城市污泥改良沙漠化土壤分析

1、研究生试卷2018年2019年度第一学期生态工程学课程论文题目：城市污水厂污泥改良沙漠化课程名称：生态工程学评分：专业：环境科学与工程年级：研一研究生姓名：杨雪莲学号：任课教师姓名：陈爱侠城市污水厂污泥改良沙漠化1选题背景1.1沙漠化上世纪60年代以来，受人类活动和气候变化的影响，我国北方地区草原和绿洲出现大面积的退化和沙化，并引起沙暴频发等一系列生态环境问题，对我国北方生态安全和社会经济可持续发展构成严重威胁。第五次全国荒漠化和沙化监测结果表明，中国荒漠化土地面积为261.2X104km2，约占我国土地面积的27.2%，全国因风蚀沙化每年损失土壤有机质、氮素和磷素高达5590万t。日益严重的

2、土地沙漠化，导致土地生产潜力衰退、生产力低下、草场质量下降、自然灾害加剧，由此每年因沙漠化所带来的直接经济损失约65亿美元。沙漠化是我国北方草原区存在的突出环境问题之一，为有效遏制风沙危害和保护沙地生态环境，通过以植被重建为主要措施的生态恢复与重建工程，可有效缓解区域沙漠化，促进沙地生态恢复。目前对于沙漠化土地治理主要采用建立大型固沙防护林带的方式，但却没有解决沙化土壤生态修复所需的营养源等问题，沙漠化的土质情况也没有得到有效改善4。在沙地生态修复过程中，改良沙地土壤发挥着至关重要的作用，影响修复效果的关键因素之一是增加土壤肥力和土壤持水力。1.2城市污泥处理我国污泥产量逐年加大，且污泥妥善处

3、理处置率很低。统计数据显示，2010年美国16000座污水处理厂年产污泥量为8.19X106t（以干污泥计），是污泥产生量最大的国家；欧盟国家年产污泥量为6.5X106t（以干污泥计）。目前，世界上年产污泥总量已1.0X108t（以干污泥计）。我国在2000-2010年期间，城市污水处理率由34.3%增至81.2%，污泥产量也由2.27X106t/a增加到7.33X106t/a。研究发现，以污泥含水率80%计算，到2020年污泥产量将突破年6X107t2。城市污泥作为污水生物处理过程中产生的副产物，是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体，但污泥中富含氮、磷和植物必须的微

4、量元素，使污泥成为一种极具潜力的肥料；富含的有机物和污泥脱水车间投加的PA（聚丙烯酰胺是一种线状的有机高分子聚合物，同时也是一种高分子水处理絮凝剂产品，专门可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒形成比较大的絮团，并且加快了沉淀的速度。这一过程称之为絮凝，因其中良好的絮凝效果PAM作为水处理的絮凝剂并且被广泛用于污水处理)等药剂，又使得污泥成为一种极具潜力的土壤改良剂3。但城市污泥中含有重金属、有机污染物及病原菌等有害物质，直接用于退化沙地生态修复可能具有一定的生态环境风险。鉴于上述城市污泥的资源化利用与沙化土壤的亟待修复的双重问题，利用城市污泥改良退化的沙地土壤，一方面可消

5、耗大量的城市污泥，避免环境污染，另一方面可改良土壤结构，促进植被生长，改善沙化土壤的环境质量。因此，本课题的研究为城市污泥的资源化利用寻找到新的途径，并提出其应用的可行性，也为退化沙地土壤的改良提出新的思路，对我国生态环境的可持续发展具有积极的意义。随着国家“十三五”规划的出台及“水十条”、“土十条”的颁布，污水厂污泥处理处置问题和土壤沙漠化等环境问题将会越发凸显，但目前利用污泥治理沙漠化土壤的研究相对较少，关于对比量化污泥施用对沙漠化土壤改良效果的研究也相对匮乏，导致我国目前在污泥进行沙漠化土壤改良过程中缺乏具有借鉴意义的技术参数和工程经验5。2案例分析2.1城市污水处理厂污泥对沙漠化土壤的

