实地监测：污泥资源化利用下林地土壤环境质量评价

导读：研究选取北京市大兴区污泥产品林地利用示范区，采用实地定位跟踪监测方式，并通过单因子污染指数法，分析研究污泥产品施用对土壤环境质量的影响情况。研究结果表明，污泥产品施用前背景值和2年跟踪监测期（每半年一期）表层土（0~30 cm）中监测因子均低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）标准中的风险筛选值；土壤背景值存在空间差异性，环境容量决定污泥产品利用量，污泥产品土地利用前应做好场地环境调查，评估利用可行性；污泥产品土地利用会有重金属累积效应，但随着时间迁移，累积效应减弱，污泥产品中含量高的重金属元素，施用过程中累积量也会高，重金属的累积会影响污泥产品的施用量和施用年限，其中重金属汞是限制污泥产品土地利用关键元素；通过单因子污染指数法对研究区跟踪期内土壤进行分析，铜、锌、铅、镉、镍、铬、汞、砷8项重金属指数值均＜1.0，评价结果显示重金属含量在土壤环境允许范围内，土壤环境质量良好。

0 引言

近年来，随着水处理行业的发展，污泥产量的日益增多，污泥对环境的影响日益受到行业重视。污泥是污水处理过程中的固体废弃物，含有大量的有毒有害、病原微生物等，同时也含有一定的养分和丰富的有机质，若处理妥当，既可以缓解环境压力，又可以“变废为宝”。污泥资源化处理途径主要分为建材利用、燃料利用、土地利用。不同资源化方式，因地制宜，从长远来看，污泥经处理达标后，开展土地利用是一种生态的、可持续的、有潜力的利用方式。并且从国家政策来看，“土十条”、国务院《土壤污染防治行动计划》、“十三五”规划、《北京市土壤污染防治工作方案》等相关政府文件也都明确指出鼓励达标污泥产品开展园林绿化等土地利用。但在国内，达标处理后污泥产品开展土地利用因缺乏科学监测数据指导，导致政府、公众等对达标污泥产品开展土地利用的方式存有疑虑。因此，本研究基于北京城市排水集团有限责任公司承担的国家发改委《污泥资源化苗圃种植项目》中的林间施肥子项目大兴区作为研究示范区，将对北京城市生活污泥经好氧发酵后达标污泥产品开展林地间施肥土地利用的土壤环境进行跟踪监测研究，以期为污泥产品的土地利用资源化发展方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市大兴区榆垡镇和礼贤镇的平原造林工程的林地范围内，选取3处典型监测示范地块（如图1），共计面积约7 800亩（1亩≈667 m²），所有污泥产品为北京城市排水集团有限责任公司城市生活污泥经好氧发酵工艺生产，品质如表1所示，施肥量按《城镇污水处理厂污泥处置 林地用泥质》（CJ/T 362-2011）标准中“4.6 林地年施用污泥量累计不应超过30 t/hm²”，施用次数为1次，施用时间为2017年4-10月。土壤类型1、2号地块为风沙土，3号地块为潮土。风沙土沿永定河北岸呈带状分布，施肥林地宽度500~800 m，延伸长度约26 km；潮土在永定河一级阶地前缘，施肥林地宽度300~500 m，北西向延伸长度约9 km。

1.2 采样与检测方法

研究区共划分3个典型监测示范地块，每个典型监测示范地块进一步分3个采样区域，共9个采样区。每个采样点按梅花5点采样法采集后现场混合，每点按照0~30 cm表层土取样。采样时间划分：背景值在污泥产品施用之前取样，污泥产品施用后，每半年为一个监测周期取样一次，取样时间见表2。

检测项目包括镉、锌、铅、铬、砷、镍、汞、铜8种重金属。其中，镉和铅采用石墨炉原子吸收分光度法，铜、锌、铬和镍采用火焰原子吸收分光光度法，砷采用原子荧光法，汞采用冷原子吸收分光光度法。

