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1、城市污泥修复沙化土壤的可行性与实施方案,农业基础科学论文1 研究背景和意义 城市污水处理厂污泥下面简称 城市污泥 是城市污水处理厂净化污水后的沉淀物，是由人体排泄物、细菌菌体、微生物以及其它有机无机物质组成的一种复杂的非均质体，是污水处理经过中的必然产物1.城市污泥多为黑色或黑褐色的流体状或泥饼状物质，其含水量高、易腐败、并伴有恶臭。1857 年，世界上第一个污水处理厂诞生在英国伦敦，而近些年来各个国家和地区的工业以及城镇化的迅猛发展，导致城市生活、工业废水以及城市污泥的产出量直线增长。据最新的(中国污泥处理处置市场分析报告测算，到 2021 年，我们国家城市污水处理厂产出的湿污泥含水率为 8
2、0%将到达惊人的 3359 万吨/年，换算成天天的产量为 9.2万吨/日。然而，中国的城市污泥处理处置现在状况令人堪忧，截至当前城市污泥的主要处置方式仍为饱受诟病的土地填埋。城市的填埋场不肯接受城市污泥已是不争事实。 我们国家是一个土地沙漠化严重的国家。2018 年 1月 4 日，新闻办公室发布第四次全国荒漠化和沙化监测结果。结果显示：中国荒漠化土地与沙化土地面积分别为 2623700km2与 1731100 km2,两者分别占国土总面积的 27.33%和 18.03%2.据新疆维吾尔自治区防沙治沙领导小组发布的(新疆荒漠化和沙化状况公报显示，全区具有明显沙化趋势的土地面积为4.75 万平方公
3、里，主要分布在喀什、巴州、阿克苏这三个地州3.在世界范围内，沙化土壤的主要标志就是有机质含量下降。城市污泥含有大量的有机质及 N、P、K、Ca 等植物营养元素，且 N、P 以有机态为主，肥效特征类似有机肥，具有缓释性4.城市污泥还具有良好的保水性与保肥性，这与沙化土壤的容重高、孔隙度大、水分与养分极易流失构成互补。 2 城市污泥及土地利用研究现在状况 2.1 城市污泥的理化性质特征 近年来，由于国家强迫要求的城市污水处理厂的深度改造相继完成，污水二级处理工艺使得污水中的氮和磷含量持续增大，直接导致城市污泥氮、磷等营养元素含量随着污水脱氮除磷工艺的强化而增加，这将有利于城市污泥的土地利用乃至改进
4、沙化土壤。表 15与表 26分别为我们国家 98 个污水处理厂污泥营养物质成分统计与我们国家 44 个城市污水处理厂污泥重金属含量调查。 表 1 与表 2 数据讲明：我们国家城市污泥的养分含量较高，包括有机质、氮磷钾等营养物质；而重金属样品的超标率较低，只要 Zn 的超标比拟明显，最高达 55%.需要指出的是：城市污水处理厂污水中的的重金属来源于工业废水、生活废水和雨水径流，污水中 70%90%的重金属元素通过吸附或沉淀转移到城市污泥中。根据陈同斌7等 2006 年的研究，其团队选取的 107 个城市污泥进行重金属分析表示清楚，中国城市污泥中大部分重金属含量较 2001 年呈下降趋势，城市污泥
5、资源化利用经过中的重金属污染风险总体不高。 2.2 污泥土地利用研究现在状况 据德国统计局统计，当前德国污水处理厂产生污泥量约为 220 万吨干物质污泥，之中将近60%用于农业利用和土地改造。每千克城市污泥干物质中，含有 24 g 的磷化合物和 44 g 的氮化合物。 城市污泥土地利用就是利用华而不实大量的有机质以及较为丰富的氮、磷、钾等营养元素，改善土壤构造、防治土壤板结。城市污泥土地利用主要包括农田、园林绿化、严重扰动土地改进、开荒地、育苗以及沙化土壤的改进与修复等。8城市污泥改进沙化土壤是其土地利用的重要方式之一，详见图1.【1】 城市污泥施入拟改进土壤后，能够明显改善土壤物理与化学性质
6、，促进土壤团粒构造的构成，显着提高土壤的阳离子交换量值CEC。研究表示清楚，施用城市污泥能提高土壤有机质OM、全 N 以及速效 N、P、K 含量并调节土壤 pH 值，提高土壤电导率EC9,10,11,并增加土壤有效氮AN、土壤有机碳TOC等12.据王新等的研究13表示清楚，在城市污泥与对照土壤充分混合一年后，混合后土壤有机质含量比对照分别增加 16.39%和 63.05%,全氮、全 磷 含 量 比 对 照 分 别 增 加 61.29% 和 132% 、124.8%和293.6%. 3 污泥修复沙化土壤的可行性与研究施行方案 3.1 可行性研究 3.1.1 对沙化土壤理化性质的影响国内外学者证施
