活性污泥复混肥施用效果与风险评价研究

徐立军， 王云龙， 贾生强， 喻曼*

(1.桐庐县农业技术推广中心，浙江 杭州 311500； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

根据《中国污泥处理处置深度调研与投资战略规划分析报告》显示，2019年我国大约产生了6 300万t的城市生活污泥[1]，目前处理方式以卫生填埋、焚烧与热干化处理、新型建材利用等方式为主。生活污泥富含氮、磷、钾和有机质等营养成分，施入土壤中，可以给植物生长提供养分；污泥中的有机物质可明显改善土壤结构，达到提高土壤肥力，改良贫瘠土壤，修复受损土壤[2-4]；自20世纪60年代，欧美等发达国家已将污泥作为有机肥进行土地利用，我国也在积极开展相关研究，如直接施用于林地[5]，或将污泥开发成营养土等进行土地利用[6]，但用于复混肥开发的研究较少，已有研究结果表明，利用污泥的营养成分能促进植物的生长。另一方面，污泥成分复杂，含有毒、有害物质，比如重金属、病原菌以及寄生虫等[7],进入土壤后，重金属易向水体、土壤及植物迁移扩散，这也是污泥土地利用的限制因子。因此，对污泥农用产品进行风险评估是其土地利用前的重要步骤。目前，地累积指数(Igeo)、潜在生态风险指数(ER)、风险指数(RI)及风险评估准则(RAC)等方法[8-13]是对污泥中重金属的污染程度与生态风险评价的常用方法。因此，本研究以城市生活污泥发酵产物复配的复混肥为研究对象，通过盆栽实验对其肥效与重金属污染风险进行评价，为拓展活性污泥资源化利用途经提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自浙江省金华市金东区设施菜地，基本理化指标如下：pH 5.78、有机质含量18.41 g·kg-1、碱解氮含量158.42 mg·kg-1、有效磷含量355.05 mg·kg-1、速效钾含量 478.5 mg·kg-1、重金属镉含量为0.66 mg·kg-1。活性污泥取自浙江省金华市义乌市污水处理厂，经腐熟发酵后，添加无机肥料，配制成活性污泥复混肥，配制后复混肥的基本性质如下：氮(N)含量为4.91%，磷(P2O5)含量为7.73%，钾(K2O)含量为7.96%，有机质质量分数为30%；重金属砷(As)含量6.4 mg·kg-1、镉(Cd)含量6.6 mg·kg-1、铅(Pb)含量31.2 mg·kg-1、铬(Cr)24.4 含量mg·kg-1、汞(Hg)含量0.1 mg·kg-1。

1.2 处理设计

试验地点为浙江省农业科学院桑园科研温室，试验时间为2022年1—4月，采用盆栽试验方式，作物分别选择草本类黑麦草和蔬菜类小青菜(冬秀)。根据氮投入量计算复混肥用量，试验设置4个处理：1)CK不施加复混肥；2)T1 常规处理(折合纯氮112.5 kg·hm-2)；3)T2 增氮25%处理(折合纯氮140.625 kg·hm-2)；4)T3减氮25%处理(折合纯氮84.375 kg·hm-2)；每个处理5个重复。

1.3 样品采集与方法

黑麦草与冬秀在成熟后取地上部分，用去离子水洗净后，擦拭干净，统计地上部分生物量，计算产量；后放置105 ℃烘箱中进行杀青 30 min，然后将温度降至75 ℃进行烘干，中间不断称重直至恒重，烘干后粉碎研磨备用。土壤样品将整个盆栽土壤经过自然风干后研磨过筛备用。植物样本测定分析全氮、全磷和全钾指标以及重金属(铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅)；土壤样品测定分析pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾以及重金属(铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅)与有效态镉。

土壤样品中有机质采取重铬酸钾-紫外分光光度法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定，全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定[14]，pH利用pH计测定(1∶2.5土液比)。土壤中重金属总量采用微波消解-电感耦合等离子发射光谱法测定；植株样品重金属全量采用电感耦合高频等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定。

1.4 环境影响评价方法

本次评价运用单因子污染指数法分析各处理污染物的积累水平，并利用内梅罗综合污染指数法计算各处理的综合污染程度(表1)，结合生物重金属富集系数，对复混肥农用的污染风险进行综合评价。

表1 土壤内梅罗综合污染指数法评价分级标准

单因子污染指数法：

Pi=Ci÷Si。

(1)

