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261.2×104km2，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，结果见表1。

表1沙地修复技术及其应用

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、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《“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1.25×108m3/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4.12×109m3/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1.24×107～2.06×107m3/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2006—2013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GB18918—2002《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。

表2城市污泥中的养分及有机质浓度


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0～25cm土层中显著增加，同时磷绝大部分保留在土壤表层(0～25cm)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1∶1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、好氧污泥分别与米糠按照氮浓度为50、150和300mg/kg组成混合基质，施用到砂质土壤中进行试验，结果表明，所有施用污泥的土壤中微生物种类保持稳定，但是土壤中生物量碳、β-葡糖苷酶、脱氢酶、蛋白酶和碱性磷酸单酯酶活性均较对照组有较大提升。

因此，城市污泥的施用，可以提高沙地土壤微生物多样性及土壤酶活性，微生物在土壤中的活动反过来增加沙地土壤的养分含量，促进土壤改良和植被恢复，最终达到生态修复的目的。

4城市污泥用于沙地生态修复的潜在环境风险及防控对策

4.1潜在环境风险

4.1.1重金属污染

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。污泥中的重金属主要有Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cr、Hg、Cd和Mo等。不同地区的城市污泥所含重金属的种类和数量有所差异，主要是不同城市的工业类型不同，排放的污水有所差异，致使污泥中重金属的种类和浓度也有所不同。

一般来说，以处理生活污水为主的污水处理厂所产生的污泥重金属浓度较低。如广西省城市污泥的总养分为87.11g/kg，有机质占34.63%，具有较高的农用价值，然而Zn和Cd平均浓度分别为1095.75和16.22mg/kg，超过GB4284—1984标准限值;广州市不同类型城市污泥中Cu、Zn、Mn和Ni浓度较高，变化幅度较大，而Pb和Cr浓度较低。污泥中重金属会抑制植物的生长发育，并在植物体内累积，有关污泥的施用导致沙地植物体内重金属的累积鲜有报道。

但污泥的农用会导致农田土壤中重金属累积，致使小麦、大豆、蔬菜等作物可食用部位重金属浓度超标;抑制作物的生长，降低其品质;加重土壤的盐渍化，抑制苗木种子的发芽率及苗木生长等相关的研究很多。因此，需进一步研究污泥施用于沙地时，重金属在植物体内的累积情况。另外，由于污泥施用量过大或长时间施用，重金属具有易迁移的特性，可能会对地下水造成不同程度的污染风险。

4.1.2N、P累积性污染

城市污泥中丰富的N、P对沙地土壤是很好的补充，但如果施用过量或者长期施用会导致养分过剩，多余的N、P通过地表径流和地下渗漏使地表水和地下水受到污染。Suramplli等的研究表明，长期(85a)施用污泥的土壤及地下水中未见重金属的累积，但在地下水中却检测出硝态氮的存在。

Kumar等的研究发现，当城市污泥中氮浓度达到土地利用标准时，磷浓度会超出相应的标准，存在向水体迁移的风险。Shober等通过简单脱水干化后直接将城市污泥施用到土壤中，经过多年连续研究发现，除了导致Zn、Cu浓度增加外，有效态N、P浓度也大幅增加，可能会导致水体富营养化及地下水污染。但堆肥熟化后的污泥中，可溶性N、P的量有所减少，可降低该风险。

李霞在研究城市污泥用于科尔沁沙地土壤改良过程中发现，随着污泥施用量的增加，深层土壤中硝态氮浓度远远高于表层，存在硝态氮向地下水迁移的风险。通过国内外研究发现，过量或长期施用城市污泥存在N、P污染风险，因此有必要加强N、P施用阈值的研究。

4.1.3有机污染物致癌

近年来，城市污泥中有机污染物日益受到人们的关注。国内外报道较多的是多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)，其为广泛分布于环境中的一类持久性有机污染物，部分多环芳烃具有强致癌性与致突变性，且易被生物富集，是目前城市污泥土地利用关注的重点。

由于PAHs具有疏水性和亲脂性，污水处理过程中PAHs易吸附到污泥颗粒中，如果不加以处理或施用不当，会导致PAHs在土壤中富集并污染周边土地、地下水，对植物产生持续的毒害作用，从而破坏其生态系统，通过食物链及饮用水对人体产生致癌风险。含PAHs的污泥用于沙地生态修复时应谨慎施用。

