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城市污泥土地利用安全施用年限估算 * 马闯赵继红张宏忠魏明宝叶长明 郑州轻工业学院 环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心， 郑州 450001 摘要 通过土壤环境质量二级标准和土壤元素背景值计算土壤重金属环境容量， 结果表明，与其他重金属元素相比， Cd、 Hg 元素的土壤环境容量较小。除 As 外， 其他 7 种重金属元素的土壤环境容量随着 pH 值的升高而增加， 碱性土 壤的重金属环境容量要大于中性和酸性土壤。不考虑土壤重金属元素的输出及其他途径的输入， 按中国城市污泥重 金属平均含量估算， 在酸性和中性土壤上污泥土地利用安全施用年限为 34 年， 在碱性土壤上为 66 年; A 级污泥在酸 性和中性土壤上的可施用年限为 23 年， 在碱性土壤上为 46 年， 均达到 GJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置 农 用泥质 所规定的最长 10 年的施用年限。总体上看， 污泥的重金属问题不会成为其土地利用的限制性因素。 关键词 城市污泥; 土地利用; 年限; 估算 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406024 ESTIMATE OF SAFETY LAND APPLICATION YEAＲS OF MUNICIPAL SEWAGE SLUDGE Ma ChuangZhao JihongZhang HongzhongWei MingbaoYe Changming Collaborative Innovation Center of Environmental Pollution Control and Ecological Ｒestoration，Henan Province， Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450001，China AbstractThrough the environmental quality standard values the second level of GB 156191995and the background value of elements in soil，it was estimated China soil environmental capacity of heavy metal． The results indicated that Cd and Hg were lower in environment capacity as compared with other heavy metals． Except As，the other heavy metal s soil environmental capacity increased with the increase of pH，alkaline soils environmental capacity of heavy metals was greater than the neutral and acid soils． Not taking and output of heavy metals into consideration，according to the average concentrations of heavy metals in municipal sludge of China， in acidic and neutral soil， sewage sludge can be safely applied for 34 years，alkaline soil for 66 years;sludge of class A in acid and neutral soil can be safely applied for 23 years，in alkaline soil for 46 years，which meet the requirements of 10 years of use specified by“Disposal of Sludge from Municipal Wastewater Treatment Plantthe Quality of Sludge Used in Agriculture” CT/T 3092009 ． It is suggested that heavy metals in sewage sludge would not be a limiting factor of safety land application． Keywordssewage sludge;land application;sevice life;estimate *国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题 2012ZX07204- 001 ; 河南省重大公益招标项目 101100910300 ; 河南省科技攻关项目 142102310063 ; 河南省教育厅科学技术研究重点项目 14A610009 ; 郑州轻工业学院基金项目 2013BSJJ022 。 收稿日期 2013 －07 －09 0引言 随着我国污水处理行业的迅猛发展， 城市污泥的 产生量也在迅速增加。截止到 2010 年底， 全国城镇污 水处理量达到 343 亿 m3， 脱水污泥产生量接近 2 200 万 t。根据中国水网 中国污泥处理处置市场分析报告 2011 版 分析显示， 我国污水处理厂所产生的污泥， 有80没有得到妥善处理， 污泥随意堆放所造成的污 染与再污染问题已经凸显， 成为污水处理行业健康发 展的瓶颈之一。污泥的处置方式主要有填埋、 焚烧以 及土地利用等。前两种方式由于环境和经济压力的日 益增大以及二次污染问题而受到阻制。污泥土地利用 与其他处置相比， 不仅成本低、 能耗小、 环境友好， 而且 可以回收利用污泥中大量的有机质、 N、 P 等， 与化肥相 比， 具有改善土壤结构和防止土壤板结等突出优点 ［ 1 ］。 