其中：Pi:土壤污染物i的环境质量指数；Ci:污染物i的实测浓度，mg·kg-1；Si:污染物i的评价标准浓度，mg·kg-1。

内梅罗综合污染指数法：

(2)

其中：P综:土壤综合污染指数；Pi:土壤中各污染物的污染指数平均值；max(Pi):土壤单项污染物最大污染指数。

蔬菜Cd富集系数(biological concentration factor，BCF)计算公式如下：

BCF=组织中Cd含量/土壤中Cd含量。

(3)

活性污泥复混肥用量的农田安全施用次数计算公式：

(4)

其中：a为安全施用次数；x为土壤中重金属的标准限量，单位为mg·kg-1；b为土壤中重金属的本底值，单位为mg·kg-1；w为每季活性污泥复混肥施用量，单位为kg；n为活性污泥复混肥中重金属的含量，单位为mg·kg-1。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016和 SPSS 22.0 软件对本文数据进行处理，采用Microsoft Excel 2016处理数据和绘制图像，运用 SPSS 22.0 统计分析软件进行相关性和显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 复混肥肥效分析

试验结果表明(表2)，与对照相比，施用活性污泥复混肥可以显著增加黑麦草的株高，且株高随施用量的增加而增加，但是对其产量无显著影响。施用活性污泥复混肥可以显著提高小青菜的产量，不同施用量之间差异不显著，对其株高也无显著影响。

表2 不同处理株高和产量结果

2.2 复混肥施用环境风险评价

复混肥施用后各处理土壤中的重金属元素含量见表3。由土壤理化数值可知样品土壤pH在5.5～6.5，各处理土壤重金属含量远低于农用地土壤污染风险筛选值。

表3 复混肥农用后土壤中的重金属元素含量

以GB 15618—2018标准中5.5

表4 复混肥施用后土壤中重金属单因子污染指数(Pi)评价结果

复混肥施用后土壤所致的内梅罗综合污染指数见表5。黑麦草和小青菜中常规施肥和增施处理的综合污染指数均高于对照，且随用量增加而上升，表明复混肥施用存在一定的污染风险，需对其用量进行限定。

表5 复混肥农用后土壤中内梅罗综合污染指数(P综)评价结果

基于对作物的生产安全风险评估，进一步计算复混肥施用后不同作物重金属的生物富集系数，结果如表6所示。黑麦草中生物富集系数>0.5的重金属元素有Cr、Cu、Cd，生物富集系数>1的重金属元素有Zn。小青菜中生物富集系数>0.5的重金属元素有Cd，生物富集系数>1的重金属元素有Zn。

表6 复混肥施用后作物重金属生物富集系数变化

2.3 污泥复混肥农田最大限量推算

结合食品安全国家标准食品中污染物的限量要求(GB 2762—2012)，蔬菜类Cr≤0.50 mg·kg-1，As≤0.50 mg·kg-1，Cd≤0.20 mg·kg-1，Pb≤0.50 mg·kg-1，及作物的重金属富集系数，本次选用土壤中的Cd作为污泥复混肥农用限制因子推算其最大限量。按每季常规施肥最大施用量225 kg·hm-2纯氮投入量计算，则每季需施用污泥复混肥4 500 kg·hm-2。表7为污染物每季按施入量及其在土壤中的增量。

表7 污泥复混肥每季输入量及其在土壤中的增量

污泥复混肥限量参照土壤环境质量标准(GB 15618—2018)中的Cd限量来推算。该标准是保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值，主要适用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等。三级标准是保障林业生产和植物正常生长的土壤限制值，当土壤pH≤7.5时，土壤Cd的风险筛选值为0.3 mg·kg-1，当土壤pH>7.5时，土壤Cd的风险筛选值为0.6 mg·kg-1。

综合表7和土壤风险筛选值，计算出不同pH土壤和不同施用量下的活性污泥复混肥的可施用次数(表8)。

表8 基于土壤环境质量标准(GB 15618—2018)Cd限量的不同pH土壤复混肥施用次数

从以上结果可以看出，镉元素是活性污泥复混肥的限制因子，在酸性土壤中，按每年施用一次活性污泥复混肥计算，平均施用次数为11次，即施用年限为11 a左右，盐碱地条件可适当放宽。

3 小结

活性污泥复混肥可以提高农作物的农艺性状和产量，减少化肥投入量，但是复混肥施用仍存在一定的污染风险，施用时需对其用量进行限定，以土壤Cd 含量为0.15 mg·kg-1为例，每次复混肥施用量为1 500 kg·hm-2，其施用次数仅为11次。