4.2对策建议

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以下对策：

(1)城市污泥中的重金属、有机污染物大多来自工业废水处理，对工业企业排放的废水中重金属、有机污染物浓度严格控制，达标排放，从源头上控制污染物在污泥中的累积。同时，将生活污水和工业废水分流，集中到不同污水处理厂处理，工业污泥和生活污泥分开处理利用，将大大减少城市污泥处理成本。

另外，考虑对工业废水采取一些前处理的措施，将重金属从废水中分离出来。并对企业排放的废水、烟气中有机污染物进行处理达标后排放，结合生物法在污水处理过程中分离纯化并接种特异性微生物来降解PAHs等有机污染物。

(2)城市污泥中含有重金属、有机污染物、病原菌、虫卵等有害物质，且含水量高、性质不稳定，直接施用在沙地上不仅易引起环境的二次污染，还存在作物烧苗和病害等问题，应进行适当的预处理。

采用高温好氧堆肥并在堆肥中添加复合微生物菌剂来钝化重金属、杀灭病原菌、降解PAHs、降低可溶性N、P的浓度、提高有机质的腐殖化程度，从而提高其土地利用的可行性和安全性。研究表明，在改良土壤中施用污泥堆肥，可促进土壤团粒结构形成，改善土壤通气状况，提高土壤对重金属、有机污染物等有害物质的缓冲能力，降低有机污染物的生物有效性等。

(3)采用固化/稳定化技术可有效减少污泥中重金属的浸出[68]，近年来被广泛应用到重金属污染土壤修复和农用污泥重金属固化等方面。有关土壤中重金属的固化/稳定化药剂有多种，硅酸钙、碳酸钙和熟石灰等石灰性物质应用较多。金属氢氧化物的溶解度都较低，如果使用石灰作为碱制剂，则可通过与钙的共沉淀现象促进沉淀产生，从而实现污泥中重金属的固定去除。

施用石灰除可固定重金属外，还能使污泥富集钙，钙可促进受施土壤的胶体凝聚，增加土壤团聚性，改善土壤结构。但在施用时应注意使污泥pH保持在碱性范围。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：

(1)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。

(2)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/T209—2009《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标准及参考标准还没有具体的规定。因此，需进一步研究城市污泥中污染物在沙地植被、土壤和地下水系统中迁移转化规律及其机制，加紧制订有关重金属、有机污染物、病原体及N、P等阈值，制订针对不同土壤类型污泥施用量、施用年限和施用方式等方面的控制标准。

(3)加强长期综合性风险评估。尽管城市污泥中含有一些有害污染物，但污泥中含有大量的营养物质，对于被破坏的沙地是很好的补充，污泥回归于土地，相对于焚烧、填埋、投海等是较合理的处理方式。但是，必须明确污泥施用过程中存在的生态环境风险，从植物、土壤和地下水三方面对沙地进行综合性风险评估。可能短时间内污泥施入对沙地生态环境没有负面影响，仍需长期定位监测，对污泥施入后的5a甚至10a内连续评估其对沙地生态环境的影响。

5结语

生态修复最终目的是增加沙地区域植物盖度。城市污泥施入沙地中可改善土壤环境，为植物营造良好的立地环境，促进植物生长，在理论上是可行的;国家针对城市污泥安全处置有专项资金补贴，以此为基础修复退化沙地，可有效降低修复成本，并产生一定经济效益，在经济上是可行的;尽管城市污泥中含有一些污染物，但随着经济技术的发展，污水处理技术的提高，污泥中重金属、有机污染物等浓度将逐渐降低，结合堆肥、固化/稳定化等技术及相关政策、标准管控使污泥达到利用标准，在技术上是可行的。

然而，城市污泥中成分复杂，资源化用于沙地生态修复可能存在一定环境风险，未来有必要加强重金属、有机污染物在沙地土壤和植物中迁移转化机理、氮和磷在土壤中迁移转化及施加阈值等方面的研究;充分考虑沙地区域风沙大、干旱少雨、沙土疏松易渗漏等自然气候特点，以及当地区域经济发展水平，结合城市污泥堆肥配施、植物修复、高分子保水材料等其他修复技术，加强技术整装集成;构建城市污泥用于沙地生态修复的生态环境风险评价模型，通过对污染物在沙地中迁移转化机理研究，从水环境、大气环境、土壤环境三方面评估污泥应用过程中可能存在的环境风险。加强以上三方面的研究，安全有效地将城市污泥应用到沙地中将是解决当前我国北方沙地区域城市污泥难处理处置的新途径。

来源：环境工程技术学报;作者：王磊，香宝，苏本营，方广玲，胡钰，潘丽波，王癑