污泥土地利用的重金属风险及其削减途径
1 引言
污泥又名污水污泥，是指污水处理厂在净化污水过程中的副产物，是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。由于经济和城市化水平的不断提高及人口的增长，我国污水处理厂迅速增加，相应的污泥产生量也急剧增加。
随着垃圾（包括污泥）填埋场地的越来越少以及对资源循环利用的需求，污泥的土地利用已成为污泥处置的发展方向。污泥含有多种重金属、有机污染物和病原物，这些环境危险物质随污泥进入土壤，对生态环境安全和人类健康带来风险，甚至构成威胁。其中，污水污泥中重金属的含量一直都是人们所关心的环境问题，担心城市污泥中会含有大量重金属，因此把重金属问题看作是限制其农用的主要障碍。
本文就污泥土地利用过程中污泥中重金属含量及其对土壤质量、植物等的潜在影响，以及削减这种环境风险的措施作一综述，为污泥的安全处置及土地利用过程中的生态环境保护提供科学信息和管理经验。
2 污泥中重金属的含量
污泥是污水处理的副产物，污水中的污染物在污水处理过程中部分会转移到污泥中。重金属是污泥中最主要的污染物之一。重金属由于具有难迁移、易富集、危害大等特点一直是限制污泥农业利用的最主要因素。陈同斌等[1]对国内（1994～2001）报道的城市污泥重金属的资料进行统计分析表明，我国城市污泥的Ni、Pb、Cr、Cu、Zn含量变化幅度很大，极差最高达几千mg kg-1。从统计结果和根据污泥农用标准进行分析来看，其中Cu和Zn是我国污泥中含量最高的元素，也是限制其土地利用的主要因素之一。李季和吴为中[2]对我国44个城市污水污泥重金属含量进行了统计分析，Cu和Zn的含量低于陈同斌等[1]的对我国部分污水处理厂污泥统计结果，而对于毒性较大的Hg和As，含量则较高。从总量的角度研究重金属是比较传统的研究方法，但只凭一个总量无法说明重金属的活性和生物有效性。因此，在对污泥中重金属进行研究时，不仅要考虑全量，还要对其分布形态进行研究。
3 污泥土地利用的重金属风险
3.1 增加土壤中重金属含量
施用含有重金属的污泥后，土壤和土壤溶液中各形态的重金属含量均有所增加，但以表层增加最多。由于重金属具有难迁移难转化的特点，因此污泥施用后可以长时间保留在土壤中。长期施用污泥的土壤停止施用污泥后，重金属在各形态中的分布没有明显变化，表明重金属对植物、动物和微生物的毒害作用仍然存在。既然污泥施用后，重金属会残留在土壤中，随着污泥施用时间的不断延长，重金属就会在土壤中不断累积。土壤中重金属含量的增加对人类、动物、植物和土壤生态系统都存在着潜在的危害，污泥土地利用时，应综合考虑施用量、施用地点和施用时间等方面的选择。
3.2 对植物的毒害作用
一般而言，随着污泥施用量的增加，作物体内重金属的含量增加。国外专家研究发现，与化肥相比，长期施用污泥土壤的小麦籽粒Cu、Zn含量明显增加。污泥浸提液中的重金属对植物幼苗也有一定的毒害作用，在各种污泥浸提液中，中国大白菜种子发芽率保持较高的水平，随着污泥浸提液浓度的降低，种子发芽率升高。
植物对重金属的吸收受到土壤条件、重金属形态、植物类型等多种因素的影响，不能只从土壤重金属的总量角度来研究。重金属植物有效性是一个涉及物理、化学、生物学等许多因素的交叉研究课题。污泥中重金属的活性既不同于土壤中原有的重金属，又不同于以无机盐形式加入的重金属，其在土壤中的形态转化和植物有效性更带有本身的复杂性，需要更深入细致的研究。
3.3 对人和动物的毒害
重金属对人类健康的危害主要通过以下几种途径：（1）人直接暴露在重金属污染的环境中。施入污泥后，土壤中重金属含量提高，人类暴露于污染环境的机会增加。尤其是当污泥用于园林绿地时，这种直接危害更大。（2）重金属通过食物链进入人体。生长在重金属污染土壤上的作物，体内重金属含量也较高，如果摄入了这种受污染的食物，就会危害人类健康。同样，通过食用受污染的动物，也增加了重金属对人类的毒害作用。（3）饮用含重金属较高的水，也可能引起重金属在体内的积累。（4）如果大气中悬浮颗粒物或气溶胶中含有重金属，也可能通过呼吸道进入人和动物体内，产生毒害作用。