但污泥中通常含有一定量的 Cu、 Zn、 Pb、 Ni、 Hg、 Cr 和 Cd 等重金属， 如果长期不合理施用， 重金属将会在土 壤中积累， 特别是在低 pH 的土壤中， 易通过食物链危 害人体健康 ［ 2- 4 ］， 造成人们对污泥土地利用潜在重金属 风险的担忧。因此， 有必要根据 GJ/T 3092009 城镇 201 环境工程 Environmental Engineering 污水处理厂污泥处置农用泥质 ［ 5 ］， 从土壤重金属背景 值 ［ 6 ］和污泥重金属含量估算城市污泥土地安全利用年 限， 为降低污泥土地利用风险， 科学利用污泥， 提高其 资源化利用水平提供参考。 1污泥可利用年限计算方法 本文采用 GB 156181995土壤环境质量标 准 ［7 ］二级标准中重金属限量值。砷采用较严格的 水田值， 铬采用较严格的旱地值。土壤背景值为全国 A 层土壤重金属含量均值 ［4 ］。土壤环境容量的计算 方法见式 1 Qi 2． 25 106 Si－ Ci 10 －6 1 式中 Qi为土壤重金属 i 的环境容量， kg/hm2;Si 为 GB 156181995 二级标准重金属 i 的允许限值， mg/ kg; Ci为土壤重金属 i 的全国土壤 A 层 背景值， mg/kg; 2. 25 106为每公顷土壤平均质量， kg; 10 －6 为换算系数。 土壤环境容量污泥土地利用的年限估算式见式 2 Ni Qi 7500 Hi 1 0 －6 2 式中 Ni为重金属 i 达到土壤环境容量时的污泥土地 利用年限;Hi为施用的污泥重金属含量; 7 500 为 GJ/T 3092009 规定的污泥最大年 施 用 量， kg; 10 －6为换算系数。 2结果与分析 2. 1土壤重金属环境容量 土壤重金属环境容量是指在不损害土壤生态系 统的结构和功能的条件下， 土壤所能承容的重金属的 最大含量。GB 156181995 对土壤中重金属含量限 值有明确规定， 其中三级标准指为保护农业生产和植 物正常生长的土壤临界值， 二级标准指为保障农业生 产， 维护人体健康的土壤限制值。其中 Pb、 Zn、 Cr、 Cu 是限值相对较高的重金属元素， 也是我国土壤背景值 含量较高的重金属元素。 从表 1 可以看出 碱性土壤 pH ＞7. 5 对重金属 的缓冲能力要强于酸性土壤 pH ＜ 6. 5 ， 除 As 外， 7 种重金属元素的土壤环境容量随着 pH 值的升高而 增加。8 种重金属元素中， Pb 是我国土壤重金属环境 容量最高的重金属元素， 其次是 Zn， 再次是 Cr、 Cu， 而 Cd、 Hg 的土壤环境容量相对较低， 因此要特别注 意控制 Cd、 Hg 元素的输入。 表 1中国土壤重金属环境容量 Table 1China soil environmental capacity of heavy metal 项目 元素背景值［4 ］/ mg kg －1 土壤环境质量二级标准［3 ］/ mg kg －1 土壤重金属环境容量/ kg hm －2 pH ＜6. 5pH 6. 5 ～7. 5pH ＞7. 5pH ＜6. 5pH 6. 5 ～7. 5pH ＞7. 5 As9. 2030. 0025. 0020. 0046. 8035. 5524. 30 Cd0. 070. 300. 300. 600. 510. 511. 18 Cr53. 90150. 00200. 00250. 00216. 23328. 73441. 23 Cu20. 0050. 00100. 00100. 0067. 50180. 00180. 00 Hg0. 040. 300. 501. 000. 591. 042. 16 Ni23. 4040. 0050. 0060. 0037. 3559. 8582. 35 Pb23. 60250. 00300. 00350. 00509. 40621. 90734. 40 Zn67. 70200. 00250. 00300. 00297. 68410. 18522. 68 2. 2城市污泥安全土地利用年限估算 中国城市污泥的8 种重金属平均含量 ［ 8 ］均低于 A 级污泥与 B 级污泥 ［ 5 ］中重金属限量值 见表 2 ， 其中 Pb 仅为 A 级污泥泥质标准的 24. 1， B 级污泥的 7. 23。除砷外， 其他7 种重金属元素在碱性土壤 pH ＞7. 5 中的安全施用年限均要大于酸性 pH ＜6. 5 和 中性 pH 为6. 5 ～7. 5 土壤。按照中国城市污泥的平 均含量估算， 污泥土地利用的安全施用年限均要高于 A 级和 B 级污泥的施用年限， 鉴于中国城市污泥的重 金属含量呈逐渐降低趋势 ［ 8 ］， 随着时间推移， 中国城市 污泥的安全土地利用年限将不断延长。 按照中国城市污泥平均重金属含量估算， Pb 要 达到 GB 156181995 二级标准规定的限值需要连续 施用污泥 939 ～ 1 354 年， As、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni 要达到 GB 156181995 二级标准需要连续施用污泥的年数 分别为 160 ～ 309， 310 ～ 632， 41 ～ 110， 37 ～ 135， 102 ～225 年， Cd、 Zn 达到土壤环境容量需要的年限 相对较短， 分别为 34 ～79， 38 ～66 年。在酸性和中性 土壤上施用污泥， Cd 将会最先成为限制性重金属元 素， 中国的城市污泥可连续施用年限为 34 年; 在碱性 土壤上施用污泥， Zn 将会最先成为限制性元素， 中国 的城市污泥可连续施用年限为 66 年。 按照 A 级污泥重金属最高限量值估算， 三类土 壤上连续施用污泥， As、 Pb 达到 GB 156181995 二 301 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 表 2达到土壤重金属环境容量时污泥土地利用年限估算 Table 2Estimate of sewage sludge land application years reaching soil environmental capacity of heavy metal 元素 城市污泥重金属含量［5， 8 ］/ mg kg －1 按照中国城市污泥重金属 平均含量估算/a 按照 A 级污泥重金属 含量估算/a 按照 B 级污泥重金属 含量估算/a 污泥平 均含量 A 级 限量值 B 级 限量值 pH ＜ 6. 