6、改良效果2.1.1材料与方法试验沙土于2016年4月取自辽宁省昌图县福德店荒漠化土壤020cm土层污泥取自抚顺三宝屯污水处理厂污泥离心脱水车间。钾、铵、氮含量分别为2.783，34,0.81mg/kg,沙土容重、土粒密度、孔隙度分别为0.81g/cm3,2.62g/cm3,47%。污泥含水率、pH值和有机质分别为80.3%,7.21，664g/kg，总氮、总磷、全钾含量分别为35.84，14.13，2.27g/kg污泥中重金属含量分Cu(117mg/kg)，Zn(395mg/kg)，Pb(36mg/kg)，Cr(398mg/kg)，Ni(170mg/kg)，Cd(0.92mg/kg)对沙土土质

7、和污泥泥质的相关指标进行检测，结果表明：试验用沙土为中性土壤，含水率及有机物含量极低，土壤紧实，孔隙度较小，磷、钾等营养元素匮乏。试验用污泥含水率为80.3%，超过城市污水处理厂土地改良用泥质GB/T25600-2009规定的65%限值，但沙漠降雨量少，其土壤含水率极低；因此施加离心脱水污泥用作沙漠土壤改良，在有效提升沙漠土壤含水率方面较含水率小于65%的污泥更具优势。试验用污泥有机物含量是试验沙土的150多倍，氮、磷含量均较高，是极好的土壤肥料来源，总钾含量亦比沙地土壤含量高，能在一定程度的补充土壤钾素。污泥中Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr等重金属含量均低于农用污泥中污染物控制标准(GB

8、4284-84)中规定限值。2.1.2试验方法本试验将离心脱水污泥直接作为土壤改良剂和肥料与沙土充分掺混，使掺杂后土壤中污泥(湿重计)含量分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%掺杂后土壤一部分装入已称重的500ml烧杯中，使得各烧杯中改良沙土质量均为500g；另一部分改良沙土，当日测量土壤初始含水率、有机物含量。一周后测量土壤饱和含水率、土粒密度、土壤容重、营养元素等相关指标。烧杯中改良沙土统一置于干燥环境，避免灰尘和明水进入其中，每隔一段时间测量烧杯中总质量；通过土壤原始含水率和烧杯质量，计算出不同掺杂比土壤的水分散失量和其含水率。为与正常耕作土壤对比，分别在校园内的自然

9、土壤(1#)田地(2#)草地(3#)采集3种不同土壤作为对照组，与上述试验平行进行。文中所有数据均为3组平行重复测定的平均值。2.2实验数据与分析2.2.1理化性质分析将离心脱水污泥与沙土充分掺混，掺杂后土壤视为改良沙土，其污泥(湿重计)投加量分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%。土壤改良后通过比重瓶法、环刀法测定土粒密度、土壤容重、孔隙度等，并以原始沙土、校园自然土壤(1#)田地(2#)草地(3#)内土壤平行对比，因改良沙土在改良过程被充分掺混扰动，平行对比土壤采集过程中也需通过充分扰动。改良沙土与对比土壤的物理性质测定结果见表1。表1改良沙土与对比土壤的物理性质掺混量

10、土粒密度/(gcm-3)土壤容重/cm-3)孔隙度/%0%2.5971.3C147.65%2.590L11257.210%2.4940.9昨560,415%2.3860.9705&320%2.3260.94359.525%2.2730.89860.530%2.2230-8676K935%2.1480.80662.11#2.3260.97358.22p2.7030.90266,63并2.326CL98857.5从表1中可看出，随着污泥掺杂量的增加，改良沙土土粒密度随着污泥掺混量的增加而逐步降低(r=-0.99),随着污泥施用量的增加污泥容重逐渐下降(r=-0.89)孔隙度逐渐增加(r=0.79)