动物通过食用受污染的牧草或在放牧过程中直接将受污染土壤摄入体内，增加了重金属对动物产生毒害的可能性。专家对Cd在羊可食部分的积累进行研究时发现，放牧结束时，施污泥草地上的羊肌肉内Cd含量与放牧前相比没有明显变化，但羊肾内Cd含量明显增加，此外，污泥表施处理中羊肝脏内Cd含量显著提高。动物体内重金属浓度的增加，一方面会危害动物的健康，影响其健康生长；另一方面，增加了通过食物链方式对人类健康危害的可能性。
3.4 对土壤微生物的影响
土壤微生物是土壤肥力的一个重要指标，它与植物所需养分的生物化学循环和有机碳的转换密切相关。当地球化学指标不能对污染物影响土壤生态系统做出有效评价时，微生物学指标可以预示潜在性有毒物质对土壤肥力的影响。
施用污泥，一方面增加了土壤有机质、全氮等养分的含量，提高了土壤肥力，有利于土壤微生物活性的增加。另一方面，由于污泥中含有重金属等污染物质，随污泥带入土壤的污染物质也会对土壤微生物产生毒害作用。施用重金属污染的污泥后，土壤的微生物生物量、呼吸速率会发生显著变化。施用污泥会使土壤微生物种群结构发生改变。虽然关于污泥施用对土壤中微生物种类和微生物活性的影响进行了广泛的研究，但是在污泥农用对土壤微生物生态系统风险评价中还缺乏有效的生物学指标。
3.5 对土壤酶的影响
土壤酶对环境管理因素引起的变化较为敏感，且具有良好的时效性特点。土壤酶活性在一定程度上还可以反映出环境状况，某些污染物的存在能抑制土壤酶活性，如脲酶和脱氢酶活性对某些重金属的反应很敏感。刘云国等[3]研究发现，土壤脲酶活性随土壤Cd浓度的增加而降低，脲酶活性与土壤Cd浓度显著负相关。谭启玲等[4]的研究结果表明，污泥的施用能增加潮土中脲酶的活性，多酚氧化酶及中性磷酸酶的活性与污泥的施用量有一定相关性，并与土壤中交换态Zn、Cu 含量呈一定负相关。
微生物活性与污泥性质、施用量有关。当施用低量外加重金属和不加重金属的污泥时（100 m3 ha-1），二者脱氢酶活性均升高，而当污泥施用量较高时（300 m3 ha-1），外加重金属污泥的脱氢酶活性降低。虽然土壤酶对土壤污染程度非常敏感，但仅仅以土壤酶来进行评价还远远不够，研究表明，酶活性与微生物量的比率是评价环境胁迫的敏感指标。虽然有关重金属对土壤酶的研究较多，但在重金属的环境风险评价中还没有被广泛应用。
3.6 对土壤动物的影响
有关重金属对土壤动物的研究以重金属对蚯蚓的效应居多。研究结果表明，与对照处理相比，施用污泥后，蚯蚓体内Cu和Zn的含量增加。蚯蚓体内重金属含量的增加会明显降低其繁殖能力，生命周期延长。对生活在重金属污染的河流冲积平原土壤中蚯蚓的研究结果表明，蚯蚓体内重金属含量高于未污染的对照区域。由于土壤中的重金属很难被蚯蚓吸收利用，在评价重金属对蚯蚓的毒害作用时，不应只考虑土壤中重金属的全量，还应当考虑土壤溶液中和植物体内重金属的含量。目前，虽然对污泥施用的重金属效应进行了较为广泛的研究，但对土壤动物的研究还相当缺乏，应加强这方面的科学研究。
4 削减污泥中重金属危害的途径
4.1 堆肥
堆肥是一种把有机废物分解转化成类腐殖质的过程，该过程是在不同微生物的参与下完成的，是一种经济、有效的污泥处理方法。污泥经过堆肥处理，其重金属形态有较大的变化。一般是水浸提态重金属的量减小，交换态和有机结合态重金属的量有所增加，而残渣态的量不同的重金属变化不尽相同，但其比不同浸提剂所提取的总量大的多[5,6]。在堆肥过程中加入钝化剂，如泥炭、粉煤灰和磷矿粉可以有效降低堆肥中有效性重金属含量，是一种简单可行的污泥稳定处理技术[7]。虽然堆肥可以改变污泥中重金属的形态，降低其活性，但是污泥堆肥厂一次性投资和占地面积大、堆肥周期较长，研制低投入、高效率的污泥堆肥工艺是堆肥技术研究及推广应用的关键。
4.2 碱性稳定
碱性稳定是指将碱性材料加到处理的污泥中，通过提高污泥的pH值，达到无害化，实现污泥资源化的目的。在碱性稳定过程中，由于添加了大量碱性物料，污泥pH值升高，重金属形态发生改变，从而降低了其生物有效性。此外，在酸性土壤中施用碱性稳定污泥和N-Viro Soil（一种碱性污泥产品）可以降低土壤中可溶态和可交换态的铝的含量，从而降低了铝对植物产生毒害的可能性。因此有关施用碱性污泥的重金属环境风险，有待于进一步深入研究，特别是当碱性污泥施用到酸性土壤后重金属的形态和活性应引起关注。
