于芳芳,常智慧,韓烈保
(北京林業(yè)大學草坪研究所,北京100083)
污泥(sludge)是由污水處理過程中得到的固體有機物質,并且可以特別作為肥料通常與其他物質配合使用[1]。針對絕大多數(shù)污水污泥具有重新利用價值的這一特點,世界水環(huán)境組織(the Water Environment Federation,WEF)將sludge更名為生物有機固體(biosolids),并進一步將生物有機固體定義為“一種能夠有效利用的富含有機質的城市污泥產(chǎn)生物”[2]。隨著城市的發(fā)展,新的污水處理廠不斷建立,將產(chǎn)生大量的污泥。為了保護環(huán)境、利用資源,污泥的處置與利用是一個應該引起廣泛重視的問題[3]。污泥在作為植物養(yǎng)分、土壤有機質和堿性穩(wěn)定材料,石灰劑的來源方面十分有價值[4]。
資源化利用是污泥發(fā)展的主要方向。對污泥的重利用不僅將污泥直接加入土壤中,還在污泥中加入化肥、動物糞便、秸稈等做成堆肥后使用。國內外許多學者都對污泥的重利用情況進行過大量的研究,包括在糧食作物,蔬菜,經(jīng)濟作物上的農(nóng)業(yè)方面和園林綠地方面的土地利用[5-9]。這對迅速恢復植被、促進土壤熟化和提高作物產(chǎn)量有巨大作用[10,11]。
開展污泥在草坪上的應用,不僅可以促進草坪草的生長,避免施用過多的化肥到土壤,而且不存在食物鏈污染的危險[5]。污泥和污泥堆肥在草坪上的使用,不僅在家庭草坪、公園、公共場所的綠地、體育場、高爾夫球場及足球場,現(xiàn)在也用于草坪基質生產(chǎn)[12-15]。污泥及污泥堆肥在草坪上施用大有發(fā)展空間。對污泥及污泥堆肥土地利用的研究在國外已經(jīng)有70多年的歷史,在京津滬等地也有30年左右的歷史[16],現(xiàn)在國內外關于污泥及污泥堆肥用于草坪的研究報道也很多,筆者對國內外污泥在草坪上施用的優(yōu)點和不足,污泥施用對草坪草的生長和質量,對土壤、地下水和環(huán)境的影響等方面研究進行總結。
草坪的基本功能是優(yōu)化生態(tài)環(huán)境,供人們休息娛樂、觀賞運動等。使草坪草健康生長并具有優(yōu)良的質量是草坪管理的最終目標,所以污泥及污泥堆肥的施用,基本要求是對草坪草生長有益而無害,國內外的研究多集中在這方面,從出苗到成坪后的生長各方面都進行了研究和報道。
施用污泥主要影響草坪草的出苗,城市污泥中含有很多對種子發(fā)芽具有抑制和毒害作用的物質,對植物幼苗的生長有嚴重抑制作用[17],一般開始發(fā)芽率較小,后來發(fā)芽率與對照組相近。不同草種間對污泥的敏感性不同,故使用新鮮污泥時,需要控制用量[18,19]。對于苗高影響不大[19]。
葉靜等[18]使用不同比例的污泥和土壤混合基質種植高羊茅(Festucaarundinacea)的2個品種和匍匐翦股穎(Agrostisstolonifera)、草地早熟禾(Poapratensis)、馬蹄金(Dichondramicrantha),發(fā)現(xiàn)隨著基質中污泥用量的增加,出苗數(shù)逐漸下降,當基質中污泥用量達到80%以上,出苗較遲,出苗數(shù)明顯減少,苗細弱易倒伏,根系入土難。由此看出,生產(chǎn)應用中要控制污泥用量。
1.2.1 地上生長和品質 污泥及污泥堆肥的施用使草坪草獲得了良好的生物效應[20],草坪草的葉綠素增加[17]。隨著施用量的增加,草坪的地上生物量增加。從而加速了草坪的成坪速度,提高了草坪的蓋度和密度[21],使草坪的質地得到顯著的提高。
趙曉莉等[22]通過室內盆缽試驗研究了施用城市污泥對多年生黑麥草(Loliumperenne)生長發(fā)育的影響,主要得出以下結論:隨著污泥施用量的增加,黑麥草的葉綠素a、葉綠素b含量呈現(xiàn)波動變化,在25~30g/kg達到極大值;黑麥草中硝酸還原酶、可溶性糖、可溶性蛋白和抗壞血酸的含量呈先急劇增加然后逐漸減少的趨勢;SOD、MDA、粗纖維和硝酸鹽含量呈先隨污泥含量增大而降低,然后又升高的趨勢。表明施加適量的污泥促進黑麥草的生長,有利于黑麥草品質的提高;而施加過量的污泥抑制黑麥草的生長并不利于品質的提高。
