查 金, 賈宇鋒, 劉政洋，劉建國, 羅 云, 華 銳, 周 平, 宗世榮, 李云駒, 祁光霞*

1.北京工商大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，北京 100048 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084 3.昆明滇池水務(wù)股份有限公司，云南 昆明 650000 4.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600

市政污泥作為城市污水處理的副產(chǎn)物，產(chǎn)生量大，2017年我國市政污泥產(chǎn)量超過4×107t，至2020年預(yù)計(jì)為6×107～9×107t[1]. 市政污泥組成十分復(fù)雜，除含有大量有機(jī)質(zhì)(223～567 g/kg)及植物營養(yǎng)元素氮(7.8～48.8 g/kg)、磷(2.1～62.6 g/kg)、鉀(2.8～16.1 g/kg)外，還含有病原微生物、重金屬、毒性有機(jī)污染物等，如若不進(jìn)行妥善安全處置，將會對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成重大影響，因而污泥的處理處置面臨著巨大壓力[2-5]. 目前，我國污泥處理技術(shù)主要有厭氧消化、好氧發(fā)酵、好氧堆肥、石灰穩(wěn)定法、熱處理等，而沼渣或穩(wěn)定化產(chǎn)品的最終處置路徑主要為填埋、土地利用、焚燒、海洋傾倒和建材利用等[6-8]. 與填埋、焚燒、厭氧消化和建材化等技術(shù)相比，污泥“好氧堆肥(穩(wěn)定化)+土地利用”技術(shù)路線因能最大限度地實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)以及碳捕集等積極的生態(tài)效應(yīng)而日益引起國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注[9]. 另一方面，伴隨經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國礦山開采破壞的土地累計(jì)面積已達(dá)2.88×106hm2，并且每年以8%～9%的速率增加[2]. 礦山廢棄地由于表層土壤和植被破壞，后續(xù)極易出現(xiàn)塌方、水土流失、泥石流、“天坑”等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，也容易因地表景觀破壞而導(dǎo)致水體污染(如磷礦山廢棄地帶來的面源污染)、大氣污染和生物多樣性損失等生態(tài)環(huán)境問題[10]. 加強(qiáng)礦山廢棄地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成為人與自然和諧共處的必然選擇. 一般情況下，礦山開采后通過自然演替恢復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)到原始狀態(tài)需要100～1 000 年，如若開采后的廢棄地沒有表土，則需要 1 000 年以上[11]. 因此，為推動具有健康的微生物群落結(jié)構(gòu)、完善的物質(zhì)循環(huán)路徑和旺盛生產(chǎn)力的土壤生態(tài)系統(tǒng)快速建立，開發(fā)相應(yīng)的礦山快速修復(fù)技術(shù)顯得尤為重要[12].

近30年來，有研究者嘗試將市政污泥進(jìn)行堆肥穩(wěn)定化處理，最終將其穩(wěn)定化產(chǎn)物應(yīng)用于各類礦山廢棄地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對其可能產(chǎn)生的正面和負(fù)面生態(tài)影響進(jìn)行了評價(jià). 該文基于國內(nèi)外市政污泥好氧堆肥產(chǎn)品理化特性分析，結(jié)合礦山廢棄地特點(diǎn)及國內(nèi)外關(guān)于污泥堆肥應(yīng)用于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)可能產(chǎn)生的生態(tài)影響及其機(jī)理進(jìn)行介紹，從系統(tǒng)生態(tài)學(xué)角度分析該技術(shù)路線的可行性和安全性，以期為市政污泥處理處置和礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)協(xié)同處理技術(shù)路線提供參考和依據(jù).

1 污泥堆肥產(chǎn)品理化特性及應(yīng)用于礦山修復(fù)潛力

污泥好氧堆肥是指依靠自然界中微生物，人為控制可被生物降解的有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化生成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的生物學(xué)過程[13]. 在該過程中，市政污泥含有的大量病原微生物被殺死，腐殖質(zhì)大量形成，而重金屬可生物利用性降低，尤其通過調(diào)控堆肥過程工藝參數(shù)可提高污泥堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)，從而保證其后續(xù)施用的安全性和有效性.