11、,改良沙土土粒密度、土壤容重、孔隙度与污泥投加量呈显著相关,这与邹通等6研究结果趋势一致。其原因是污泥中含有大量有机物,污泥密度小于沙土土粒密度,随着改良沙土中污泥量的增加,土粒密度逐渐减小。污泥与沙土掺混后,污泥的掺入使得沙土中有机质和粘粒含量增加,改善了土壤状况,使得土壤颗粒胶结,形成了较大的团聚体,进而使沙土孔隙度增大,容重降低7。而当污泥施用量大于10%后,改良沙土孔隙度增大和容重降低趋势减缓,造成这种现象的原因可能是污泥掺混沙土形成的团聚体稳定性较弱,随着污泥掺杂量的增大,土壤含水量增加,下层团聚体因上层土壤重力挤压作用而塌陷,进而导致改良沙土孔隙度和容重随污泥施用量增大变化趋势不明

12、显。与对比适宜耕作土壤比较发现，污泥投加量为10%-20%时，改良沙土与1#2#对比土壤的物理性质接近。2.2.2污泥掺混对土壤营养元素的影响沙漠土壤的营养元素极低,污泥作为土地改良剂,在改良沙土结构的同时,会补充沙土中的营养元素、使得改良沙土利于植物生长，而沙漠土壤植被覆盖会带来巨大的环境效益，使得沙漠环境进一步改善，但若污泥施用量过大，会发生营养源过盛而抑制植物生长的现象，并带来一系列的环境风险8。试验以改良沙土全氮、全磷、全钾、铵氮、有效磷、速效钾等指标，考察污泥掺混量对沙漠化土壤营养指标的改善效果，并与适宜耕作的3种土壤含量对比，以确定出合适的污泥掺混量。表2改沏土与对比士黠营养元素含

13、量0%5%10%15%2#3-5.317.408,5910.60L.7815.3611.421?11,77W(mg*kg_1)0.811J01.151.381J3打62.232.762.261.3S3J2全0.070.41讪0.921.21L521.860.701.1381117V岡挝152.052,052.062.06打62.0/2.08kll5.26J.6d有删代皿盯k“)3060Sfl1301?02202801802101氮素分析从表2中可看出，污泥中总氮含量很高，试验用污泥总氮含量约35g/kg,高出沙土含量约9倍，约是对比土壤1#(11.42g/kg)2#(12.16g/kg)3#(

14、11.77g/kg)总氮含量的3倍，是退化土壤理想的氮素补充源。改良沙土中总氮含量随污泥掺混量的增加而增加，掺混量为15%-25%的改良沙土总氮含量与3种对比土壤含量相当；掺混量为30%的改良沙土总氮约是初始沙土总氮含量的3.4倍，掺杂污泥改良沙土中总氮含量显著提高。磷素分析由表2中沙地土壤改良后，随着污泥掺杂量的增加，土壤全磷、有效磷含量上升趋势极为明显，且呈现良好的二次线性相关性，其原因是沙土磷含量极低，而污泥磷含量较高，污泥是良好的磷肥，与1#(0.70g/kg)2#(1.13g/kg)3#(0.63g/kg)等土壤的总磷含量相比，污泥掺杂比为15%-25%时，改良沙土总磷含量与对比土壤

15、总磷含量接近。在对比有效磷含量时发现，当污泥投加量为5%时，改良沙土中的有效磷含量(29mg/kg)接近1#(31mg/kg)，高于3#(18mg/kg)土壤含量；污泥投加量为15%时，有效磷含量(81mg/kg)与2#土壤(83mg/kg)接近，其原因可能是污泥总磷中有效磷占比相对较高，污泥对土壤磷素的补充较大程度上以有效磷形式参与。钾素分析由表2中可以看出，投加污泥后土壤全钾含量变化不大，表明污泥对沙土全钾补充效果不佳。但改良后土壤中有效钾含量升高趋势明显，污泥投加为5%的改良沙土有效钾含量比初始沙土高71.4%左右，投加量为35%的改良沙土有效钾是初始沙土含量8.74倍。其原因可能是污泥

