污泥基生物炭对黑麦草生长特性及重金属累积的影响

摘要  以安徽省芜湖市某污水处理厂产生的市政污泥为研究对象，通过干化炭化工艺制取污泥基生物炭，设置5组添加比例（0、5%、10%、20%、30%）的黑麦草盆栽试验，研究不同比例污泥基生物炭施入黄褐土对黑麦草生长情况及土壤理化性质的影响。结果表明，随着污泥基生物炭添加量的增加，其对黑麦草生长作用先增后减，当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的发芽率和株高均达到最高，发芽率为84.33%，株高在40 d达到19.76 cm。总体来说，添加污泥基生物炭可为黑麦草提供养分，其全氮、全钾含量较空白组增加28.57%～685.71%和44.83%～275.86%;当污泥基生物炭添加比例为20%时，黑麦草的全钾达到最高，含量为1.09 mg/kg;当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的全磷和全氮达到最高，含量分别为17.96和0.55 mg/kg。但是污泥基生物炭的添加会导致黑麦草和盆栽土壤的重金属含量也有不同程度的增加，因此在实际利用过程中必须合理控制污泥基生物炭的施入量。

关键词  污泥基生物炭;黑麦草;养分;重金属;植物生长

中图分类号  X 173   文献标识码  A    文章编号  0517-6611（2022）15-0079-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2022.15.021

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Sludge-based Biochar on Growth Characteristics and Heavy Metal Accumulation of Ryegrass

WANG Jun1，LIU Cheng2，JIN Peng3 et al

（1.Anhui Institute of Environmental Sciences，Hefei，Anhui 230001;2.Anhui Tongyuan Environmental Energy Conservation Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230001; 3. Publicity and Education Center of Anhui Provincial Department of Ecology and Environment，Hefei，Anhui 230001）

Abstract  Taking municipal sludge produced by a sewage treatment plant in Wuhu City，Anhui Province as the research object，sludge-based biochar was prepared by drying and carbonization process，5 groups of ryegrass pot experiments were set up with the addition ratio （0，5%，10%，20%，30%），and the effects of different proportions of sludge-based biochar applied to cinnamon soil on the growth of ryegrass and soil physicochemical properties were studied.The results showed that with the increase of sludge-based biochar addition，its effect on the growth of ryegrass first increased and then decreased.When the proportion of sludge based biochar was 10%，the germination rate and plant height of ryegrass reached the highest，the germination rate was 84.33%，and the plant height reached 19.76 cm at 40 days.In general，the addition of sludge-based biochar could provide nutrients for ryegrass，and the contents of total nitrogen and total potassium increased by 28.57%-685.71% and 44.83%-275.86% compared with the blank group.When the addition ratio of sludge-based biochar was 20%，the total potassium of ryegrass reached the highest，and the content was 1.09 mg/kg.When the proportion of sludge-based biochar was 10%，the total phosphorus and total nitrogen of ryegrass reached the highest，with the contents of 17.96  and 0.55 mg/kg respectively.However，the addition of sludge-based biochar will increase the content of heavy metals in ryegrass and potted soil to varying degrees.Therefore，the application amount of sludge based biochar must be reasonably controlled in the actual utilization process.

Key words  Sludge-based biochar;Ryegrass;Nutrients;Heavy metals;Plant growth

市政污泥是城市污水处理过程中产生的副产物，是一种特殊的泥水混合物，它含有大量水分、有机物、无机物和微生物[1]。随着我国城镇化进程的加快，污水的产生量在持续增加，污泥产生量随之急剧增大，由此造成的环境问题日益突出。如何妥善处置市政污泥，实现其安全处置与资源化利用，是当前我国城镇化进程中面临的一项重大课题，也是无废城市建设和绿色低碳发展的必然要求[2-3]。

目前，市场上主流的污泥处理工艺包括填埋、好氧堆肥、厌氧消化、焚烧、热解炭化等[4]。填埋因大量占用土地资源并容易导致周边环境污染，逐渐被禁止或限制使用。好氧堆肥使污泥达到无害化，但好氧堆肥周期较长、占地面积较大、工艺参数较难控制，处理能力受季节影响，减量率低，产物未彻底稳定，形成污泥堆肥产品气味大、感观差，市场接受度较低。厌氧消化虽能从一定程度上实现污泥的稳定化，但污泥中含有重金属及难降解的有机物，仍有潜在的环境风险。焚烧总体实现了污泥减量化和无害化，但由于含水率高，传统污泥焚烧系统能耗较高，投资成本大，且产生的二噁英气体污染环境，实际应用通常受到限制[5]。