7、行用城市污泥14,15或者城市污泥制品16能显着提高沙化土壤饱和含水率和持水性能，其本质是城市污泥能够改进土壤理化性质，包括增加土壤团粒构造和孔隙率17,18,19等。 Marshall and holmes20在半干旱地区土壤中添加城市污泥，结果证明施入城市污泥后不仅提高土壤的持水性能，还能提高混合后土壤外表水分的浸透性，这能更好的减少水分蒸发。Jos IgnacioQuerejeta21等的研究结果表示清楚施加城市污泥后的第三年，通过对砂质土壤深 70 cm 处的含水量进行监测，发现湿润季节的储水量比不添加污泥的对照高 35%,而在干旱季节表现愈加明显。PedroJurado and Da
8、vid B.Wester 等22对美国德克萨斯州西部的奇瓦瓦沙漠施用城市污泥改进，根据污泥与沙土的四种不同比例，对荒漠表层在一年内施加两次污泥，仅施加一年，连续 4 年对一种荒漠植物Tobosagrass的生长响应情况和植株中的总克氏氮进行检测。 研究表示清楚，Tobosagrass 的生物量产出随污泥比例的增大呈直线型增长；植物体中的氮浓度与污泥的关系则是呈二次方响应。 3.1.2 对植物生长的影响城市污泥能够改善沙化土壤构造，为植物生长发育提供良好的根系生长环境。李宇庆23将城市污泥的制品用于木槿的培养基质，10%、30%和50%重量比 的三种处理均不同程度地促进了木槿的生长发育，地上生物
9、量与地下生物量均比对照提高显着，华而不实地上生物量最显着的比照对照增长 200.8%,地下生物量增长最高达 253.9%.将城市污泥施用于苜蓿草地显着增加苜蓿的产量及其生物量，施用量以 12 kg/m2为宜。实验证明当污泥施用量过大 2 kg/m2时，苜蓿的长势情况虽好于对照，但随着生长的继续生物量却呈下降的趋势24. 3.1.3 对土壤和植物中重金属的影响沙土多呈碱性，而污泥中重金属具有碱性稳定性的特点，这有利于城市污泥用于改进沙化土壤。 城市污泥中的重金属随着污泥进入土壤环境，进而改变了原土壤中的重金属含量25.研究表示清楚，配施城市污泥到沙化土壤后，各种重金属几乎全部停留在土壤表层020
10、 cm，即向下转移的重金属部分很少 10%1,尤其在干旱地区造成地下水污染的可能性较小。Besrlni27将城市污泥作为土壤改进剂，对重金属元素的迁移进行研究。试验证明配施城市污泥初期，Pb、Cu、Zn 等重金属都滞留在土壤上层 5 cm,在施入后的 16 和 52 个月后，Cu、Zn、Pb 等仍然在土层浅处的 5 cm 居多。而在对收集的土壤渗滤液的检测发现，Cd 则有向土壤下层迁移的风险，这是城市污泥农用标准中 Cd 严格控制的原因之一。 3.2 施行方案 3.2.1 主要思路在对城市污泥进行全面理化性质分析的基础上，将适宜的污泥以湿污泥的形式施入到试验地中，试验地在空旷的沙地上进行。每个
11、试验小区面积为 1 m 5 m,小区试验共设 6 种处理，每个处理3 次重复。 种植的植物为沙生植物如怪柳红柳等，污泥投加量分别为 CK、15、30、60、90、120、150t hm-2. 配施污泥后用小型旋耕装置将污泥与沙化土壤充分混匀，混匀后所有处理均 老化 一个月左右。 栽培植物能够采取种植与移栽两种形式进行。分别采集不同处理的 老化 后与植物收获后的土壤样品进行测试分析。 3.2.2 拟采取的施行方案【2】 4 结 论 城市污泥修复沙化土壤有很多的优势：第一，改进沙化土壤的理化性质。由于施用城市污泥能迅速有效地提高沙化土壤的含水、保水性以及提高其有机质含量，进而防治沙化土壤水土流失。
12、第二，能极大利于植物的生长与生态的恢复，而植被在改进沙化土壤、水土保持中起重要作用28.第三，城市污泥配施沙化土壤有利于提高混合土壤中微生物的活动性。 配施城市污泥后的土壤环境大为改变，为土壤中微生物的活动提供了条件，活泼踊跃的土壤微生物又反过来进一步促进土壤肥力的提高。因而，配施城市污泥改进沙化土壤甚至修复荒漠化土地是可行的。 以下为参考文献： 1 尹守东，王凤友。城市污泥堆肥林地应用研究进展J.东北林业大学报，2004,325：59-60. 2 王涛，吴薇，薛娴，等。近 50 年来中国北方沙漠化土地的时空变化J.地理学报，2004,592：203-212. 3 王涛，朱震达，赵哈林。中国沙漠化研究的若干问题J.中国沙漠，2004,242：115-123 . 4 陈苏，孙丽娜，等。城市污泥处理处置技术与资源化利用研究城市污泥处理处J.生态科学，2006,254：375-378. 5 郭广慧，杨军，陈同斌，郑国砥，等。我们国家城市污泥的有机质和养分含量及其变化趋势J.中国给水排水，2018,2513：120-121.