礦山廢棄地由于表土層破壞導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)不良，持水保肥能力差，尤其是氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)不足(有機(jī)質(zhì)含量為1.61%～2.86%，總氮含量為0.8～1.3 g/kg，數(shù)據(jù)來自西南某磷礦山廢棄地2016年內(nèi)部調(diào)研報(bào)告)，缺乏植物生長的基本條件，成為影響礦山廢棄地復(fù)墾修復(fù)進(jìn)程的主要限制因素. 國內(nèi)外污泥堆肥在理化性質(zhì)和重金屬含量方面的對比分析(見表1、2)顯示，與西班牙、葡萄牙、波蘭等農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家的污泥產(chǎn)品相比，我國污泥堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)和總氮含量(分別為21%～48%和4～19.2 g/kg)偏低，而總磷和總鉀含量基本相當(dāng)，分別為5～41和2.3～54 g/kg. 由此，市政污泥堆肥應(yīng)用于礦山生態(tài)恢復(fù)具備技術(shù)可行性.

對于污泥堆肥含有的主要污染物重金屬，其總的含量與國外污泥堆肥產(chǎn)品基本在同一水平，因而我國市政污泥堆肥產(chǎn)品土地利用對礦山土壤改良的效能以及由此帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可借鑒國外已有的研究案例. 值得注意的是，對于特定的重金屬含量，我國不同區(qū)域的污泥堆肥產(chǎn)品存在較大差異，可能原因是，我國幅員遼闊，不同區(qū)域地理氣候特點(diǎn)、工業(yè)布局和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平導(dǎo)致污水組成和污水處理系統(tǒng)設(shè)置有所差別，另外采用的有機(jī)輔料的重金屬污染水平也各不相同. 總體來說，我國污泥堆肥的Cu和Cd含量與國外污泥含量基本相當(dāng)，分別為74～304和0.54～3.0 mg/kg，而Cr和Ni含量較之國外污泥堆肥偏高(Cr為nd～150 mg/kg，Ni為nd～373 mg/kg)，Pb和Zn含量則有所下降(Pb為4.8～70.5 mg/kg，Zn為217～871 mg/kg).

此外，我國污泥堆肥產(chǎn)品理化性質(zhì)地域差別較大，污水泥沙量較大的西北、西南地區(qū)的污泥堆肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量僅為華東地區(qū)的一半，但總氮和總磷水平較高，因而我國西北、西南地區(qū)的污泥堆肥產(chǎn)品用于礦山修復(fù)的生態(tài)影響及效果與其他國家/地區(qū)會存在一定程度上的差異.

表1 國內(nèi)外部分地區(qū)污泥堆肥產(chǎn)品理化性質(zhì)對比

表2 國內(nèi)國外部分地區(qū)污泥堆肥產(chǎn)品重金屬含量對比

2 污泥堆肥應(yīng)用于礦山廢棄地修復(fù)的生態(tài)影響

污泥堆肥施用于礦山廢棄地后，將對土壤的理化性質(zhì)和土壤微生物結(jié)構(gòu)功能構(gòu)成影響，由此影響植物的生長以及有毒有害物質(zhì)(重金屬、毒性有機(jī)物等)的遷移轉(zhuǎn)化. 圖1給出了污泥用于礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)的綜合影響示意，污泥所含營養(yǎng)物質(zhì)能夠顯著改善土壤理化性質(zhì)和土壤微生物活性，從而促進(jìn)植物生長，同時(shí)植物根際微生物代謝及所分泌的有機(jī)酸(如檸檬酸)反過來又對土壤質(zhì)地、孔性、pH和有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)進(jìn)一步改良，而微生物代謝促進(jìn)原生礦物的風(fēng)化形成活性次生礦物，進(jìn)一步對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)構(gòu)成影響，從而構(gòu)成良性循環(huán). 污泥所含重金屬等污染物也將在降雨滲流、微生物和植物根系的共同作用下淋溶進(jìn)入地下水，通過地表徑流進(jìn)入地表水或被植物吸收進(jìn)入植物體.

