城市污泥和污泥堆肥在草坪的利用研究进展

书书书城市污泥和污泥堆肥在草坪的利用研究进展于芳芳，常智慧，韩烈保（北京林业大学草坪研究所，北京１０００８３）摘要：针对城市污泥的特点，阐述了城市污泥和污泥堆肥在草坪方面应用的研究现状、研究方向、污泥利用的优缺点和取得的成果。研究表明在经无害化处理和控制环境风险的前提下，污泥的草坪绿地利用具有回收污泥中养分，促进草坪草生长，改良土壤理化性质等优点，且草坪草对污泥有一定的净化作用。但是污泥由于来源不同，质量差异很大，所以污泥使用量难以确定，病原菌、重金属污染及其他可能的污染问题仍存在争议，认为重点应放在污泥影响草坪的机理研究和污泥质量监督２个大方面继续深入，为污泥在草坪利用上提供理论指导和技术支持。关键词：污泥；污泥堆肥；草坪利用效果中图分类号：Ｓ８１２．４　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２０１１）０５０２５９０７　污泥（ｓｌｕｄｇｅ）是由污水处理过程中得到的固体有机物质，并且可以特别作为肥料通常与其他物质配合使用［１］。针对绝大多数污水污泥具有重新利用价值的这一特点，世界水环境组织（ｔｈｅＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＦｅｄｅｒａｔｉｏｎ，ＷＥＦ）将ｓｌｕｄｇｅ更名为生物有机固体（ｂｉｏｓｏｌｉｄｓ），并进一步将生物有机固体定义为“一种能够有效利用的富含有机质的城市污泥产生物”［２］。随着城市的发展，新的污水处理厂不断建立，将产生大量的污泥。为了保护环境、利用资源，污泥的处置与利用是一个应该引起广泛重视的问题［３］。污泥在作为植物养分、土壤有机质和碱性稳定材料，石灰剂的来源方面十分有价值［４］。资源化利用是污泥发展的主要方向。对污泥的重利用不仅将污泥直接加入土壤中，还在污泥中加入化肥、动物粪便、秸秆等做成堆肥后使用。国内外许多学者都对污泥的重利用情况进行过大量的研究，包括在粮食作物，蔬菜，经济作物上的农业方面和园林绿地方面的土地利用［５９］。这对迅速恢复植被、促进土壤熟化和提高作物产量有巨大作用［１０，１１］。开展污泥在草坪上的应用，不仅可以促进草坪草的生长，避免施用过多的化肥到土壤，而且不存在食物链污染的危险［５］。污泥和污泥堆肥在草坪上的使用，不仅在家庭草坪、公园、公共场所的绿地、体育场、高尔夫球场及足球场，现在也用于草坪基质生产［１２１５］。污泥及污泥堆肥在草坪上施用大有发展空间。对污泥及污泥堆肥土地利用的研究在国外已经有７０多年的历史，在京津沪等地也有３０年左右的历史［１６］，现在国内外关于污泥及污泥堆肥用于草坪的研究报道也很多，笔者对国内外污泥在草坪上施用的优点和不足，污泥施用对草坪草的生长和质量，对土壤、地下水和环境的影响等方面研究进行总结。１　污泥对草坪草生长和质量的影响研究草坪的基本功能是优化生态环境，供人们休息娱乐、观赏运动等。使草坪草健康生长并具有优良的质量是草坪管理的最终目标，所以污泥及污泥堆肥的施用，基本要求是对草坪草生长有益而无害，国内外的研究多集中在这方面，从出苗到成坪后的生长各方面都进行了研究和报道。１．１　出苗施用污泥主要影响草坪草的出苗，城市污泥中含有很多对种子发芽具有抑制和毒害作用的物质，对植物幼苗的生长有严重抑制作用［１７］，一般开始发芽率较小，后来发芽率与对照组相近。不同草种间对污泥的敏感性不同，故使用新鲜污泥时，需要控制用量［１８，１９］。对于苗高影响不大［１９］。第２０卷　第５期Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．５草　业　学　报ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ　　２５９－２６５２０１１年１０月收稿日期：２０１００８０３；改回日期：２０１０１２０７基金项目：质检公益性行业科研专项“利用废弃物生产无土草皮重要技术标准研究（２００８１０４９４）”和“污水回用于绿地灌溉的水质标准研究（２００８１０５１４）”资助。作者简介：于芳芳（１９８６），女，山东烟台人，硕士。Ｅｍａｉｌ：ｆａｎｇｆａｎｇ８２４７０６５＠１６３．