1989和1990年,在復墾礦土(dellslow)和未擾動土(pentress)施用污泥,施用量為27.6t/hm2。污泥處理與對照相比,植物生物量增加1.5~2.8倍,二乙基三胺五乙酸(DTPA)浸提Cu、Pb、Zn在土壤上層15cm未發(fā)現(xiàn)顯著差別,組織分析顯示有更多的原蛋白,處理與對照相比,草體Cu、Pb、Zn濃度無差異。此研究結果使西弗吉尼亞的污泥土地利用指南得到修改,1988-1990年污泥土地利用量倍增,從4 150t增至8 520t[23]。
楊玉榮等[24]利用污泥堆肥作基質,使草坪草獲得了良好的生物效應,5%~10%堆肥施用范圍內,隨著施用量的增加,草坪草的地上生物量和葉片葉綠素含量也增加;草坪的外觀顏色明顯優(yōu)于對照處理,從草坪草生長狀況來看,10%污泥堆肥比例為最佳,這時草坪草的各個生理指標均達到最佳水平。
2003年在上海浦東東外灘的600m2高羊茅草坪上以1.5kg/m2的用量施900kg城市污泥,2周后發(fā)現(xiàn)原已明顯枯黃的高羊茅返綠,冬季草坪可以抗黃化,返青期提早[25]。
1.2.2 地下生物量 污泥施用于土壤中,與植物的根密切接觸,所以對于根的影響最直接也應該受到重視。
周志宇等[26]研究污泥對無芒雀麥(Bromusinermis)生育的影響時發(fā)現(xiàn),連續(xù)3年總根量都增加,1996年總根量比對照高35%~106%。這與李艷霞等[14]在研究黑麥草時所得結果相類似。
對于城市污泥的再利用,無論在農(nóng)業(yè)上還是園林綠地,大多數(shù)學者還是著眼于其中所含有的豐富的有機質,全氮和全磷等這些植物生長所必需的營養(yǎng)物質,但是近幾年來,有學者開始研究污泥改善草坪草的抗性方面的影響。迄今為止,已有學者發(fā)現(xiàn)適量污泥加入草坪基質中可以增加草坪抵抗環(huán)境脅迫的能力,例如干旱,寒冷,酷熱、病害等。
利用生物測定方法,Pignalosa等[27]在1994年發(fā)現(xiàn)污泥提取物中的腐殖質有類似植物激素的作用。2005年Zhang等[28]運用改良的 Yopp等[29]的“標準燕麥鞘片段反應生長”生物測試法[“Avena(oat)Coleoptile Segment Straight Growth Bioassay”]成功地測出了不同來源生物污泥中腐殖酸中吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)含量從0.5到2.4μg/g不等。隨即他們研究了含2.1μg/g IAA污泥的未處理的污泥和含15.4μg/g色氨酸處理的污泥加入到高羊茅土壤中在干旱脅迫復水循環(huán)下和正常水分下的生理反應,發(fā)現(xiàn)處理過的污泥在水分充足和水分脅迫下都推遲了葉萎蔫,改善了高羊茅草坪質量和根生物量,數(shù)據(jù)顯示生物污泥的使用改變了生物激素——IAA和色氨酸的含量,并提高了植物的抗旱性[30]。污泥中的腐殖酸物質和IAA可能誘導根部產(chǎn)生IAA或抑制根部吸收IAA,最終處理組葉片的低IAA含量推遲了氣孔關閉,減輕了干旱脅迫對植物的氧化傷害,2010年王艷等[31]的研究也證實信號分子可以通過調控抗氧化系統(tǒng)來提高抗性。而2008年又有研究發(fā)現(xiàn)草地早熟禾施用污泥與化肥經(jīng)粉碎混合后造粒風干制成的粒狀復混肥后,其草坪的細胞膜透性減少,抗寒性增加,分析原因是一方面污泥的施入對氮素營養(yǎng)起到了緩釋作用,養(yǎng)分供應穩(wěn)定而持久,抗性增加,另一方面,污泥中含有一些生理活性物質,隨著污泥用量的增加,其作用逐漸加強,因此抗性增加[32]。
Nelson和Craft[33]1992年發(fā)現(xiàn),在匍匐翦股穎與一年生早熟禾混播的高爾夫球場上施用堆肥,對于幣斑病的防治可達到與傳統(tǒng)殺菌劑一樣的效果。
關于污泥可以提高草坪草抗性方面的研究剛剛起步,結合草坪草對于不良環(huán)境脅迫下的生理響應方面的研究結果,如干旱及旱后復水的生理響應研究[34,35],污泥提高草坪抗性的機理還有待深層次的研究。
污泥對草坪土壤的影響研究是多方面進行的,包括對土壤微生物、土壤養(yǎng)分含量、土壤重金屬、土壤物理性質。
