土壤与环境
SOIL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES
1999年 第8卷 第1期 Vol.8 No.1 1999



利用城市污泥防治水土流失*
莫测辉 吴启堂 蔡全英 李桂荣
摘要 根据城市污泥的特点，分析了城市污泥在改良土壤和防治水土流失上应用的必要性和可能性，指出了存在的问题和对策。
关键词 城市污泥；水土流失；防治
Application of Municipal Sludge to Soil Erosion Prevention. 
Mo Cehui, Wu Qitang, Cai Quanying and Li Guirong (College of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642). Soil & Environ Sci, 1999, 8(1): 66～70
Based on the characteristics of sewage sludge,the feasibility and necessity of its application to soil amendation and soil erosion prevention are analysed, and the unfavorable factors and their countermeasures are also proposed.
Key words sewage sludge; soil erosion; prevention
　　目前我国对于城市污泥(简称污泥)农用问题的认识，一是还基于为其寻找处置出路来考虑，二是还基于利用其中的养分来提高农作物的产量，但对于利用它来改良土壤，从而提高土壤的抗蚀能力和保水能力的认识还不够。本文根据污泥的特性及其研究现状，对于利用它来防治水土流失的必要性、可能性以及存在的问题和对策提出一些粗浅看法。
1 城市污泥的特点及其在改良土壤和防治水土流失上应用的必要性和可能性
　　城市污水集中生化处理是国内外的发展趋势，对防止日益严重的环境污染起了重要作用。但由此产生了大量的沉积物，即城市污泥需要妥善处理。据统计，我国“八五”期间每天排放的污泥量达1000万 t 左右，而污水的处理率仅为10%左右。根据“全国2000年环境保护规划纲要”，到2000年全国污水处理率要求达到20%～30%。广东省目前正在实施的“碧水工程计划”，要求全省到2005年建成52座污水处理厂(现仅有10座)，污水处理率由现在的10%左右提高到40%，日处理污水达610万 t。因此，城市污泥的排放量近年内将翻数番，数量巨大。由于城市污泥往往含有一定的污染物，如何对其进行妥善处理一直是棘手的问题。主要的处理方法有填埋、焚烧、倒海和农业利用等。前三种处理方法，一方面是浪费资源，因为污泥含有丰富的N、P、K和有机质，是良好的有机肥料，优于猪牛粪等农家肥(表1)[1]。另一方面是受到场地限制，造成二次污染和处理费用昂贵等。例如，广州市大坦沙污水处理厂每年污泥填埋处理费用就达100万元之多。但更严峻的问题是，广州市三大垃圾填埋场有的已“寿终正寝”，有的即将填满。将来污泥处置的出路何在？随着“碧水工程计划”实施的逐步完成，污泥产量的数倍增加，这一问题将日益突出，迫切需要寻求一种处理容量大、经济可行的处理方法。实践证明，城市污泥农用资源化正是这样一种具有广阔前景的处理方法，深受世界各国重视。第15届土壤学大会专门设立了一个研讨会来讨论城市污泥的农用问题。目前，英国、法国、瑞士、瑞典和荷兰等国城市污泥的农用率高达40%～50%左右。英国、美国等还以城市污泥为原料进行有机肥料的规模化、商品化生产，并将其产品出口。
　　　表1 广东省城市污泥氮、磷、钾及有机质含量[1]

　广州生污泥深圳生污泥深圳消化污泥佛山生污泥牛粪*
全氮(g/kg)24.9836.9719.8729.6011.83
全磷(g/kg)11.6617.6712.1818.3711.83
全钾(g/kg)16.0521.5212.3610.287.74
有效氮(mg/kg)2316.942449.422325.872541.56　
有效磷(mg/kg)1545.16989.34522.662356.14　
有效钾(mg/kg)4549.04899.36396.284915.91　
有机质(g/kg)303.77600.38261.70290.32380.21