ｃｏｍ通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｚｈ＠ｂｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ叶静等［１８］使用不同比例的污泥和土壤混合基质种植高羊茅（犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪）的２个品种和匍匐翦股颖（犃犵狉狅狊狋犻狊狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉犪）、草地早熟禾（犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊）、马蹄金（犇犻犮犺狅狀犱狉犪犿犻犮狉犪狀狋犺犪），发现随着基质中污泥用量的增加，出苗数逐渐下降，当基质中污泥用量达到８０％以上，出苗较迟，出苗数明显减少，苗细弱易倒伏，根系入土难。由此看出，生产应用中要控制污泥用量。１．２　生长１．２．１　地上生长和品质　污泥及污泥堆肥的施用使草坪草获得了良好的生物效应［２０］，草坪草的叶绿素增加［１７］。随着施用量的增加，草坪的地上生物量增加。从而加速了草坪的成坪速度，提高了草坪的盖度和密度［２１］，使草坪的质地得到显著的提高。赵晓莉等［２２］通过室内盆钵试验研究了施用城市污泥对多年生黑麦草（犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲）生长发育的影响，主要得出以下结论：随着污泥施用量的增加，黑麦草的叶绿素ａ、叶绿素ｂ含量呈现波动变化，在２５～３０ｇ／ｋｇ达到极大值；黑麦草中硝酸还原酶、可溶性糖、可溶性蛋白和抗坏血酸的含量呈先急剧增加然后逐渐减少的趋势；ＳＯＤ、ＭＤＡ、粗纤维和硝酸盐含量呈先随污泥含量增大而降低，然后又升高的趋势。表明施加适量的污泥促进黑麦草的生长，有利于黑麦草品质的提高；而施加过量的污泥抑制黑麦草的生长并不利于品质的提高。１９８９和１９９０年，在复垦矿土（ｄｅｌｌｓｌｏｗ）和未扰动土（ｐｅｎｔｒｅｓｓ）施用污泥，施用量为２７．６ｔ／ｈｍ２。污泥处理与对照相比，植物生物量增加１．５～２．８倍，二乙基三胺五乙酸（ＤＴＰＡ）浸提Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ在土壤上层１５ｃｍ未发现显著差别，组织分析显示有更多的原蛋白，处理与对照相比，草体Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ浓度无差异。此研究结果使西弗吉尼亚的污泥土地利用指南得到修改，１９８８－１９９０年污泥土地利用量倍增，从４１５０ｔ增至８５２０ｔ［２３］。杨玉荣等［２４］利用污泥堆肥作基质，使草坪草获得了良好的生物效应，５％～１０％堆肥施用范围内，随着施用量的增加，草坪草的地上生物量和叶片叶绿素含量也增加；草坪的外观颜色明显优于对照处理，从草坪草生长状况来看，１０％污泥堆肥比例为最佳，这时草坪草的各个生理指标均达到最佳水平。２００３年在上海浦东东外滩的６００ｍ２高羊茅草坪上以１．５ｋｇ／ｍ２的用量施９００ｋｇ城市污泥，２周后发现原已明显枯黄的高羊茅返绿，冬季草坪可以抗黄化，返青期提早［２５］。１．２．２　地下生物量　污泥施用于土壤中，与植物的根密切接触，所以对于根的影响最直接也应该受到重视。周志宇等［２６］研究污泥对无芒雀麦（犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊）生育的影响时发现，连续３年总根量都增加，１９９６年总根量比对照高３５％～１０６％。这与李艳霞等［１４］在研究黑麦草时所得结果相类似。１．３　抗逆性对于城市污泥的再利用，无论在农业上还是园林绿地，大多数学者还是着眼于其中所含有的丰富的有机质，全氮和全磷等这些植物生长所必需的营养物质，但是近几年来，有学者开始研究污泥改善草坪草的抗性方面的影响。迄今为止，已有学者发现适量污泥加入草坪基质中可以增加草坪抵抗环境胁迫的能力，例如干旱，寒冷，酷热、病害等。利用生物测定方法，Ｐｉｇｎａｌｏｓａ等［２７］在１９９４年发现污泥提取物中的腐殖质有类似植物激素的作用。２００５年Ｚｈａｎｇ等［２８］运用改良的Ｙｏｐｐ等［２９］的“标准燕麦鞘片段反应生长”生物测试法［“Ａｖｅｎａ（ｏａｔ）ＣｏｌｅｏｐｔｉｌｅＳｅｇｍｅｎｔＳｔｒａｉｇｈｔＧｒｏｗｔｈＢｉｏａｓｓａｙ”］成功地测出了不同来源生物污泥中腐殖酸中吲哚乙酸（ｉｎｄｏｌｅ３ａｃｅｔｉｃａｃｉｄ，ＩＡＡ）含量从０．５到２．４μｇ／ｇ不等。随即他们研究了含２．