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實地監測：污泥資源化利用下林地土壤環境質量評價
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| 發布時間：2020.12.19 新聞來源：給水排水 瀏覽次數： |
導讀：研究選取北京市大興區污泥產品林地利用示范區，采用實地定位跟蹤監測方式，并通過單因子污染指數法，分析研究污泥產品施用對土壤環境質量的影響情況。研究結果表明，污泥產品施用前背景值和2年跟蹤監測期（每半年一期）表層土（0~30 cm）中監測因子均低于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）標準中的風險篩選值；土壤背景值存在空間差異性，環境容量決定污泥產品利用量，污泥產品土地利用前應做好場地環境調查，評估利用可行性；污泥產品土地利用會有重金屬累積效應，但隨著時間遷移，累積效應減弱，污泥產品中含量高的重金屬元素，施用過程中累積量也會高，重金屬的累積會影響污泥產品的施用量和施用年限，其中重金屬汞是限制污泥產品土地利用關鍵元素；通過單因子污染指數法對研究區跟蹤期內土壤進行分析，銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻、汞、砷8項重金屬指數值均＜1.0，評價結果顯示重金屬含量在土壤環境允許范圍內，土壤環境質量良好。
引言
近年來，隨著水處理行業的發展，污泥產量的日益增多，污泥對環境的影響日益受到行業重視。污泥是污水處理過程中的固體廢棄物，含有大量的有毒有害、病原微生物等，同時也含有一定的養分和豐富的有機質，若處理妥當，既可以緩解環境壓力，又可以“變廢為寶”。污泥資源化處理途徑主要分為建材利用、燃料利用、土地利用。不同資源化方式，因地制宜，從長遠來看，污泥經處理達標后，開展土地利用是一種生態的、可持續的、有潛力的利用方式。并且從國家政策來看，“土十條”、國務院《土壤污染防治行動計劃》、“十三五”規劃、《北京市土壤污染防治工作方案》等相關政府文件也都明確指出鼓勵達標污泥產品開展園林綠化等土地利用。但在國內，達標處理后污泥產品開展土地利用因缺乏科學監測數據指導，導致政府、公眾等對達標污泥產品開展土地利用的方式存有疑慮。因此，本研究基于北京城市排水集團有限責任公司承擔的國家發改委《污泥資源化苗圃種植項目》中的林間施肥子項目大興區作為研究示范區，將對北京城市生活污泥經好氧發酵后達標污泥產品開展林地間施肥土地利用的土壤環境進行跟蹤監測研究，以期為污泥產品的土地利用資源化發展方式提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
研究區位于北京市大興區榆垡鎮和禮賢鎮的平原造林工程的林地范圍內，選取3處典型監測示范地塊（如圖1），共計面積約7 800畝（1畝≈667 m2），所有污泥產品為北京城市排水集團有限責任公司城市生活污泥經好氧發酵工藝生產，品質如表1所示，施肥量按《城鎮污水處理廠污泥處置 林地用泥質》（CJ/T 362-2011）標準中“4.6 林地年施用污泥量累計不應超過30 t/hm2”，施用次數為1次，施用時間為2017年4-10月。土壤類型1、2號地塊為風沙土，3號地塊為潮土。風沙土沿永定河北岸呈帶狀分布，施肥林地寬度500~800 m，延伸長度約26 km；潮土在永定河一級階地前緣，施肥林地寬度300~500 m，北西向延伸長度約9 km。
1.2 采樣與檢測方法
研究區共劃分3個典型監測示范地塊，每個典型監測示范地塊進一步分3個采樣區域，共9個采樣區。每個采樣點按梅花5點采樣法采集后現場混合，每點按照0~30 cm表層土取樣。采樣時間劃分：背景值在污泥產品施用之前取樣，污泥產品施用后，每半年為一個監測周期取樣一次，取樣時間見表2。