4.3 生物浸沥
生物浸沥是一种较新的能够经济有效去除污泥中重金属的方法。生物浸沥过程中起作用的是硫杆菌属（Thiobacillus）类细菌。周立祥等[8]采用自制的活性较高的硫杆菌菌液对供试厌氧消化污泥中重金属进行生物淋滤，结果表明，通过8天时间，污泥中Cu和Zn的去除率分别达93%和85%。硫化菌对污泥中重金属的淋滤效果受到温度、氧气和二氧化碳浓度、起始pH、污泥种类与浓度、抑制因子、二价铁浓度等因素的影响[9,10]。
随着污泥农用处置方式日益受到重视，生物浸沥作为一种经济有效的去除污泥中重金属的手段具有广阔的应用前景，应该加强有关这方面的研究并应用在实际的工程中，让污泥成为符合环境标准要求的可利用的资源。在实际的应用中应该结合污水处理工艺，以减少工程和运行成本，提高生物淋滤的利用价值。
4.4 完善污泥农用的标准和法律法规
为了防止过量施用污泥对环境和作物造成危害，许多发达国家对污泥的处置利用都制定了严格的法律法规。如美国EPA对污泥的标准、施用地点的选择、病原物的控制、重金属的允许施入量、水源的保护等都作了相应的规定。我国1984年颁布了《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284－84），按酸性、中性及碱性土壤分别规定了污泥农用的有害物质标准。但是，我国关于污泥农用的标准和法律法规还不健全，如还缺乏有机污染物和病原物的农用标准，并且对施用地点、施用后禁止进入的时间等都缺乏相应的管理规定，这都有待于在科学研究的基础上进一步完善。虽然新的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中对锌和铜的临界含量做了一定调整，按照新的标准会有更多的污泥符合农用的要求。但这同时也意味着可以进入土壤的重金属增加，至于其环境风险是否也因此提高是值得关注的问题。控制污泥中污染物含量最根本的措施是：污水厂应该从源头抓起，控制入厂污水的质量，防止含特定污染物较高的污水的混入，以降低污泥中污染物的含量。另外，要向社会各界大力宣传环保知识，让广大污泥用户了解科学施用污泥的利益和盲目施用污泥的危害，自觉遵守污泥土地利用的环境法律法规。
5 结语
综上所述，污泥中重金属种类繁多，并且在土壤中存在一定的积累现象，如果在污泥处置过程中没有采取相应的安全措施，必将对生态环境、人类和其他生物健康产生风险。随着社会的发展和人们环境意识的增强，关于污泥中重金属的研究已从传统的对作物的毒害作用转移到对生态环境安全和人类健康的影响上，如污泥中的重金属对人和动物、土壤微生物、土壤动物和土壤酶的影响等。降低污泥土地利用过程中重金属的环境风险除了依靠堆肥，碱性稳定，生物淋滤等技术措施外，很大程度上取决于国家环境法律法规的完善和人们保护环境自觉程度，这需这一方面需要环境科学和土壤科学等相关学科及其专家们的通力合作，同时也需要政府、管理部门和企业及其与科技界的共同努力，以推动和促进污泥及其土地资源化利用的研究与管理工作。
参考文献
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[8]周立祥,王艮梅.污水污泥中重金属的细菌淋滤效果研究[J].环境科学学报,2001,21(4):504-506.
[9] 周顺桂,周立祥,黄焕忠.生物淋滤技术在去除污泥中重金属的应用[J].生态学报,2002,22(1):125-133.
[10] Chen Y X, Hua Y M, Zhang S H. et al. Transformation of heavy metal forms during sewage sludge bioleaching[J]. Journal of Hazardous Materials, 2005,123 (1-3):196-202.
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