點和施用時間等方面的選擇。
3.2 對植物的毒害作用
一般而言，隨著污泥施用量的增加，作物體內重金屬的含量增加。國外專家研究發(fā)現，與化肥相比，長期施用污泥土壤的小麥籽粒Cu、Zn含量明顯增加。污泥浸提液中的重金屬對植物幼苗也有一定的毒害作用，在各種污泥浸提液中，中國大白菜種子發(fā)芽率保持較高的水平，隨著污泥浸提液濃度的降低，種子發(fā)芽率升高。
植物對重金屬的吸收受到土壤條件、重金屬形態(tài)、植物類型等多種因素的影響，不能只從土壤重金屬的總量角度來研究。重金屬植物有效性是一個涉及物理、化學、生物學等許多因素的交叉研究課題。污泥中重金屬的活性既不同于土壤中原有的重金屬，又不同于以無機鹽形式加入的重金屬，其在土壤中的形態(tài)轉化和植物有效性更帶有本身的復雜性，需要更深入細致的研究。
3.3 對人和動物的毒害
重金屬對人類健康的危害主要通過以下幾種途徑：（1）人直接暴露在重金屬污染的環(huán)境中。施入污泥后，土壤中重金屬含量提高，人類暴露于污染環(huán)境的機會增加。尤其是當污泥用于園林綠地時，這種直接危害更大。（2）重金屬通過食物鏈進入人體。生長在重金屬污染土壤上的作物，體內重金屬含量也較高，如果攝入了這種受污染的食物，就會危害人類健康。同樣，通過食用受污染的動物，也增加了重金屬對人類的毒害作用。（3）飲用含重金屬較高的水，也可能引起重金屬在體內的積累。（4）如果大氣中懸浮顆粒物或氣溶膠中含有重金屬，也可能通過呼吸道進入人和動物體內，產生毒害作用。
動物通過食用受污染的牧草或在放牧過程中直接將受污染土壤攝入體內，增加了重金屬對動物產生毒害的可能性。專家對Cd在羊可食部分的積累進行研究時發(fā)現，放牧結束時，施污泥草地上的羊肌肉內Cd含量與放牧前相比沒有明顯變化，但羊腎內Cd含量明顯增加，此外，污泥表施處理中羊肝臟內Cd含量顯著提高。動物體內重金屬濃度的增加，一方面會危害動物的健康，影響其健康生長；另一方面，增加了通過食物鏈方式對人類健康危害的可能性。
3.4 對土壤微生物的影響
土壤微生物是土壤肥力的一個重要指標，它與植物所需養(yǎng)分的生物化學循環(huán)和有機碳的轉換密切相關。當地球化學指標不能對污染物影響土壤生態(tài)系統(tǒng)做出有效評價時，微生物學指標可以預示潛在性有毒物質對土壤肥力的影響。
施用污泥，一方面增加了土壤有機質、全氮等養(yǎng)分的含量，提高了土壤肥力，有利于土壤微生物活性的增加。另一方面，由于污泥中含有重金屬等污染物質，隨污泥帶入土壤的污染物質也會對土壤微生物產生毒害作用。施用重金屬污染的污泥后，土壤的微生物生物量、呼吸速率會發(fā)生顯著變化。施用污泥會使土壤微生物種群結構發(fā)生改變。雖然關于污泥施用對土壤中微生物種類和微生物活性的影響進行了廣泛的研究，但是在污泥農用對土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)風險評價中還缺乏有效的生物學指標。
3.5 對土壤酶的影響
土壤酶對環(huán)境管理因素引起的變化較為敏感，且具有良好的時效性特點。土壤酶活性在一定程度上還可以反映出環(huán)境狀況，某些污染物的存在能抑制土壤酶活性，如脲酶和脫氫酶活性對某些重金屬的反應很敏感。劉云國等[3]研究發(fā)現，土壤脲酶活性隨土壤Cd濃度的增加而降低，脲酶活性與土壤Cd濃度顯著負相關。譚啟玲等[4]的研究結果表明，污泥的施用能增加潮土中脲酶的活性，多酚氧化酶及中性磷酸酶的活性與污泥的施用量有一定相關性，并與土壤中交換態(tài)Zn、Cu 含量呈一定負相關。
微生物活性與污泥性質、施用量有關。當施用低量外加重金屬和不加重金屬的污泥時（100 m3 ha-1），二者脫氫酶活性均升高，而當污泥施用量較高時（300 m3 ha-1），外加重金屬污泥的脫氫酶活性降低。雖然土壤酶對土壤污染程度非常敏感，但僅僅以土壤酶來進行評價還遠遠不夠，研究表明，酶活性與微生物量的比率是評價環(huán)境脅迫的敏感指標。雖然有關重金屬對土壤酶的研究較多，但在重金屬的環(huán)境風險評價中還沒有被廣泛應用。
3.6 對土壤動物的影響
有關重金屬對土壤動物的研究以重金屬對蚯蚓的效應居多。研究結果表明，與對照處理相比，施用污泥后，蚯蚓體內Cu和Zn的含量增加。蚯蚓體內重金屬含量的增加會明顯降低其繁殖能力，生命周期延長。對生活在重金屬污染的河流沖積平原土壤中蚯蚓的研究結果表明，蚯蚓體內重金屬含量高于未污染的對照區(qū)域。由于土壤中的重金屬很難被蚯蚓吸收利用，在評價重金屬對蚯蚓的毒害作用時，不應只考慮土壤中重金屬的全量，還應當考慮土壤溶液中和植物體內重金屬的含量。目前，雖然對污泥施用的重金屬效應進行了較為廣泛的研究，但對土壤動物的研究還相當缺乏，應加強這方面的科學研究。
4 削減污泥中重金屬危害的途徑
4.1 堆肥