１μｇ／ｇＩＡＡ污泥的未处理的污泥和含１５．４μｇ／ｇ色氨酸处理的污泥加入到高羊茅土壤中在干旱胁迫复水循环下和正常水分下的生理反应，发现处理过的污泥在水分充足和水分胁迫下都推迟了叶萎蔫，改善了高羊茅草坪质量和根生物量，数据显示生物污泥的使用改变了生物激素———ＩＡＡ和色氨酸的含量，并提高了植物的抗旱性［３０］。污泥中的腐殖酸物质和ＩＡＡ可能诱导根部产生ＩＡＡ或抑制根部吸收ＩＡＡ，最终处理组叶片的低ＩＡＡ含量推迟了气孔关闭，减轻了干旱胁迫对植物的氧化伤害，２０１０年王艳等［３１］的研究也证实信号分子可以通过调控抗氧化系统来提高抗性。而２００８年又有研究发现草地早熟禾施用污泥与化肥经粉碎混合后造粒风干制成的粒状复混肥后，其草坪的细胞膜透性减少，抗寒性增加，分析原因是一方面污泥的施入对氮素营养起到了缓释作用，养分供应稳定而持久，抗性增加，另一方面，污泥中含有一些生理活性物质，随着污泥用量的增加，其作用逐渐加强，因此抗性增加［３２］。０６２ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１１）Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．５Ｎｅｌｓｏｎ和Ｃｒａｆｔ［３３］１９９２年发现，在匍匐翦股颖与一年生早熟禾混播的高尔夫球场上施用堆肥，对于币斑病的防治可达到与传统杀菌剂一样的效果。关于污泥可以提高草坪草抗性方面的研究刚刚起步，结合草坪草对于不良环境胁迫下的生理响应方面的研究结果，如干旱及旱后复水的生理响应研究［３４，３５］，污泥提高草坪抗性的机理还有待深层次的研究。２　污泥对草坪土壤的影响的研究污泥对草坪土壤的影响研究是多方面进行的，包括对土壤微生物、土壤养分含量、土壤重金属、土壤物理性质。２．１　土壤理化性状污泥可以改良土壤理化性状。长久以来，草坪基质的养分来源，主要依靠化肥和有机肥。污泥的施用增加了土壤养分含量，土壤中的速效养分（如Ｎ、Ｐ）含量增加［３６４２］，特别是土壤的有机质含量［２０］，污泥堆肥还具有缓释肥效果［４３］。城市污泥作为有机肥施用的有些改土效果是化肥所无法达到的，不同学者的研究基本上支持这一观点［８］。李艳霞等［１４］研究污泥堆肥用于黑麦草草坪基质时发现，污泥堆肥在用量为１４和７０ｔ／ｈｍ２的２种处理下，速效氮含量分别比空白对照土壤提高６１．３％和１３３％，比化肥处理提高２３．９％，７８．６％，且差异显著；同时这２个处理的速效磷含量同样比空白对照土壤提高５９．７％，５９２．３％。这与周志宇等［２６］用污泥施用在无芒雀麦人工草地上连续３年的研究结果相符合。陈涛等［４４］在结缕草（犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪）草地上以４５ｔ／ｈｍ２的用量施用污泥，土壤中的有机质，速效Ｎ，总Ｎ，总Ｐ分别比对照增加了１６％，７８％，６１％和１４０％。污泥的施用也改良了土壤的物理性质［４７］。污泥或污泥堆肥加入到草坪土壤中，污泥堆肥因本身密度小能增加土壤的孔隙度而显著减少土壤容重［４５，４６］，这在草皮生产中有着潜在优势，因为地毯式草皮的出现，促使研究者致力于寻找可以代替部分或全部土壤的轻质栽培基质［４８５０］，将污泥用于草皮生产，可以减少因为随草皮一并带走的土壤的损失［５１］。可增加土壤总的孔隙容积，并改善孔隙大小的分布。减少土壤地面冲刷，减少因径流引起的植物养分损失。可增加土壤的持水能力从而提高土壤水分含量，还可增加土壤的透水性及防止土壤板结［３８，５２５４］。可改良土壤结构，使土壤疏松，给土壤水分和空气以快速进出的通道。Ｅｐｓｔｅｉｎ等［５５］研究了不同污泥堆肥施用量对土壤物理性质的影响，发现不管是干燥时期还是非干燥时期，污泥堆肥处理过的土壤含水量均高于对照处理，并且随污泥堆肥施用量的增加，土壤的水分含量和持水量明显增加。姜应和与周莉菊［２０］的研究还表明，粘重的土壤施入污泥堆肥后，有利于团粒结构的形成及提高团粒的水稳性。在上海浦东东外滩的试验同样验证了污泥可以改良土壤理化性状，降低土壤ｐＨ值；而且增加了土壤中有机质、全氮和全磷含量，促进土壤团粒结构的形成，使土壤质量有质的提高［２５］。２．２　土壤微生物污泥可增加土壤根际微生物的群落，从而增加其生物活性，有利于养分的释放。有不少研究认为，施用污泥堆肥可控制根的腐烂及抑制一些病原菌［８］。２００５年邵海林等［１７］以不同用量腐殖化处