16、总钾中有效钾占比很高，投加到土壤中可直接被植物利用，但存在随时间推移改良沙土土壤钾素缺乏的可能性。对比土样1#2#3#总钾含量约为4.11-5.26g/kg，有效钾含量为180-290mg/kg，与之相比改良沙土总钾含量略低，20%-30%污泥掺混量的改良沙土有效钾含量接近对比土壤含量。相关性分析表明，除全钾外，随着污泥掺混量增加，各营养指标显著提高，均呈现显著正相关(r0.99)。污泥掺混对沙土有机物含量、持水保水能力的影响污泥掺混后沙土的含水率和有机物得到充分补充，并随着污泥量的增加而呈现良好的线性关系(r0.99)，本文以土壤持水度表示改良沙土的持水保水能力，土壤持水度用土壤能持有的最大

17、含水量与土壤干重之比计算。806020A4010205011111100510152025303540污泥含量/%图1污泥掺混量对土壤含水率气有机物和持水度的影响密3530-o初始含水率口有机物A持水度-I100图1中可以看出，污泥掺混在提高土壤有机物含量和含水率的同时，对土壤持水度有也极大改善。污泥持水度随污泥投加量的增加而增加，且呈现显著正相关(r=0.99),其原因可能是污泥中有机物极大的影响了改良沙土中的饱和含水量。刘纯甫等9人也认为，有机质含量是土壤持水能力的重要影响因素，污泥掺混对土壤水分保持量有明显改善，施用有机物含量越高的污泥，可能对沙漠改良沙土持水能力提升越大，而沙漠地区一般

18、降雨量较少，良好的土壤持水能力对应用植从图2可看出，与1#、2#、3#土壤对比，各改良沙土含水率下降趋势较平缓，改良沙土保水能力比对比土壤更强，导致此现象的原因可能是有机质含量高的土壤，土壤团粒结构多且稳定性好，土壤孔隙分布比较均匀，且毛管孔隙数量较多，可以贮存大量的水分，因此土壤的保水和持水能力增强。另外，脱水污泥中含有一定量的PAM等高分子聚合物，也对提高沙土保水能力具有一定贡献作用。从图2也可以看出，污泥掺混后，虽然改良沙土初始含水率梯次增高，但含水率下降趋势线几乎平行，没有出现理想中的随污泥掺杂量增加而含水率下降更平缓的现象，其原因可能是由于随着污泥掺混量的增加，改良沙土的孔隙度和初始

19、含水率增大，进而加快水分散失速率。城市污泥中其他成分的分析城市污泥中养分含量丰富，但不同地区存在差异。李艳霞等通过分析全国96家污水处理厂污泥发现，城市污泥中含有丰富的N、P、K和有机质，养分含量跟畜禽粪便等农家肥相当，而城市污泥中有机质浓度最高可达696g/kg，平均浓度为384g/kg，是纯猪粪有机质平均浓度的54%，城市污泥与猪粪和猪厩肥相比，可制成有机肥并加以利用。然而，城市污泥中含有的重金属种类多，主要有Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni等。郭广慧等统计了20062013年国内外文献报道的中国城市污泥重金属浓度，并分析了其区域分布特征和变化趋势，结果表明，城市污泥中Cu、

20、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni浓度分别为182.5、65.3、729.6、2.1、1.4、11.5、97.5和44.9mg/kg，与GB189182002城镇污水处理厂污染物排放标准相比均有不同程度的超标。城市污泥中的重金属是限制其在沙地生态修复利用的主要因素之一1。2.2城市污泥在科尔沁沙地土壤改良中的应用及风险分析针对城市污泥应用的这一限制因素查找了一些相关的研究文章以科尔泌沙地土壤为研究对象、北部污水处理厂的污泥为试验材料，通过实验室淋溶模拟试验，研究在不同污泥施用量的条件下，重金属的淋溶特性，为污泥在退化沙地改良中存在的风险提供理论依据。本研究选取科尔泌沙地土壤为研究对象，通