1.3 数据分析方法

1.3.1 统计分析

基本数据分析采用Excel，标准差和显著性分析利用SPASS分析软件，单因素ANOVA，LSD(L)，P＜0.05。

1.3.2 单因子污染指数法

单因子污染指数法是最常用的评价方法，是以土壤中某一污染物的背景值或标准限值作为评价指标来衡量污染物的累积污染程度，计算见式（1）：

式中 Pi——土壤中重金属i的污染指数；

Ci——土壤中重金属i的实际测量浓度；

Si——土壤重金属i的评价标准值。

分别计算各评价因子的污染指数后通过表3可得到各重金属的评价结果。

土壤环境质量执行《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中的风险筛选值，见表4。

2 结果与分析

2.1 示范区土壤背景及跟踪监测数据分析

从表5土壤背景值的监测结果来看，1~3号地块各监测点的铜、锌、铅、镉、镍、铬、汞、砷均在正常合理范围，平均值分别为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，与前人的研究结果中各项重金属的几何平均值相比，铜18.7 mg/kg、锌76.27 mg/kg、铅24.6 mg/kg、镉0.119 mg/kg、镍26.8 mg/kg、铬60.75 mg/kg、汞0.2 175 mg/kg、砷7.09 mg/kg，各项目指标均与研究结果相当，且大部分低于研究结果中的几何平均值，汞远低于研究结果几何平均值，这与取样的空间位置相关。

从表5各期监测结果对标来看，根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018），按土壤pH＞7.5来看，本研究中背景值、跟踪一期、跟踪二期、跟踪三期和跟踪四期表层土中八项重金属均低于标准中的风险筛选值（见表4），根据标准“6.1当土壤中污染物含量等于或者低于表中规定的风险筛选值时，农用地土壤污染风险低，一般情况下可以忽略”，表明污泥产品施用前后土壤环境状况均良好。

不同取样地块间，土壤背景值及监测值均表现出明显空间差异性。3号地块的八项重金属土壤背景值均高于1号、2号地块，1号和2号地块各项重金属相当，背景环境容量大小将影响进入土壤的重金属数量，进而影响污泥产品施用量。从跟踪一至四期的检测数据来看，在不同地块间，也表现出与土壤背景值相同的空间规律。这与取样的空间位置具有很大相关性，1号、2号地块靠近永定河河道，主要是以沙土为主，农耕较弱。3号地块属于潮土，据现场调查，平原造林工程建设实施前属于良田，农耕强烈，重金属含量较其他两块监测点高，可能与前期人类活动有关。

2.2 土壤重金属趋势分析

从污泥产品施用后4个周期的跟踪监测数据来看，8项重金属没有一致的变化规律，除砷重金属以外，其他各项重金属在施肥跟踪一期均表现一致，重金属量先升高，跟踪二期降低至原土壤背景值水平上下，跟踪三期和跟踪四期变化不一致，但均低于跟踪一期。

根据重金属显著性检验结果，土壤施肥后，由于受到外源重金属进入土壤时间短，迁移转化滞后，跟踪一期受影响程度最为显著，铜、锌、铅、铬、汞5种重金属累积呈显著水平，镉、镍、砷累积不显著。除重金属砷以外，跟踪一期各重金属在土壤间均有不同程度累积，与背景值相比，铜累积35.3%、锌累积53.1%、铅累积30.0%、镉累积11.6%、镍累积4.23%、铬累积25.7%、汞累积190%、砷为-17.7%。从累积程度大小来看，汞＞锌＞铜＞铅＞铬，均超过背景值20%以上，其中，汞跟踪一期超出背景值接近2倍，为土地利用关键考核元素。