注：引自文獻(xiàn)[30]，但有小幅修改. 圖1 污泥堆肥用于礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)的綜合生態(tài)影響示意Fig.1 Schematic diagram of ecological effect of sewage sludge compost applied for abandoned mine remediation

2.1 污泥堆肥對礦山廢棄地土壤生態(tài)系統(tǒng)的改良效果

2.1.1對土壤理化性質(zhì)的改良效果

已有的實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場場地試驗(yàn)結(jié)果顯示，污泥堆肥施用于礦山廢棄地后會對土壤的理化性質(zhì)具有顯著的改良效果，具體反映在土壤pH、EC(電導(dǎo)率)、OC(有機(jī)碳)、總氮、總磷、總鉀、CEC(陽離子交換容量)、鐵錳氧化物含量等理化指標(biāo)參數(shù)上. 表3總結(jié)了污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)的土壤pH、EC和OC變化的部分研究結(jié)果. 由表3可以看出，不同pH下的礦山廢棄地在施用污泥堆肥后的土壤理化性質(zhì)改善狀況并不完全一致. 對于弱堿性礦山廢棄地，在一定堆肥施用量條件下，土壤pH僅出現(xiàn)小幅下降，而對于酸性礦山廢棄地，土壤pH有所提高，這得益于污泥堆肥優(yōu)異的酸堿緩沖性能. 無論是酸性礦山土還是堿性礦山土，EC和OC提升效果明顯[31-34]. 另外，Sevilla-Perea等[31]開展的場地試驗(yàn)還評估了施用污泥堆肥(75 t/hm2)對FC(土壤田間持水量)、土壤大量元素(鈣、鎂、鈉、氮、磷等)和DOC(溶解性有機(jī)碳)等參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)FC提高了29.4%～41.2%，土壤NO3-和PO43-含量均提高了30～70倍，氮、磷、鉀元素含量平均提高1.4倍以上，鈣、鎂和鈉含量提高75%以上，DOC含量增加了6～8倍. 總體而言，不論是對于酸性還是堿性礦山廢棄地，污泥堆肥對土壤理化性質(zhì)都有相當(dāng)?shù)母纳菩Ч?，但污泥堆肥施用于堿性礦山廢棄地對附近水質(zhì)惡化(溶解性有機(jī)碳)和富營養(yǎng)化(氮和磷)的二次風(fēng)險(xiǎn)將增加，需要引起重視.

2.1.2對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能的改善效果

表3 污泥堆肥施用引起的礦山廢棄地土壤基本理化性質(zhì)變化情況

土壤微生物是土壤中最活躍的成分，是土壤理化性質(zhì)改善的重要推動力，更是土壤生態(tài)系統(tǒng)推動物質(zhì)交換、能量流動以及碳、氮、磷、硫等生物地球化學(xué)循環(huán)的重要一員. 因此，土壤微生物量、酶活性和微生物呼吸等對土壤擾動敏感性更高的生化指標(biāo)常被選用以輔助判定污泥堆肥對礦山廢棄地土壤生化性質(zhì)的改善效果[35]. 單一酶活性指標(biāo)能提供關(guān)于特定養(yǎng)分循環(huán)的信息，但不能完全反映土壤的總體微生物狀態(tài)[36]，因此有研究者提出使用GMea指數(shù)(酶活性幾何平均指數(shù))來評估土壤功能[37]. 另外，微生物呼吸常用來量化微生物總體代謝水平[38]，再由SIR(土壤誘導(dǎo)呼吸率)可估算土壤微生物含量(以碳計(jì))，由此反映了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的總體代謝水平. 表4總結(jié)了污泥堆肥施用于各類礦山土后對土壤生化性質(zhì)的改善情況. 由表4可見，無論是實(shí)驗(yàn)室模擬還是現(xiàn)場場地試驗(yàn)，在單一酶活性方面，除了Glu(β-葡萄糖苷酶)活性在污泥堆肥摻混石灰的情況下有所降低外，其他各類酶活性均有所提高. GMea指數(shù)和土壤誘導(dǎo)呼吸率大部分與污泥堆肥施用量呈正相關(guān)，表明污泥堆肥極大增加了土壤微生物數(shù)量和代謝活性，有利于礦山廢棄地土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能重建.