21、过向土壤表层添加不同量的污泥，探讨污泥的施用对Pb、Cd、Cu、和Zn淋溶过程的影响。淋溶过程中重金属在实验模拟土柱中的迁移量在一定程度上反映了土壤对重金属的吸持能力。2.2.1关于Pb元素的分析：而施用不同量污泥后，淋出液中含量随淋洗次数的增加呈现上下波动的趋势；污泥施用量为0、30、60、90t/hm2四个处理均在第三、四次淋洗时淋出液中浓度最大，分别可达0.0480.0720.086和0.094mg/L。除污泥施用量为60t/hm2与90t/hm2之间无显著差异外，与其他各处理之间存在显著差异,但淋出液中浓度均符合农田灌概水标准(GB5084-2005)(Pbv0.2mg/L)。从图2.

22、2可以看出，污泥施用量为30、60、90t/hm2的三个处理中Ph含量的变化与空白处理的含量变化相似，均在20cm处达到峰值后开始下降。污泥施用量为30t/hm2处理的土壤各层次含量与对照之间的差异不明显，但污泥施用量为60t/hm2时土壤各层次含量明显高于污泥施用量为30t/hm2和未施用污泥的对照处理，污泥施用量为90t/hm2时土壤各层次含量明显高于污泥施用量为处理。方差分析表明，污泥施用量为60、90t/hm2时，土壤中Pb含量与不施用污泥的对照处理相比存在显著差异。可见污泥的施用量对土壤中含量影响较大，但土壤Pb的最大含量仍远远小于我国土壤环境质标准(GB15618-1995)(Ph

23、7.0)中Pb的限值(Pb7.0)中Cd限值(Cdvl.0mg/kg)的1.12倍。在污泥施用量为60t/hm2时，Cd含量虽未超出标准，但已接近该值，说明污泥施用过程中，存在着较大的污染风险。223关于Cu元素的分析:5-10-15.3025TP1110050.04-0.03-0.020.01-Ot/hm1SOt/hrt?1234567&9淋沸吹数【radiin#bines30*0111?30血f&90tTnf图2.5淋出液中Cu含量的变化图2.6土壤中Cu含量的变化从图2.4可以看出，Cu的淋出浓度随污泥施用量的升高而增加，在0、30、60t/hm23个不同污泥施用量处理中，Cu的浓度变化

24、基本呈现先下降后升高继而又下降的趋势，最大浓度均出现在第一次淋出液中，分别为0.031、0.044和0.046mg/L而污泥施用量为90t/hm2时，淋出液中Cu浓度变化与其他3个处理稍有不同，在第五次淋洗后Cu浓度有所升高后降低，第8次淋出液中浓度较最大值减小了52%，这与污泥施用量为0、30、60t/hm23个处理存在极显著差异，而且这3个处理之间也存在显著差异。在整个淋洗过程中Cu浓度均远小于农田灌概水标准(GB5084-2005)(Cuv1mg/L)。由图2.6可以看出，污泥施用量为0、30、60、90t/hm2四个处理中Cu含量基本在土层20cm处达到峰值，分别为3.06、12.60

25、、14.10和23.56mg/kg，3个污泥施用量处理土壤含量与对照存在极显著差异；而在40cm、60cm、80cm处，土壤Cu含量与未施用污泥的对照处理相比无显著差异，且在这三层土壤中不同污泥施用量时的吸附量相差不大，相邻两层土壤中Cu的含量差异仅为0.3mg/kg说明污泥施用后土壤Cu的迁移不大。22.4关于Zn元素的分析：ZrtnplJ弊goIp璋o耶-Dt/hm-30t/hm*60i/hm3l90Vhm54321aao.0?0e=n-2DQ-W一二二吕护=忘日送饕十012345676淞落枕数l/Bich陀Umcs-9DhOVhn?t30i4rrf丄ffittinf*gom/图2.7淋出