檢測項目包括鎘、鋅、鉛、鉻、砷、鎳、汞、銅8種重金屬。其中，鎘和鉛采用石墨爐原子吸收分光度法，銅、鋅、鉻和鎳采用火焰原子吸收分光光度法，砷采用原子熒光法，汞采用冷原子吸收分光光度法。
1.3 數據分析方法
1.3.1 統計分析
基本數據分析采用Excel，標準差和顯著性分析利用SPASS分析軟件，單因素ANOVA，LSD(L)，P＜0.05。
1.3.2 單因子污染指數法
單因子污染指數法是最常用的評價方法，是以土壤中某一污染物的背景值或標準限值作為評價指標來衡量污染物的累積污染程度，計算見式（1）：
式中 Pi——土壤中重金屬i的污染指數；
Ci——土壤中重金屬i的實際測量濃度；
Si——土壤重金屬i的評價標準值。
分別計算各評價因子的污染指數后通過表3可得到各重金屬的評價結果。
土壤環境質量執行《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中的風險篩選值，見表4。
2 結果與分析
2.1 示范區土壤背景及跟蹤監測數據分析
從表5土壤背景值的監測結果來看，1~3號地塊各監測點的銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻、汞、砷均在正常合理范圍，平均值分別為15.44 mg/kg、51.6 mg/kg、17.17 mg/kg、0.14 mg/kg、21.78 mg/kg、50.44 mg/kg、0.043 mg/kg、6.49 mg/kg，與前人的研究結果中各項重金屬的幾何平均值相比，銅18.7 mg/kg、鋅76.27 mg/kg、鉛24.6 mg/kg、鎘0.119 mg/kg、鎳26.8 mg/kg、鉻60.75 mg/kg、汞0.2 175 mg/kg、砷7.09 mg/kg，各項目指標均與研究結果相當，且大部分低于研究結果中的幾何平均值，汞遠低于研究結果幾何平均值，這與取樣的空間位置相關。
從表5各期監測結果對標來看，根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018），按土壤pH＞7.5來看，本研究中背景值、跟蹤一期、跟蹤二期、跟蹤三期和跟蹤四期表層土中八項重金屬均低于標準中的風險篩選值（見表4），根據標準“6.1當土壤中污染物含量等于或者低于表中規定的風險篩選值時，農用地土壤污染風險低，一般情況下可以忽略”，表明污泥產品施用前后土壤環境狀況均良好。
不同取樣地塊間，土壤背景值及監測值均表現出明顯空間差異性。3號地塊的八項重金屬土壤背景值均高于1號、2號地塊，1號和2號地塊各項重金屬相當，背景環境容量大小將影響進入土壤的重金屬數量，進而影響污泥產品施用量。從跟蹤一至四期的檢測數據來看，在不同地塊間，也表現出與土壤背景值相同的空間規律。這與取樣的空間位置具有很大相關性，1號、2號地塊靠近永定河河道，主要是以沙土為主，農耕較弱。3號地塊屬于潮土，據現場調查，平原造林工程建設實施前屬于良田，農耕強烈，重金屬含量較其他兩塊監測點高，可能與前期人類活動有關。
2.2 土壤重金屬趨勢分析
從污泥產品施用后4個周期的跟蹤監測數據來看，8項重金屬沒有一致的變化規律，除砷重金屬以外，其他各項重金屬在施肥跟蹤一期均表現一致，重金屬量先升高，跟蹤二期降低至原土壤背景值水平上下，跟蹤三期和跟蹤四期變化不一致，但均低于跟蹤一期。
根據重金屬顯著性檢驗結果，土壤施肥后，由于受到外源重金屬進入土壤時間短，遷移轉化滯后，跟蹤一期受影響程度最為顯著，銅、鋅、鉛、鉻、汞5種重金屬累積呈顯著水平，鎘、鎳、砷累積不顯著。除重金屬砷以外，跟蹤一期各重金屬在土壤間均有不同程度累積，與背景值相比，銅累積35.3%、鋅累積53.1%、鉛累積30.0%、鎘累積11.6%、鎳累積4.23%、鉻累積25.7%、汞累積190%、砷為-17.7%。從累積程度大小來看，汞＞鋅＞銅＞鉛＞鉻，均超過背景值20%以上，其中，汞跟蹤一期超出背景值接近2倍，為土地利用關鍵考核元素。
