城市污泥应用于我国北方沙地生态修复的探讨.doc

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1、城市污泥应用于我国北方沙地生态修复的探讨我国北方地区土壤退化和沙化严重，如何改良沙地土壤，恢复沙地植被，是当前区域生态保护工作的重点，也是推进区域生态文明建设进程的重要内容之一。针对北方沙地土壤流动性大、有机质浓度低、保水性能差等现状，在综述前人研究成果基础上，得出：城市污泥具有物源充足、有机质浓度高、矿物质养分(N、P、K)等营养物质富集、黏性物质浓度大、有利于促进沙地植物生长等优良特性，可以通过废物循环利用，实施沙地土壤改良，用于沙地植被修复与重建。 但是，由于城市污泥主要来源于工业或生活污水处理厂，其中含有一定量的重金属、有机污染物和病源微生物等有害物质，直接应用可能对沙地生态环境带来潜

2、在的环境风险。因此，必须采取污染物源头控制、生物堆肥发酵、固化/稳定化预处理等措施，制订相应的应用技术规范以及严格施用范围和施用量，并实施长期的跟踪监测与风险评价，才能确保城市污泥在沙地生态修复中的有效性。 关键词：北方沙地;城市污泥;生态修复;风险防控 20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。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

3、生态恢复。 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，而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，含有丰富的N、P、K、有机质和植物生长所需要的其他微量元素，无害化处理的污泥能改善土壤理化性质，提高土壤持水力和肥力，增加土壤微生物多样性等，是很好的土壤改良剂。 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。笔者将对城市污泥用于沙地生态修复的必要性和可行性进行探讨，分析当前城市污泥用于沙地生态修复过程中存

4、在的问题，并提出相应解决对策，以期能降低城市污泥生态修复的环境风险，并有效提升城市污泥的资源化利用率。1沙地生态修复技术现状及限制因素1.1修复技术现状 土地荒漠化和沙化问题仍是目前我国最为严重的生态问题，是实施区域生态恢复的重点和难点。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261.2104km2，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。 北方沙地又是我国沙漠化最为严重的地区，沙地生态环境破坏严重，其土壤改良和植被恢复十分迫切。为防止沙地面积进一步扩大，当前采取的修复技术包括植物修复技术、微生物修复技术、设置沙柳沙障、功能高

5、分子材料组装技术、节水灌溉技术等。 经过多年生态修复实践研究发现，这些技术针对不同沙地区域特征解决了一系列问题，对几种常见的沙地修复技术的内涵、适宜利用区域及在我国某些地区影响效果进行了分析对比。1.2关键限制因素及存在问题我国沙地区域面积大，不同区域特征差异明显，限制沙地修复的主要因素包括：土壤结构破坏，保水保肥能力差;土壤极度贫瘠，养分(N、P、K)和有机质浓度低，碳氮比不平衡;干旱少雨或雨水太集中，影响植被的生长;风沙大，已经恢复的植被容易被流沙掩埋。除了自然条件限制因素外，目前修复技术也存在一些问题：1)植物修复技术依靠种植植物来改善土壤条件，但是植物成活率低，后期养护成本高;2)沙障

6、、化学高分子材料、节水灌溉等技术能很好地解决沙地区域风沙大、保水保肥差、水资源缺乏等问题，但前期一次性费用高、使用年限短;3)微生物修复技术通过微生物分解有机质增加土壤养分含量，促进土壤团粒结构形成，存在微生物筛选时间长、接种后难适应性等问题，导致沙地生态修复的可持续性受到质疑，修复后的沙地又面临沙化的危险。与其他技术相比，城市污泥具有黏性、保水性好及养分含量高的特性，根据不同沙地区域特征，将城市污泥与植物修复、沙障、节水灌溉等技术相结合，将其作为沙地土壤改良先行技术，从改善沙地土壤开始，优化植物生长环境，促进植物生长，使沙地生态修复具有可持续性。2城市污泥产生现状及其物质特性2.1产生现状据

7、“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划统计，我国“十一五”期间的污水处理率已达77.5%，污水排放量为1.25108m3/d。位于我国北方沙地周边五省/区(内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区、陕西省、山西省)2014年城镇生活污水排放量高达4.12109m3/a，按污泥产量占处理水量的0.3%0.5%(以含水率97%计)计算，污泥产量为1.241072.06107m3/a。 根据国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部、环境保护部联合编制的“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划，到2015年，污水处理率进一步提高，城市污水处理率达到85%(直辖市、省会城市和计划单列市城区实

8、现污水全部收集和处理，地级市达85%，县级市达70%)，县城污水处理率平均达70%，建制镇污水处理率平均达30%。 因此，北方五省/区城市污泥的产生量将进一步增加，处理处置与资源化利用更加迫切。城市污泥除了含有大量的养分资源外，还有一些有害污染物，如何对其有效处理并实现安全利用是环境科学领域的研究热点。2.2物质特性 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(表2)，养分含量跟畜禽粪便等农家肥相当，纯猪粪中N、P、K和有机质浓度分别为20.7、9.0、11.2和714g/kg，而城市污泥中有机质浓度最高可达

9、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、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。 此外，城市污泥中有机污染物种类