随着监测周期的延长，跟踪一期表现显著水平的铜、锌、铅、铬4种重金属，在跟踪二期至跟踪四期与背景值比较表现累积不显著；汞在跟踪二期至三期表现累积不显著，跟踪四期表现累积显著，跟踪四期与跟踪三期表现显著水平。分析说明，污泥产品施用后会对土壤在一定周期内产生累积效应，但随着时间迁移，累积效应减弱，跟踪二、三、四期由于不再进行污泥产品施肥作业，进入土壤中的重金属在地下淋溶、植物吸收等因素条件下，比较容易迁移的重金属总量减少，剩余钝化态重金属存留在土壤中。部分重金属在跟踪期内再次表现累积显著水平，可能与大气沉降或人类活动等因素有关。

从累积原因分析来看，累积量比较大的重金属元素，污泥产品中的含量也高，其中，污泥产品中汞较土壤背景值高113倍、锌为11.1倍、铜为12.5倍、铅为1.2倍、铬为1.3倍，只有污泥产品中砷比土壤背景值低。同时，各别监测数据值异常偏高，也会影响平均水平，这与污泥施用过程中翻耕不均匀，取样会产生误差也有关系。已有研究在开展污泥土地利用试验中也表现出土壤重金属累积效应，污泥施用量增加，土壤中的重金属元素含量基本呈递增趋势。

重金属砷在整个监测过程中表现与其它重金属规律不一致，跟踪一期减少，跟踪二期增高至背景值两倍，跟踪三期、四期较跟踪二期减少。从原因分析来看：跟踪一期降低是由于污泥产品中砷低于土壤背景值，施肥翻耕后，由于稀释作用，导致砷先减少，跟踪二期增高可能由取样原因导致检测误差或人类活动干扰造成；跟踪二期升高也可能与土壤碱性变化有关。根据研究显示，砷在土壤中的含量和土壤pH呈负相关，土壤pH升高时，土壤中砷的吸附减少，溶解度增大，砷含量降低。本项目一期施肥造成施肥区碱性增加，砷含量降低，二期停止施肥加上自然淋溶导致土壤碱性降低，土壤中砷吸附增加，砷含量增加，与引用文献中的结论一致。

2.3 土壤环境质量评价分析

本研究采用单因子污染指数法，选用农用地土壤污染风险筛选值（pH＞7.5）为基准值进行计算，从计算结果（见表6）来看，示范区监测地块跟踪期内铜、锌、铅、镉、镍、铬、汞、砷8项重金属指数值在0~0.57，均＜1.0。从单因子污染指数法分级标准来看，各取样点重金属未超标，重金属含量在土壤允许范围内，土壤环境质量良好。

3 结论

（1）根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018），按土壤pH＞7.5来看，本研究中背景值、跟踪一期、跟踪二期、跟踪三期和跟踪四期表层土中监测因子均低于标准中的风险筛选值。

（2）土壤背景值存在空间差异性，环境容量决定污泥产品利用量，污泥产品土地利用前应做好场地环境调查，评估利用可行性。

（3）本研究显示污泥产品施用后土地会在一定周期内表现重金属累积效应，但随着时间迁移，累积效应减弱，污泥产品中含量高的重金属元素，施用过程中累积量也会高，重金属的累积会影响污泥产品的施用量和施用年限。本研究中显示，重金属汞是污泥产品土地利用关键元素。

（4）本研究利用单因子污染指数法，选用农用地土壤污染风险筛选值（pH＞7.5）为基准值进行计算，示范区监测地块内铜、锌、铅、镉、镍、铬、汞、砷8项重金属指数值均＜1.0，评价结果显示重金属含量在土壤环境允许范围内，土壤环境质量良好。

本研究是基于一次林地污泥产品施用后开展的长期定位监测研究，重点关注施肥后对土壤重金属的影响情况，而污泥产品林地施肥环境评价是一项综合技术，可能存在一定的局限性，还应在后续研究中重点关注连年施肥对土壤状况的影响以及施肥后对地下水环境、林木生长状况的影响，以期为达标污泥产品林地资源化利用提供更全面的科研支撑。