5 pH 6. 5 ～7. 5 pH ＞ 7. 5 pH ＜ 6. 5 pH 6. 5 ～7. 5 pH ＞ 7. 5 pH ＜ 6. 5 pH 6. 5 ～7. 5 pH ＞ 7. 5 As20. 203075309235160208158108836343 Cd2. 013153434792323535511 Cr93. 1050010003104716325888118294459 Cu219. 0050015004111011018484861616 Hg2. 1331537651352646965919 Ni48. 701002001021642255080110254055 Pb72. 30300100093911471354226276326688398 Zn1058. 015003000385266263646131823 级标准需要的年限均最长。酸性土壤上 Cd、 Cu、 Hg、 Zn 达到土壤重金属环境容量要求的污泥施用年限均 在 20 年左右， 其中 Cu 最先成为限制性因子， 因此 A 级污泥在酸性土壤上可连续施用年限为 18 年; 中性 土壤上 Cd、 Zn 达到 GB 156181995 二级标准需要 年限较短， 分别为 23， 36 年， 因此 A 级污泥在中性土 壤上可连续施用年限为 23 年; 碱性土壤上 Cd、 Cu、 Hg、 Zn 达到 GB 156181995 二级标准需要年限分别 为 53， 48， 96， 46 年， 其他重金属均在 100 年以上， 因 此在中性土壤施用中 Zn 最先成为限制性元素， A 级 污泥可连续安全施用年限为 46 年。 GJ/T 3092009 规定 B 级污泥禁止施用在蔬菜 和粮食作物上， 因此 B 级污泥重金属含量要远高于 A 级污泥与目前中国城市污泥重金属平均含量。按照 重金属含量最高的 B 级污泥的重金属限量值估算， 酸性土壤上 Cd、 Cu、 Hg 达到 GB 156181995 二级标 准需要年限分别为 5， 6， 5 年， 中性土壤 Cd、 Hg 达到 GB 156181995 二级标准需要年限分别为 5， 9 年， 以此估算 B 级污泥在酸性和中性土壤上的可安全利 用年限为 5 年; 碱性土壤上连续施用 B 级污泥超过 20 年， As、 Cr、 Ni、 Pb、 Zn 方能达到土壤的重金属环境 容量， Cd、 Cu、 Hg 分别为 11， 16， 19 年，Cd 最可能成 为 B 级污泥土地利用的限制性重金属元素， 以此估 算 B 级污泥在碱性土壤上的可安全利用年限为 11 年。因此， 对于 B 级污泥需要严格按照 GJ/T 309 2009 标准规定的使用方法进行土地利用， 严禁施用 在蔬菜和粮食作物上， 规避土壤重金属污染风险。 3结论 1 我国土壤的 Pb、 Zn、 Cr、 Cu 元素环境容量较大， Cd、 Hg 元素的环境容量相对较小。除 As 外， 7 种重金 属元素的土壤环境容量随着pH 值的升高而增加， 碱性 土壤的重金属环境容量大于中性和酸性土壤。 2 按照 GJ/T 3092009 中 A 级污泥标准的重金 属含量限值估算， A 级污泥在酸性和中性土壤上的可 连续安全施用为 23 年， 碱性土壤上为 46 年， 而按中 国城市污泥平均含量估算， 在酸性中性和碱性土壤上 城市污泥可安全利用年限分别长达 34 年和 66 年， 均 远超 CT/T 3092009 所规定的最长施用 10 年的时 间要求。因此， 合理的污泥土地利用不会引起重金属 污染， 总体上说， 污泥的重金属问题不应成为污泥土 地利用的限制性因素。 参考文献 ［1］刘洪涛，马达，郑国砥，等． 城市污泥堆肥在园林绿化及相关 领域中的应用［J］． 中国给水排水， 2009， 25 13 117- 119. ［2］Calvet Ｒ，Bourgeois S，Msaky J J． Some experiments on extraction of heavy metals present in soil ［J］ ．International Journal of Environmental Analytical Chemistry， 1990， 39 31- 45. ［3］崔晓峰，李淑仪，丁效东，等． 珠江三角洲地区典型菜地土壤 与蔬菜重金属分布特征研究［J］． 生态环境学，2012， 21 1 130- 135. ［4］Poonam A S， Ｒajesh D， Manish S，et al． Assessment of heavy metal tolerance in native plant species from soils contaminated with electroplating effluent［ J］ ． Ecotoxicology and Environmental Safety， 2011， 74 2284- 2291． ［5］GJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置农用泥质［S］ . ［6］中国环境监测总站． 中国土壤元素背景值［M］． 北京中国环 境科学出版社， 1990 355- 356. ［7］GB 156181995 土壤环境质量标准［S］ . ［8］杨军，郭广慧，陈同斌，等． 中国城市污泥的重金属含量及其 变化趋势［J］ ． 中国给水排水， 2009， 25 3 122- 124. 第一作者 马闯 1982 － ， 讲师， 博士。主要研究方向为固体废弃物资 源化。machuang819163． com 通讯作者 赵继红， 教授。主要从事固废资源化与应用环境微生物研 究。zjh1 zzuli． edu． cn 401 环境工程 Environmental Engineering