隨著監測周期的延長，跟蹤一期表現顯著水平的銅、鋅、鉛、鉻4種重金屬，在跟蹤二期至跟蹤四期與背景值比較表現累積不顯著；汞在跟蹤二期至三期表現累積不顯著，跟蹤四期表現累積顯著，跟蹤四期與跟蹤三期表現顯著水平。分析說明，污泥產品施用后會對土壤在一定周期內產生累積效應，但隨著時間遷移，累積效應減弱，跟蹤二、三、四期由于不再進行污泥產品施肥作業，進入土壤中的重金屬在地下淋溶、植物吸收等因素條件下，比較容易遷移的重金屬總量減少，剩余鈍化態重金屬存留在土壤中。部分重金屬在跟蹤期內再次表現累積顯著水平，可能與大氣沉降或人類活動等因素有關。
從累積原因分析來看，累積量比較大的重金屬元素，污泥產品中的含量也高，其中，污泥產品中汞較土壤背景值高113倍、鋅為11.1倍、銅為12.5倍、鉛為1.2倍、鉻為1.3倍，只有污泥產品中砷比土壤背景值低。同時，各別監測數據值異常偏高，也會影響平均水平，這與污泥施用過程中翻耕不均勻，取樣會產生誤差也有關系。已有研究在開展污泥土地利用試驗中也表現出土壤重金屬累積效應，污泥施用量增加，土壤中的重金屬元素含量基本呈遞增趨勢。
重金屬砷在整個監測過程中表現與其它重金屬規律不一致，跟蹤一期減少，跟蹤二期增高至背景值兩倍，跟蹤三期、四期較跟蹤二期減少。從原因分析來看：跟蹤一期降低是由于污泥產品中砷低于土壤背景值，施肥翻耕后，由于稀釋作用，導致砷先減少，跟蹤二期增高可能由取樣原因導致檢測誤差或人類活動干擾造成；跟蹤二期升高也可能與土壤堿性變化有關。根據研究顯示，砷在土壤中的含量和土壤pH呈負相關，土壤pH升高時，土壤中砷的吸附減少，溶解度增大，砷含量降低。本項目一期施肥造成施肥區堿性增加，砷含量降低，二期停止施肥加上自然淋溶導致土壤堿性降低，土壤中砷吸附增加，砷含量增加，與引用文獻中的結論一致。
2.3 土壤環境質量評價分析
本研究采用單因子污染指數法，選用農用地土壤污染風險篩選值（pH＞7.5）為基準值進行計算，從計算結果（見表6）來看，示范區監測地塊跟蹤期內銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻、汞、砷8項重金屬指數值在0~0.57，均＜1.0。從單因子污染指數法分級標準來看，各取樣點重金屬未超標，重金屬含量在土壤允許范圍內，土壤環境質量良好。
3 結論
（1）根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018），按土壤pH＞7.5來看，本研究中背景值、跟蹤一期、跟蹤二期、跟蹤三期和跟蹤四期表層土中監測因子均低于標準中的風險篩選值。
（2）土壤背景值存在空間差異性，環境容量決定污泥產品利用量，污泥產品土地利用前應做好場地環境調查，評估利用可行性。
（3）本研究顯示污泥產品施用后土地會在一定周期內表現重金屬累積效應，但隨著時間遷移，累積效應減弱，污泥產品中含量高的重金屬元素，施用過程中累積量也會高，重金屬的累積會影響污泥產品的施用量和施用年限。本研究中顯示，重金屬汞是污泥產品土地利用關鍵元素。
（4）本研究利用單因子污染指數法，選用農用地土壤污染風險篩選值（pH＞7.5）為基準值進行計算，示范區監測地塊內銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻、汞、砷8項重金屬指數值均＜1.0，評價結果顯示重金屬含量在土壤環境允許范圍內，土壤環境質量良好。
本研究是基于一次林地污泥產品施用后開展的長期定位監測研究，重點關注施肥后對土壤重金屬的影響情況，而污泥產品林地施肥環境評價是一項綜合技術，可能存在一定的局限性，還應在后續研究中重點關注連年施肥對土壤狀況的影響以及施肥后對地下水環境、林木生長狀況的影響，以期為達標污泥產品林地資源化利用提供更全面的科研支撐。
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