污泥可以改良土壤理化性狀。長久以來,草坪基質的養(yǎng)分來源,主要依靠化肥和有機肥。污泥的施用增加了土壤養(yǎng)分含量,土壤中的速效養(yǎng)分(如N、P)含量增加[36-42],特別是土壤的有機質含量[20],污泥堆肥還具有緩釋肥效果[43]。城市污泥作為有機肥施用的有些改土效果是化肥所無法達到的,不同學者的研究基本上支持這一觀點[8]。
李艷霞等[14]研究污泥堆肥用于黑麥草草坪基質時發(fā)現(xiàn),污泥堆肥在用量為14和70t/hm2的2種處理下,速效氮含量分別比空白對照土壤提高61.3%和133%,比化肥處理提高23.9%,78.6%,且差異顯著;同時這2個處理的速效磷含量同樣比空白對照土壤提高59.7%,592.3%。這與周志宇等[26]用污泥施用在無芒雀麥人工草地上連續(xù)3年的研究結果相符合。陳濤等[44]在結縷草(Zoysiajaponica)草地上以45t/hm2的用量施用污泥,土壤中的有機質,速效N,總N,總P分別比對照增加了16%,78%,61%和140%。
污泥的施用也改良了土壤的物理性質[47]。污泥或污泥堆肥加入到草坪土壤中,污泥堆肥因本身密度小能增加土壤的孔隙度而顯著減少土壤容重[45,46],這在草皮生產(chǎn)中有著潛在優(yōu)勢,因為地毯式草皮的出現(xiàn),促使研究者致力于尋找可以代替部分或全部土壤的輕質栽培基質[48-50],將污泥用于草皮生產(chǎn),可以減少因為隨草皮一并帶走的土壤的損失[51]??稍黾油寥揽偟目紫度莘e,并改善孔隙大小的分布。減少土壤地面沖刷,減少因徑流引起的植物養(yǎng)分損失??稍黾油寥赖某炙芰亩岣咄寥浪趾?,還可增加土壤的透水性及防止土壤板結[38,52-54]??筛牧纪寥澜Y構,使土壤疏松,給土壤水分和空氣以快速進出的通道。
Epstein等[55]研究了不同污泥堆肥施用量對土壤物理性質的影響,發(fā)現(xiàn)不管是干燥時期還是非干燥時期,污泥堆肥處理過的土壤含水量均高于對照處理,并且隨污泥堆肥施用量的增加,土壤的水分含量和持水量明顯增加。姜應和與周莉菊[20]的研究還表明,粘重的土壤施入污泥堆肥后,有利于團粒結構的形成及提高團粒的水穩(wěn)性。
在上海浦東東外灘的試驗同樣驗證了污泥可以改良土壤理化性狀,降低土壤pH值;而且增加了土壤中有機質、全氮和全磷含量,促進土壤團粒結構的形成,使土壤質量有質的提高[25]。
污泥可增加土壤根際微生物的群落,從而增加其生物活性,有利于養(yǎng)分的釋放。有不少研究認為,施用污泥堆肥可控制根的腐爛及抑制一些病原菌[8]。
2005年邵海林等[17]以不同用量腐殖化處理后,污泥處理中細菌、真菌和放線菌都比對照有所增加,且隨施用量的增加,土壤微生物數(shù)量比對照的增加幅度增大,細菌平均增加41.29%,真菌平均增加64.98%,放線菌平均增加41.29%。分析原因可能是腐殖化處理后形成大量腐殖酸,抵抗微生物分解的能力增強。
污泥土地利用,其質量和施用量是能否引起土壤重金屬污染的重要因素,污泥在養(yǎng)分含量較高,重金屬元素符合國家標準的情況下,對土壤環(huán)境不會造成重金屬污染[56]。
傅華等[46]在施用污泥對黑麥草草坪綠地土壤理化性質和重金屬元素含量的影響中,污泥施用量在4.0~8.0 kg/m2時,連續(xù)2年觀測,發(fā)現(xiàn)0~20cm土層Fe、Cu、Zn的含量有所增加,而重金屬Ni、Cr和Hg與對照無顯著差異,各重金屬元素均未向土壤下層遷移,未對土壤造成污染,此結果也與周志宇等[56]、傅華等[57]在無芒雀麥草地和苜蓿(Medicagosativa)草地所得的結果一致。
Skousen和Clinger[23]在西弗吉尼亞的污泥土地利用項目研究中,以2塊酸性礦土、1塊中性未擾動土為對象,來評價污泥施用量對草地生物量、營養(yǎng)狀況以及土壤和植物中的重金屬積累的影響。1986年3月,在Westover的一塊礦區(qū)復墾土地上施用污泥,干污泥施用量為0,15,31,64t/hm2,每年監(jiān)測一直到1989年。這些施用量是用來作對照的同一地點的中性牧草土地上的3~12倍,隨污泥施用量增加,礦土DTPA浸提Cu、Zn和重金屬濃度也隨污泥施用量的增加而增加。