2.1.3對植物生長的促進(jìn)作用及機(jī)理

污泥堆肥通過顯著改善土壤理化性質(zhì)和土壤微生物活性，最終促進(jìn)植物快速生長，同時(shí)促進(jìn)礦山生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的發(fā)揮. 目前已有的研究通過實(shí)驗(yàn)室盆栽試驗(yàn)或場地試驗(yàn)從植物發(fā)芽率、死亡率、植物干質(zhì)量、莖根比、相對生長率(RGR)、葉綠素含量等指標(biāo)的變化進(jìn)行定量評估，發(fā)現(xiàn)適量堆肥污泥可以顯著促進(jìn)多種植物的生長. 如在盆栽試驗(yàn)中，施用適量污泥堆肥的尾礦山土壤中生長的白樺幼苗干質(zhì)量、莖根比和葉綠素含量得到顯著提高[39]，礦山紅壤中扁桃的株高、根徑和生物量增加明顯[40]，施用2%的穩(wěn)定化污泥對番茄和黑麥草這兩類一年生草本植物的生長有一定促進(jìn)作用，而對生命力較強(qiáng)的紅薯的生長沒有影響；施用10%的穩(wěn)定化污泥則使番茄死亡率達(dá)73%[41]，這可能主要源于污泥堆肥含有一定量重金屬，施用量過高將對植物產(chǎn)生毒害. 因此，為提高植物的養(yǎng)分吸收能力，保護(hù)植物免受鐵、錳毒害，有研究基于中長期場地試驗(yàn)探討污泥堆肥摻和商用生物肥料(含有叢枝菌根真菌的凝膠懸浮液)的混合肥料對植物生長的促進(jìn)作用. 這種混合肥對植物生長的促進(jìn)具有選擇性，對刺山柑、迷迭香和開心果3種植物中的氮、磷、Zn和Na含量的提升效果最好，還降低了上述3種植物的Fe含量(4%～45%)和Mn含量(21%～40%)，其生長速度、活力和SIP(植物選擇指數(shù))也最高[31].

