腐熟污泥中重金属在典型石灰性土壤的环境过程及作用机制研究

Composted sludge is the main way of utilization of sludge harmless, resource, but it’s heavy metals accumulation risk is becoming a big obstacle to the agricultural use. The project choice of composted sludge as object which mainly came from the domestic sewage wastewater treatment plant, and study heavy metals attribution process and interaction mechanism in typical calcareous soil, so as to provide theoretical basis of agricultural risk assessment and management of this kind of sludge. Project based on classified analysis heavy metal characters of sewage which is the kind of sludge come from domestic sewage, through several year agricultural experiment was conducted in the typical calcareous, and systematic analysis of the heavy metals temporal and spatial migration, transformation process in the typical soil-crop mediums; clear composted sludge added impacts on properties of calcareous soil, determine the mechanisms of interaction between organic carbon fractions of the type and state of existence, the main content of inorganic mineral calcium component morphological as the key factors, and interaction with heavy metals, proved determine the site of action, the binding groups and the mineral micro structure change; and explore the rhizosphere soil micro environment characteristics and heavy metal biological relationship. Finally on the basis of the chemical, biological testing results of composted sludge, which used many years in agricultural, to determine the domestic sewage composted sludge agricultural capacity and application of standard basis in calcareous soil.

腐熟污泥是污泥无害化、资源化的主要利用方式，然而其所含重金属的积累风险是制约农用的一大障碍。本项目选择以生活污水为主要来源的腐熟污泥为对象，研究其所含重金属在典型石灰性土壤中的归趋过程及与土壤关键因子的相互作用机制，以期为该类腐熟污泥的农用风险评价和管理提供理论依据。项目在归类分析生活污水源污泥重金属存赋特征的基础上，通过典型石灰性土壤上的多年农用试验，系统分析其所含重金属在石灰性土壤-作物各介质的时空迁移、转化过程；明确腐熟污泥添加对石灰性土壤性质影响的基础上，确定以有机碳组分类型和存在状态，主要无机矿物质钙组分的含量、形态等关键因素与重金属之间的作用机制，确定它们之间的作用位点、结合基团和矿物微观结构变化；并探索上述土壤-作物根际微环境特征与重金属生物活性关系；最后依据生活污水源腐熟污泥多年农用的化学、生物测试结果，确定适合石灰性土壤上腐熟污泥的安全农用容量和施用负荷。

腐熟污泥是污泥无害化、资源化的主要利用方式，然而其所含重金属的积累风险是制约农用的一大障碍。本项目选择以生活污水为主要来源的腐熟污泥为对象，研究其所含重金属在典型石灰性土壤中的归趋过程及与土壤关键因子的相互作用机制，以期为该类腐熟污泥的农用提供理论依据。项目主要研究内容包括归类了解生活污水源污泥特征，明确腐熟污泥重金属赋存特点；通过多年盆栽和大田试验，明确腐熟污泥中重金属在石灰性土壤的环境过程及关键控制因素；深入分析了腐熟污泥农用对石灰性土壤典型作物根际生物学特征影响；最后确定腐熟施用风险及其安全施用策略。研究结果表明：几种生活污水源污泥中重金属的平均含量排序均为锌(Zn)＞铜(Cu)＞铬(Cr)＞砷(As)＞铅(Pb)＞镉(Cd)＞汞(Hg)，除个别污泥中As的含量超标外，其他重金属含量均未超过农用泥质A级标准(GB 4284-2018)；污泥中Cd和As的潜在生态风险较大，而Cr和Pb较小。连续盆栽和大田试验的结果表明：石灰性土壤中添加腐熟污泥后，供试土壤和供试冬小麦-夏玉米中不同重金属的含量都呈现增加趋势，而且随着腐熟污泥添加量的增加而增加；在不同污泥施用量条件下，土壤重金属Cr、As、Pb、Cd累积量没有超过农用地土壤污染风险筛选值（GB15618-2018），且作物籽粒中重金属没有超过食品安全国家标准（GB2762-2017）；连续添加污泥后导致石灰性土壤的各有机碳组分增加，但会降低土壤pH和无机碳含量；影响石灰性土壤中有效态重金属和作物籽粒重金属富集的主控因子及其相关程度存在差异；施用腐熟污泥会改变石灰性土壤中细菌多样性，污泥的过量施用（75 t•ha-1）会显著降低根际和非根际土壤中细菌的多样性指数；连续4年腐熟污泥农用没有增加土壤综合潜在生态风险程度，作物籽粒中多种重金属的风险指数（HI）均＜１。依据上述研究结果以及腐熟污泥多年累积施用与土壤和作物籽粒中重金属之间的相关关系，结合相关标准，确定出腐熟污泥在石灰性土壤的安全农用容量及其施用策略。

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