近年来，污泥炭化技术作为污泥“四化”的新手段受到了污泥处置市场的广泛关注[6]。污泥炭化就是通过限氧条件下给污泥“加温和加压”，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来同时又最大限度地保留了污泥中有机质的过程。污泥炭化的优势在于其能源消耗少，剩余产物中的碳含量高，发热量大，N、P含量高。除此之外，污泥炭化过程可以降低重金属的生物有效性，促进酸可溶态和可还原态向稳定的可氧化态和残渣态转化，从而显著降低污泥资源化利用所带来的生态环境风险，有效解决污泥基生物炭土地利用时的负面效应，使得污泥基生物炭的土地利用成为可能[7]。笔者以黑麦草盆栽试验为研究对象，通过添加不同比例的污泥基生物炭，研究其对黑麦草发芽率、植株产量产生的影响，考察其对植物生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1    供试作物。选用一年生黑麦草牧大师，其具有适应性广泛、发芽快、养护简单、抗寒性强等特点。

1.1.2    供试土壤。供试土壤为安徽省内的黄褐土，其pH为7.26，有机质含量为16.6 g/kg，全氮含量为0.82 g/kg，全磷含量为0.37 g/kg，全钾含量为23.15 g/kg;8种重金属含量分别为砷6.66 mg/kg、镉0.11 mg/kg、铬64.19 mg/kg、铜22.32 mg/kg、锌56.59 mg/kg、镍27.50 mg/kg、铅22.66 mg/kg、汞0.04 mg/kg。

1.1.3    污泥基生物炭。试验所采用的污泥基生物炭全部取自安徽省芜湖市某污泥处理处置中心，该污泥处理处置中心的污泥均来自该区域生活污水处理厂，通过“调理改性+高干脱水+干化炭化”的技术路线对市政污泥进行处理处置。首先将市政污泥进行调理改性，改变市政污泥粒子表面的理化性质，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，从而改善其脱水性能;其次将调理改性后的市政污泥配合高压板框式压滤机进行脱水处理，脱水后的泥饼含水率控制在60%左右;最后利用市政污泥中有机物在无氧或缺氧条件下炭化成稳定的生物炭。

盆栽试验所用的污泥基生物炭含水率为5.01%，其pH为6.93，有机质含量为273.3 g/kg，全氮含量为3.94 g/kg，全磷含量为7.98 g/kg，全钾含量为20.68 g/kg;8种重金属含量分别为砷8.77 mg/kg、镉0.62 mg/kg、铬183.54 mg/kg、铜118.83 mg/kg、锌258.28 mg/kg、镍47.09 mg/kg、铅22.83 mg/kg、汞0.24 mg/kg。

1.2 试验设计    选取均匀、饱满的黑麦草种子，用自来水洗净后再用40 ℃的温水浸泡15～20 min，作为试验种子。首先将盆栽用土、污泥基生物炭自然风干，接着将盆栽用土、污泥基生物炭磨细分别过5和2 mm的网筛，最后按照污泥基生物炭在土壤干重比例分别为0、5%、10%、20%、30%进行混合，装于直径25 cm、高35 cm聚乙烯塑料盆，每盆装4 kg混合样，盆底垫上2张滤纸防止土壤渗漏，每个处理设置3个平行。每盆播种100粒黑麦草种子，将种子均匀播撒到土壤表面，然后覆细土0.5～1.0 cm。

试验期间定期浇灌，保证植物生长所需水分，将花盆放置于玻璃温室内，温度15～23 ℃，湿度15%～20%。试验共计40 d，计算10 d内种子的发芽率，并在第10天、第20天、第40天测量和记录植物的各项生长指标。试验结束后取植物样本分别进行重金属含量及养分含量的测定。

1.3 分析方法    样品中pH的测定采用玻璃电极法（1 ∶2.5土水比），有机质采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定[8]，全氮采用开氏定氮法测定[9]，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定[10]，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定[11]。样品中重金属总量采用微波消解-电感耦合等离子发射光谱法测定。

1.4 数据处理分析    数据处理和统计分析采用Excel 2010和Origion。

2 结果与分析

2.1 污泥基生物炭对黑麦草发芽率的影响    从不同添加比例的污泥基生物炭在第10天时对黑麦草发芽率的影响（图1）可以看出，随着污泥基生物炭添加比例的增加，黑麦草的发芽率呈现先增大后减小的趋势。当污泥基生物炭添加比例为10%时，黑麦草的发芽率最高，为84.33%;当污泥基生物炭添加比例为30%时，黑麦草的发芽率最低，为69.67%，说明当污泥基生物炭的添加量超过一定比例时，污泥基生物炭可能会改变土壤的物理结构和化学性质，从而干扰黑麦草的发芽[12]。