表4 污泥堆肥用于礦山廢棄地修復(fù)對生化指標(biāo)參數(shù)變化的影響

關(guān)于污泥堆肥促進(jìn)礦山廢棄地植物生長的機(jī)理，目前鮮見相關(guān)報(bào)道，但可借鑒農(nóng)田耕地長期施用有機(jī)肥促進(jìn)農(nóng)作物生長及土壤固碳的微觀機(jī)理解析成果. YU等[42]利用3個長期定位試驗(yàn)點(diǎn)(25～29年)和田間微宇宙試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥的土壤與施用化肥或不施肥土壤相比可顯著增加土壤微生物豐度和多樣性，尤其是明顯增加真菌類微生物豐度，這類真菌可促進(jìn)含鐵礦物參與的過氧自由基激發(fā)的芬頓氧化還原反應(yīng)進(jìn)行[43]，由于營養(yǎng)元素的輸入，植物(尤其根系)的物理和生化性能得到改善，植物葉片葉綠素、碳水化合物含量大幅增加而促進(jìn)生長[44]. 此外，根系分泌的有機(jī)酸(如檸檬酸)以及真菌等微生物的代謝物使土壤中鐵的可生物利用性增加[45]，從而使有機(jī)肥中的生物大分子與礦物(尤其是短程有序的金屬氧化物，SROs)形成不易被微生物降解的有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體[42]，有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體與無機(jī)黏土礦物、鋁硅酸鹽等進(jìn)一步形成土壤團(tuán)聚體從而將土壤有機(jī)碳固定下來(見圖2). 同時(shí)，土壤中廣泛存在的黏土礦物(如高嶺石、赤鐵礦、針鐵礦等)可抑制異養(yǎng)細(xì)菌(如PseudomonasbrassicacearumJ12)的生長[46]，通過減少異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量降低土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率，也使外源輸入的有機(jī)碳得到固定，土壤有機(jī)質(zhì)含量快速增加，保水保肥得到快速提升. 根據(jù)上述土壤學(xué)和農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的研究成果，污泥堆肥用于礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)主要可能通過增加土壤微生物活性和多樣性以及鐵類礦物的可生物利用性來促進(jìn)植物生長，同時(shí)使部分有機(jī)碳固定下來從而增加土壤有機(jī)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地生態(tài)功能的快速重建.

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體形成[42]和“礦物-有機(jī)質(zhì)-微生物-植物”體系的固碳機(jī)理[45]示意Fig.2 Schematic diagram of soil organo-mineral associations formation[42] and carbon sequestration mechanism in ‘mineral-microorganism-plant’ system[45]

2.2 污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)的二次污染風(fēng)險(xiǎn)

2.2.1氮、磷、有機(jī)質(zhì)輸入帶來的水體污染風(fēng)險(xiǎn)

污泥堆肥進(jìn)行土地利用后，土壤中增加的氮、磷和有機(jī)質(zhì)可能發(fā)生遷移釋放，從而增加地表水及地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，如富營養(yǎng)化. 目前有限的研究表明，污泥厭氧消化沼渣/污泥堆肥用于礦山廢棄地修復(fù)短期內(nèi)將對水體水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，但該不利影響的時(shí)間周期較短且可控. 例如，對于美國某農(nóng)場，污泥堆肥施用使地表徑流量減少了63%，硝酸鹽濃度最大增至0.9 mg/L，但遠(yuǎn)低于美國飲用水10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值[47]. 在瑞典Kristineberg銅尾礦區(qū)，污泥厭氧消化沼渣施用后對地下水水質(zhì)存在短期的負(fù)面影響：隨著污泥中氨的氧化，污泥源硝酸鹽和DOC釋放進(jìn)入地下水，硝酸鹽釋放可引起礦區(qū)針鐵礦的氧化從而釋放土壤中的鐵，但試驗(yàn)樣地地下水污染在6年內(nèi)可消失[48]. 然而，礦區(qū)類型和氣候條件多樣，因而針對特定的礦山廢棄地是否具有氮、磷流失帶來的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)和有機(jī)物污染需要開展具體評估，進(jìn)行必要的長期追蹤及監(jiān)測，以避免增加水體污染風(fēng)險(xiǎn).

2.2.2重金屬遷移釋放風(fēng)險(xiǎn)

污泥堆肥穩(wěn)定化處理能在一定程度上降低所含重金屬的釋放遷移風(fēng)險(xiǎn)，但土壤pH、氧化還原電位、有機(jī)質(zhì)、生物過程、降雨滲流、礦物組成及孔隙度等的變化將會影響其長期的環(huán)境遷移釋放行為，其中的降雨滲流(尤其是酸雨)是影響重金屬在土壤-地下水系統(tǒng)中釋放、遷移的重要因素[49]. 為了評估污泥堆肥土地利用對土壤重金屬含量的影響及由此帶來的遷移釋放風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)者們通過淋濾柱試驗(yàn)?zāi)M降雨滲流條件以及實(shí)地場地試驗(yàn)對重金屬在各類土壤與地下水環(huán)境中的遷移釋放特征開展研究.