26、液中Cu含量的变化图2.7土壤中Cu含量的变化由图2.7可以看出，污泥施用量为0、30、60、90t/hm2四个处理淋出液中Zn浓度的变化趋势基本相同，在第1次淋出液中Zn浓度最大,分别为0.136、0.204、0.308和0.454mg/L。第2次浓度降低较大，仅为第1次浓度的23%、16%、22%和29%，之后淋出液中Zn浓度稍有所上升后下降，之后各处理稳定在0.03-0.12mg/L。污泥施用量为60、90t/hm2时，淋出液中浓度与未施用污泥的空白处理差异显著,且两处理间也存在显著差异，而污泥施用量为30t/hm2,淋出液中浓度与未施用污泥的空白处理差异不显著。由图2.8可以看出，模拟

27、淋溶柱中Zn含量的最大值出现在表层土壤中，尤其是在20cm处含量最高，并且随污泥施用量的增加而增加，分别为23.36、62.24、149.94和190.52mg/kg，但仍小于土壤环境质量标准中的的限值(Znv300mg/kg)在该层土壤中，污泥施用量为30、60、90t/hm2的三个处理中含量与未施用污泥的对照处理之间的差异均达到显著水平，而60、90t/hm2的两个处理间无显著差异，在40cm以下的土层中，不同污泥施用量的土壤Zn的含量相差不大，相邻两层土壤中Zn的含量最大差异仅为7.3mg/kg。说明污泥施用后土壤Zn的迁移不大。2.25分析结果淋出液中Cu、Zn、Pb的浓度变化趋势大体

28、呈现逐渐降低的趋势，在所有的污泥处理中，随淋洗量的增加，并未增加其对地下水的污染风险。而污泥施用量为60、90t/hm2时，在第五次淋洗（即降雨量达250mm）后Cd浓度增加幅度较大，最大浓度达到未施用污泥的对照处理中Cd浓度的3倍左右，已超出地下水质量III标准类水质标准限值（Cdv0.01mg/L），存在污染风险。重金属Cd主要在土壤表层累积，但随淋洗次数的增加（相当于增加降雨量），存在向下层土壤迁移的风险，而Pb的迁移率较低。Cu和Zn作为植物所必需的在营养元素，在土壤表层含量较高，有利于植物的吸收利用。因此，Cd的淋失量及在土壤中的累积，在污泥施用过程中应重点关注。3城市污泥治理沙漠化

29、应用的前景针对城市污泥施用到沙地过程中，其中含有的复杂污染物类型，对沙地生态环境构成潜在的污染风险提出一些对策，目前，研究重点大多是城市污泥在农田中的利用，参考污泥农用的研究成果及存在的问题，结合沙区区域特征提出以下建议:针对沙地区域特征开展技术应用研究。我国北方沙地广阔，沙化区域环境差别较大，因此应针对不同区域沙化特点采取不同措施。对风沙大、沙丘易流动的区域，主要的防治措施应是设置沙障、覆盖致密物等，将沙土固定，在后续植被修复时利用城市污泥黏性大、保水性好的特点，利于种子附着、萌发；而对于养分极度贫瘠、水土流失严重的区域，城市污泥施用应作为主要治理措施，辅以微生物修复、水资源有效利用等其他技术，因地制宜采取不同技术手段将会达到更好修复效果。另外，分析沙地可以达到的修复状况及修复后用途，针对修复后可作为农田、牧场等沙化区域，应采取堆肥、固化等措施降低污染物浓度，减少施用年限、施用量，防止污染物进入食物链。制订污泥沙地利用相关标准。2009年，住房和城乡建设部发布了CJ/T2092009城镇污水处理厂污泥处置农用泥质，对城镇污水处理厂污泥农用的养分、重金属浓度、有机污染物及微生物指标等给出了具体阈值，但施用量、施用年限和施用方式没有给出具体准则。有关城市污泥用于沙地生态修复的相关