堆肥是一種把有機廢物分解轉化成類腐殖質的過程，該過程是在不同微生物的參與下完成的，是一種經濟、有效的污泥處理方法。污泥經過堆肥處理，其重金屬形態(tài)有較大的變化。一般是水浸提態(tài)重金屬的量減小，交換態(tài)和有機結合態(tài)重金屬的量有所增加，而殘渣態(tài)的量不同的重金屬變化不盡相同，但其比不同浸提劑所提取的總量大的多[5,6]。在堆肥過程中加入鈍化劑，如泥炭、粉煤灰和磷礦粉可以有效降低堆肥中有效性重金屬含量，是一種簡單可行的污泥穩(wěn)定處理技術[7]。雖然堆肥可以改變污泥中重金屬的形態(tài)，降低其活性，但是污泥堆肥廠一次性投資和占地面積大、堆肥周期較長，研制低投入、高效率的污泥堆肥工藝是堆肥技術研究及推廣應用的關鍵。
4.2 堿性穩(wěn)定
堿性穩(wěn)定是指將堿性材料加到處理的污泥中，通過提高污泥的pH值，達到無害化，實現污泥資源化的目的。在堿性穩(wěn)定過程中，由于添加了大量堿性物料，污泥pH值升高，重金屬形態(tài)發(fā)生改變，從而降低了其生物有效性。此外，在酸性土壤中施用堿性穩(wěn)定污泥和N-Viro Soil（一種堿性污泥產品）可以降低土壤中可溶態(tài)和可交換態(tài)的鋁的含量，從而降低了鋁對植物產生毒害的可能性。因此有關施用堿性污泥的重金屬環(huán)境風險，有待于進一步深入研究，特別是當堿性污泥施用到酸性土壤后重金屬的形態(tài)和活性應引起關注。
4.3 生物浸瀝
生物浸瀝是一種較新的能夠經濟有效去除污泥中重金屬的方法。生物浸瀝過程中起作用的是硫桿菌屬（Thiobacillus）類細菌。周立祥等[8]采用自制的活性較高的硫桿菌菌液對供試厭氧消化污泥中重金屬進行生物淋濾，結果表明，通過8天時間，污泥中Cu和Zn的去除率分別達93%和85%。硫化菌對污泥中重金屬的淋濾效果受到溫度、氧氣和二氧化碳濃度、起始pH、污泥種類與濃度、抑制因子、二價鐵濃度等因素的影響[9,10]。
隨著污泥農用處置方式日益受到重視，生物浸瀝作為一種經濟有效的去除污泥中重金屬的手段具有廣闊的應用前景，應該加強有關這方面的研究并應用在實際的工程中，讓污泥成為符合環(huán)境標準要求的可利用的資源。在實際的應用中應該結合污水處理工藝，以減少工程和運行成本，提高生物淋濾的利用價值。
4.4 完善污泥農用的標準和法律法規(guī)
為了防止過量施用污泥對環(huán)境和作物造成危害，許多發(fā)達國家對污泥的處置利用都制定了嚴格的法律法規(guī)。如美國EPA對污泥的標準、施用地點的選擇、病原物的控制、重金屬的允許施入量、水源的保護等都作了相應的規(guī)定。我國1984年頒布了《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284－84），按酸性、中性及堿性土壤分別規(guī)定了污泥農用的有害物質標準。但是，我國關于污泥農用的標準和法律法規(guī)還不健全，如還缺乏有機污染物和病原物的農用標準，并且對施用地點、施用后禁止進入的時間等都缺乏相應的管理規(guī)定，這都有待于在科學研究的基礎上進一步完善。雖然新的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中對鋅和銅的臨界含量做了一定調整，按照新的標準會有更多的污泥符合農用的要求。但這同時也意味著可以進入土壤的重金屬增加，至于其環(huán)境風險是否也因此提高是值得關注的問題。控制污泥中污染物含量最根本的措施是：污水廠應該從源頭抓起，控制入廠污水的質量，防止含特定污染物較高的污水的混入，以降低污泥中污染物的含量。另外，要向社會各界大力宣傳環(huán)保知識，讓廣大污泥用戶了解科學施用污泥的利益和盲目施用污泥的危害，自覺遵守污泥土地利用的環(huán)境法律法規(guī)。
5 結語
綜上所述，污泥中重金屬種類繁多，并且在土壤中存在一定的積累現象，如果在污泥處置過程中沒有采取相應的安全措施，必將對生態(tài)環(huán)境、人類和其他生物健康產生風險。隨著社會的發(fā)展和人們環(huán)境意識的增強，關于污泥中重金屬的研究已從傳統(tǒng)的對作物的毒害作用轉移到對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康的影響上，如污泥中的重金屬對人和動物、土壤微生物、土壤動物和土壤酶的影響等。降低污泥土地利用過程中重金屬的環(huán)境風險除了依靠堆肥，堿性穩(wěn)定，生物淋濾等技術措施外，很大程度上取決于國家環(huán)境法律法規(guī)的完善和人們保護環(huán)境自覺程度，這需這一方面需要環(huán)境科學和土壤科學等相關學科及其專家們的通力合作，同時也需要政府、管理部門和企業(yè)及其與科技界的共同努力，以推動和促進污泥及其土地資源化利用的研究與管理工作。
參考文獻
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