通過淋濾柱模擬試驗(yàn)，污泥堆肥單次施用及多次回施帶來的重金屬浸出風(fēng)險(xiǎn)較低：按照6 kg/m2的施用量將污泥與不同類型的地中海森林土壤混合后，Cu、Ni和Zn總量均有所增加，但重金屬含量遠(yuǎn)低于西班牙的飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，地下水受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)似乎很低[50]. 4次循環(huán)施用污泥堆肥帶來的Cd、Cr、Cu和Pb的累積釋放量占總含量的比例小于5%[51]. 究其原因可能是，污泥堆肥中相當(dāng)含量的腐殖質(zhì)可作為重金屬的螯合劑抑制重金屬浸出，部分學(xué)者提取污泥堆肥中的腐殖質(zhì)作為綠色清洗劑，實(shí)現(xiàn)了土壤Cu和Cd的有效去除[52-53]. 值得注意的是，對于富含有機(jī)質(zhì)的土壤，還原性條件可使As的浸出濃度提高約1個數(shù)量級. 對于多種重金屬帶來的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Bülent[54]經(jīng)過3年的溫室盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥的施用增加了可遷移的重金屬含量，除Ni以外的其他重金屬遷移率都有所提高，但重金屬的單一生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)限值，表明所有金屬在短期或中期對周圍生態(tài)系統(tǒng)造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低.

污泥堆肥重金屬遷移釋放風(fēng)險(xiǎn)的另外一個關(guān)注點(diǎn)是向植物(尤其農(nóng)作物)的富集累積，最終通過食物鏈對人類及其他生物造成影響. 研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在不同植物中的富集情況并不相同，甚至在同一植物不同部位的富集情況也不完全一致. 以膨潤土、流紋石和麥秸為輔料的污泥堆肥(9、18、27 t/hm2)作為肥料種植小麥、玉米和豌豆，發(fā)現(xiàn)Ni和Zn均存在于土壤和植物中，綠豌豆主要在根部積累Ni，而籽粒富集Zn，另外兩種植物籽粒中的Ni和Zn含量相近，總體的Zn和Ni富集風(fēng)險(xiǎn)很低[55]. 在番茄和黑麥草葉片中，番茄和黑麥草葉片中Fe、As、Cr和Pb含量相對空白均有所降低. 對于無需施用污泥堆肥即可正常生長的紅薯，除As以外，葉片中其他重金屬的含量是安全的，但As含量受污泥堆肥影響十分有限[34]. 需要指出的是，經(jīng)過輔助穩(wěn)定化處理的污泥堆肥會顯著抑制植物對重金屬的吸收，如施用經(jīng)石灰穩(wěn)定化處理的污泥堆肥(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)，在促進(jìn)酸性礦山廢棄地植物生長的同時(shí)，也顯著降低了其對重金屬(如Pb和As)的吸收[33,56]，而添加磷尾礦渣的污泥堆肥可以降低磷礦山廢棄地植物對土壤中重金屬的富集，有利于土壤中重金屬的穩(wěn)定化[49].

綜合以上污泥堆肥應(yīng)用于礦山/非礦山土壤的研究結(jié)果，污泥堆肥應(yīng)用于受重金屬污染較為嚴(yán)重的礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)，預(yù)期可降低土壤重金屬浸出風(fēng)險(xiǎn)，在促進(jìn)植物生長的同時(shí)并不會造成植物體重金屬含量超標(biāo)的問題，相反還削弱了植物對部分重金屬的富集累積能力，具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)可行性. 對于污染程度較低的礦山廢棄地，污泥重金屬在短期或中期遷移釋放生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，然而這種風(fēng)險(xiǎn)是否會隨時(shí)間推移而增加并在長期尺度內(nèi)形成高風(fēng)險(xiǎn)仍需進(jìn)一步展開研究與討論. 另外，由于選種的植物種類不同，植物富集重金屬的能力存在差異，因而有必要分地域進(jìn)一步開展基于礦山廢棄地本土植物物種的重金屬富集效應(yīng)研究，從而定量評估其重金屬遷移風(fēng)險(xiǎn).