高定等[58]向土壤中分別施用10%和20%的污泥堆肥,結果表明,施加污泥堆肥的草坪基質中有效態(tài)Cu、Zn、Pb、Cd含量分別為常規(guī)方法(膨化雞糞+二銨)處理的0.70~1.81、2.80~6.45、0.94~1.51和0.98~1.15倍。與常規(guī)處理相比,除Zn含量顯著增加外,其他元素的含量差別不顯著,證明向草坪基質中施加適量的污泥堆肥對草坪基質的重金屬含量無顯著影響。
目前我國污泥堆肥農(nóng)用標準已有《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84),但是標準的許多方面只有簡單的定性描述而缺乏詳細的規(guī)定[59,60],近幾年國家補充發(fā)布了污泥土地利用標準,從農(nóng)用、園林綠化、土地改良3個方面分別規(guī)定了污泥泥質標準,明確指出了不同用途的污泥使用的不同污染物限值,但其對污泥的粒度、孔隙率等性狀未作規(guī)定,重金屬指標和有機污染物指標明顯不足,仍需加大研究。
污泥中病原菌、大腸桿菌和蟲卵等病原體直接關系到污泥利用是否無害化,雖然《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002對污泥好氧堆肥的糞大腸菌值和蛔蟲卵死亡率有所限制,但對其他可能導致人體危害的病原體卻沒有限制,起不到控制污染的作用。
污泥中鹽分、重金屬、N、P的流失對地下水存在潛在的威脅,鹽分隨施用量增加而增大,但施用量小于45 t/hm2時硝酸鹽淋失量不會對地下水造成污染,目前,國內外對這方面的研究相對缺乏。
張增強和薛澄澤[61]在天津市溫室中研究了污泥堆肥對幾種草坪草生長響應時發(fā)現(xiàn),當污泥堆肥施用量小于9kg/m2時,不會造成地下水中NO3-N濃度超標和因地面徑流而污染下游水域。陳濤等[62]在污泥草地利用的初步研究中得出:在污泥符合農(nóng)用標準條件下,以Cd為施污泥肥量的限制因子,在污泥有機肥45t/hm2(干重)以下時,地下水 N、P含量低于地面水Ⅰ、Ⅱ類標準(NO3-N 10mg/kg,P 0.1mg/kg)。
草坪對污泥中的有毒有害物質有一定的吸收凈化功能,能減少污染物對土壤、地下水的負面效應。在城市污泥上種植植物,通過植物的生長及蒸騰作用,對城市污泥的干燥和穩(wěn)定具有一定的效果。污泥中的大腸菌群數(shù)與其含水率一般呈正相關,種草污泥的大腸桿菌數(shù)也明顯降低。
丘錦榮等[63]測定了海雀稗(Paspalumvaginatum)、普通狗牙根(Cynodondactylon)、雜交狗牙根(Cynodon dactylon×Cynodontransadlensis)、地毯草(Axonopusaffonis)、溝葉結縷草(Zoysiamatrellia)和鈍葉草(Stenotaphrumsecundatum)這6種暖季型草坪草對污泥的處理效果。與空白污泥對比,種草后,污泥的含水量和體積都有所下降,這與Liu等[64]的研究結果一致,種植雜交狗牙根的污泥的含水率和體積降低得最多,分別降低了12.2%和35.0%,其次是地毯草,研究發(fā)現(xiàn)種植地毯草的污泥的大腸菌群數(shù)降低得最明顯。
王新等[12]在研究污泥土地利用對草坪草及土壤的影響時發(fā)現(xiàn),污泥在低施入量時,結縷草對Cd、Zn及早熟禾(Poaannua)對Pb、Cu具有良好的植物吸收富集能力,隨著污泥施用量的增加結縷草對Pb吸收富集能力逐漸增加。污泥中含有一定的金屬元素,可以根據(jù)草對重金屬的吸收特性選用不用的草種,對污泥進行凈化。
經(jīng)過無害化處理后的污泥在草坪利用具有能耗低、可回收污泥中養(yǎng)分、避開人類食物鏈、有利于草坪生長等優(yōu)點,而且,將污泥用于草坪上,不僅擴大了污泥的處置范圍,而且對于污泥的凈化也有好處,這方面的研究近幾年也取得了很多新的進展,比如污泥對提高草坪草抗性方面,進一步肯定了污泥在草坪上的利用。但對于一些病原菌、重金屬污染及其他可能的污染問題仍存在爭議,研究尚未得出確切結論,還有一些已知結論的機理,比如污泥提高草坪草抗旱性機理也尚未徹底明了,污泥的草地利用研究應該繼續(xù)深入,以便為污泥草地利用提供確實的理論指導和技術支持。
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