10、复杂，常见的微量有机污染物主要有多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、多氯代二苯并二恶英/呋喃(PCDD/Fs)、可吸附有机卤化物(AOX)、直链烷基苯磺酸盐(LAS)、壬基酚(NP)、邻苯二甲酸酯类(DEHP)、氯苯(CBs)、氯酚(CPs)等。 污泥中的有机污染物因地区及工业类型不同而异，即使同一污水处理厂在不同时期产生的污泥，其中有机污染物的种类和浓度也不尽相同。城市污泥中还含有烷基酚、有机氯农药、硝基苯类、氨类、卤代烃类、醚类等化合物。 另外，受到处理技术等因素限制，填埋、焚烧等处理方式存在造成二次污染和处理代价高等问题，每年污泥处理的费用占整个污水处理厂费用的50%左右，限制了

11、污水处理厂作为污水净化设施的作用。因此，通过有效技术手段，因地制宜地将沙地周边城市污泥资源化用于沙地土壤改良和植被恢复是较好的处理方式，具有广阔应用前景。3城市污泥用于沙地生态修复的优势3.1改良退化沙地土壤的理化性质 土壤沙化导致土壤环境劣化，土壤剖面形态毁损，肥力减退，从而使土壤熟化过程受阻，各肥力要素间调节功能减弱，对环境的适应能力降低，最终造成生产力下降或自然肥力消失。城市污泥含有丰富的有机质和矿物质养分(N、P、K)的特性，其施用能快速有效地提高沙地土壤的有机质浓度，改变土壤结构，增强土壤水分维持能力，从而达到防止沙化的目的。 华正伟等将厌氧消化后的脱水污泥(含水率为85%)静置7d

12、后，直接与沙土按一定比例混合，结果发现，随着污泥施用量的增加，沙地中养分和有机质浓度不断提高，其理化性质也会发生明显变化，通常二者表现为正相关。 土壤孔隙度、团粒结构、持水保水能力、团聚体稳定性等随着污泥施用量的增加而增加，土壤容重则会随之降低。另外，城市污泥具有较强的黏性、持水性和保水性，因此，在施入城市污泥早期有利于提高沙地土壤结构稳定性和持水保水能力。沙地土壤结构和性质的改善及保水保肥能力的增强，为植物营造适宜于生长发育的土壤环境，防止进一步沙化的可能。3.2提高土壤养分浓度并促进植物生长 植被恢复与重建是综合防治沙漠化最主要和最基本的措施。对沙地生态系统来说，其特点是植被覆盖度极低，风

13、蚀严重、土壤极度贫瘠且基质极不稳定，植被自我恢复能力十分微弱，必须辅以人工手段才能在短时期内使沙地植被得以恢复。 城市污泥中含有N、P、K及大量的有机质，可提高沙化土壤中的营养成分，增强土壤肥力，改善植物生长，将其应用于退化沙地土壤的改良越来越受关注。杨涛等36利用抽滤脱水风干后的污泥，与土壤按照5%、10%、15%和20%比例混合后种植黑麦草、高羊茅，研究发现，污泥比例为5%和10%时，黑麦草和高羊茅的生物量、叶绿素含量均较高，表现出污泥促进黑麦草、高羊茅生长效应。 王淑影等利用二沉池的污泥经絮凝自然风干后与土壤混合进行花卉种植试验，结果表明，当污泥施用比为3%5%时，可促进波斯菊的生长，其

14、株高、花数、叶绿素含量均大于对照组。城市污泥对于改善沙土中养分元素浓度方面表现显著，且随着施泥量的增加，有机质、速效氮、速效磷浓度明显增加。 Su等研究表明，在污泥处理的土壤中总磷和速效磷浓度在025cm土层中显著增加，同时磷绝大部分保留在土壤表层(025cm)或者被植物利用。李霞利用城市污泥改良科尔沁沙地土壤，将城市污泥按照0、30、60和90t/hm2与沙土直接混合后填充到土柱中，研究发现，随着城市污泥的施加能明显改善沙地土壤中氮、磷浓度;不同深度土壤硝态氮的浓度均随污泥施用量的增加而明显增加，污泥施用量为60和90t/hm2时，土壤中氮浓度的最低值分别是对照组的6和8.3倍。 华正伟的研

15、究表明，城市污泥的施入能促进杨树幼苗的生长，随污泥量的增加效果更加明显，当污泥与沙土的比例为11时，与对照组相比杨树幼苗的株高、胸径、叶面积分别提高3.95倍、1.68mm和1.55倍。由此可见，城市污泥的施入显著提高沙土中总氮、总磷浓度，养分的提高有利于恢复沙地植被和促进植物生长。3.3提高沙地土壤微生物活性 污泥的施入使沙地土壤环境得到改善，为微生物活动提供了场所。土壤微生物的分解、腐化等活动能促进土壤中物质的循环，提高土壤的肥力。城市污泥的施入，一方面输入了大量的N、P、K、有机质和微量元素等，有利于促进沙土中原有微生物的生长和繁殖;另一方面城市污泥本身就含有丰富的微生物，从而大大提高了

16、土壤中微生物的数量和种类。 张鑫等采用PCR-DGGE(polymerase chainreaction & denaturing gradient gel electrophoresis)方法分析污泥对土壤中微生物的影响，结果表明，施肥1周后土壤中细菌和真菌的群落结构均发生了较大变化。污泥对土壤微生物不同种群及其群落功能多样性均有所影响，在旱地上施用污泥复混肥(旱地施用的污泥比例占20%)，并与等量化肥相比，对反应较为敏感的硝化细菌和好氧性纤维素分解细菌具有明显的促进作用，对好氧细菌、真菌、放线菌和氨化细菌有激活其活性的趋势，同时其激活作用随污泥复混肥中污泥浓度的提高而增强。 Sciubba等利用厌氧污泥、好