3 污泥/污泥堆肥修復(fù)礦山廢棄地相關(guān)案例

美國、瑞典、加拿大、波蘭等發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)末就開展了關(guān)于市政污泥/穩(wěn)定化市政污泥應(yīng)用于銅礦、銅鉬礦、鉛鋅礦和煤礦等礦山廢棄地的植被恢復(fù)研究，早期主要研究市政污泥脫水或者經(jīng)過厭氧消化后的土地利用，近年來市政污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)也見諸報(bào)道. 我國由于礦山廢棄地類型多樣、分布范圍廣，目前的生態(tài)修復(fù)主要集中在對受損地形地貌景觀的恢復(fù)方面[57]，以減少礦山次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和伴生的生態(tài)環(huán)境惡化，如水土流失、土地沙化等，關(guān)于市政污泥/市政污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)的研究尚鮮見報(bào)導(dǎo). 由國外污泥/污泥堆肥用于礦山生態(tài)修復(fù)的案例(見表5和圖3)可以發(fā)現(xiàn)，國外開展的場地試驗(yàn)證明市政污泥經(jīng)穩(wěn)定化處理可促進(jìn)礦山生態(tài)恢復(fù)，幫助礦山形成有效碳匯，然而目前的研究對于污泥施用可能帶來的水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)、重金屬遷移和富集風(fēng)險(xiǎn)還未開展長期系統(tǒng)、深入和定量的評估工作，這也將成為未來評估市政污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)可行性的重要研究方向.

表5 國外污泥/污泥堆肥修復(fù)礦山廢棄地案例

圖3 美國亞利桑那州圖森市某銅礦山廢棄地干化污泥修復(fù)前和修復(fù)3年后的植被生長情況對比[58]Fig.3 Vegetation comparison of a copper mine tailing located in Tucson City,USA before and after amended by dried sewage sludge for 3 years[58]

4 結(jié)論與展望

a) 污泥堆肥富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，用于礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)主要通過增加土壤微生物活性和多樣性以及鐵類礦物的可生物利用性，促進(jìn)植物生長，同時(shí)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體形成并與無機(jī)黏土礦物、鋁硅酸鹽等進(jìn)一步形成土壤團(tuán)聚體促成土壤有機(jī)碳有效固定，同步實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地土壤理化性質(zhì)改善、植被的快速恢復(fù)和生態(tài)功能的快速重建.

b) 污泥堆肥施用可能帶來的負(fù)面生態(tài)影響主要集中在污泥含有的重金屬和氮、磷由于降雨徑流帶來的附近水體污染，以及重金屬通過土壤向植物體的遷移富集. 污泥堆肥施用將對水體硝酸鹽氮、有機(jī)質(zhì)等水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生短期不利影響，Cd、Pb、Zn和As浸出濃度有一定增加，植物對重金屬的富集累積能力有限.

c) 美國、瑞典、加拿大、波蘭等發(fā)達(dá)國家開展的關(guān)于市政污泥/穩(wěn)定化市政污泥應(yīng)用于銅礦、銅鉬礦、鉛鋅礦和煤礦等礦山廢棄地的植被恢復(fù)實(shí)證研究表明，市政污泥土地利用可促進(jìn)礦山生態(tài)恢復(fù)并形成有效碳匯，但對于污泥施用可能帶來的水體污染和富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)、重金屬遷移和植物富集風(fēng)險(xiǎn)尚未開展長期系統(tǒng)、深入和定量的評估工作，這也將成為未來評估市政污泥堆肥用于礦山生態(tài)恢復(fù)可行性的重要研究方向.