*1996年5月取自华南农业大学奶牛场。
　　我国未来的农业形势相当严峻。我国现有人均耕地不到世界平均水平的1/4，耕地土壤肥力偏低；山区耕地面积比例大，自然生态系统脆弱，水土流失严重，土地退化、荒漠化加剧。我国现有水土流失面积超过150 km2，约占全国土地面积的16%；广东省43个山区县(市)水土流失面积13295 km2，占土地面积的12.58%[2]。今年我国长江流域和松花江流域发生的历史罕见的大水灾，与其说是雨量过大，不如说是生态环境破坏和水土流失严重造成的恶果。因此，加强生态环境保护，防治水土流失，维持和提高地力，不仅是我国农业可持续发展的根本保证，而且关系到我国政治稳定和社会、经济的可持续发展。
　　防止水土流失，采用的水土保持措施是多方面的。根据城市污泥的特点，即含有丰富的氮、磷、钾和有机质，具有较强的粘性和吸水性等，以及据水土保持的基本原则[3]，利用城市污泥来改良土壤，防治水土流失，不仅可能，而且必要，同时还具有重要的环境、生态、社会和经济效益。
2 城市污泥在防治水土流失上的应用
2.1 利用城市污泥改良土壤，防治水土流失
　　土壤的特性，尤其是透水性、抗蚀性、抗冲性对水土流失有很大影响。由于城市污泥的上述特性，施用城市污泥有机肥能迅速有效地提高土壤的有机质含量和改变其结构性能，从而达到防治水土流失的目的。随着污泥施用量的增加和土壤中有机质含量的累积和提高，土壤的理化性质会发生明显的变化，表现为正相关关系，而水土流失量的变化则表现为负相关关系[4, 5]。研究表明，施用城市污泥后，土壤结构系数、水稳定性团聚体、孔隙率、透水率和持水量随着污泥施用量的增大而增大，土壤容重和表土抗剪力随之减小[4～7]。这些性质的改善都是有利于增加雨水入渗、减少水土流失的重要机制。在28°坡地上施用污泥进行试验(混入土壤和直接铺在其表面，200～400 t/ha)，在模拟降雨条件下(64 mm/h)，无论有无植被，与对照地相比土壤侵蚀率均有较明显降低(减少侵蚀10%以上)，降低程度与污泥的施用量成正比[4]。在30°坡地上施用污泥和污泥堆肥，因为堆肥调节了C/N比，有利于有机质在陡峭的石质土葡萄园储存，限制了氮素的矿化，防止养分尤其是NO3-的淋失，促进葡萄的生长且获得了较高产量[8]。当然，随着时间的推移和施用污泥的延续，水土保持的效果必然会越来越显著。
2.2 利用城市污泥迅速有效地恢复植被，防治水土流失
　　植被在水土保持中起着重要作用，表现在拦截雨滴、调节地面径流、固结土体和改良土壤性状等方面。植被保护土壤免受侵蚀的能力，不仅取决于其密度或厚度，而且还取决于总的生长情况。水土流失现状与森林覆盖率呈明显的反相关规律[2]，密集型作物的保护作用最大，如草地或草/豆混种作物等。然而，无论何种作物，只有当其健壮、速生和高产时，才能发挥最大的保护作用。这种情况也只有在天然肥力较高或能施用足量肥料的土壤中才可能实现。但是，退化地、荒漠地、矿区废弃地和山地丘陵等植被稀少，水土流失严重的地区，往往也是土壤贫瘠的地方。因而在这些地方迅速有效地建立植被的关键措施之一是施肥。城市污泥既含有丰富的氮、磷、钾，又含有大量的有机质。因而通过施用城市污泥来恢复植被，既能迅速地供肥，又能持久地供肥，同时还能改良土壤的理化性质，从而能保证植物的健壮、速生和高产，达到防治水土流失的目的。Sopper(1989)在4 hm2煤矿废地上进行小区实验，施用污泥，种草和豆科植物三个月后，小区全部覆盖上植被，第一年高度达32～35 cm[5]。露天采矿区因水土流失和养分有效性低，植被稀疏，施用消化污泥或非消化污泥后，草地生长量和密度急剧增加，对灰化土等土壤上云杉和松树的生长都有显著作用，大大减少了地表径流的危害[9]。在松树、象树和黄杨树等林地上，每公顷施用34～68 t干污泥，与施用化肥相比，树高度增加46%～489%，直径增加50%～453%，生物量增加42%～661%[10]。研究结果表明，与施用城市污泥相比，在上述地方通过施用化肥来建立植被，防治水土流失，不仅费用高，而且效果差。
2.3 施用污泥提高土壤微生物活性
　　土壤环境的改善为土壤微生物的活动提供了条件。土壤微生物活动又反过来进一步促进土壤肥力的提高。土壤微生物的活动参与和促进了土壤中的物质循环，是构成土壤肥力的重要因素之一。细菌、放线菌和真菌是土壤微生物的主要群落，占总数的99%以上。施用城市污泥，一方面是输入了大量的有机质和矿质养料，有利于促进土壤中原有微生物的活动和繁殖；另一方面又因为其本身主要是由微生物群体组成的活性污泥(1克污泥含细菌高达数万亿个)，从而直接和极大地提高了土壤中的微生物数量。Sopper(1989)施用污泥改良土壤，细菌数和真菌数分别增加到(4～63)×106个/g和(4～18)×105个/g，分别比不施用污泥的高5～10倍和3～4倍，放线菌也增加到(1.18～140.23)×104个/g[5]。因此，通过施用城市污泥，促进土壤微生物的活动，从而改变土壤结构，促进土壤团粒形成，增大土壤抗冲性，减少径流冲刷，最终达到控制水土流失的目的。
　　与其它有关措施，例如，张科利等(1997)利用人工防蚀生草膜保持及改良土壤[11]；金凤鹤等(1997)利用泥炭改良沙漠土[12]相比，本文提出利用城市污泥改良土壤，防治水土流失的措施，一方面为污泥的农用资源化、污泥的处置提供了广阔的前景；另一方面充分利用了污泥的肥效和土壤改良剂性能，变废为宝。因此本措施成本低、见效快、效果好，具有良好的环境、生态、社会和经济多方面的综合效益。
3 存在问题与对策
3.1 存在问题
　　利用城市污泥防治水土流失存在的主要问题是污泥中的污染物，例如重金属、病原体和有机物，若处理和施用不当，可能导致环境污染。
　　污泥中的重金属是影响污泥农用的主要因素。不同来源的污泥所含金属的种类和含量相差甚远。通常情况下，以处理生活污水为主的污水处理厂所产生的污泥(生活污泥)，其重金属含量较低，例如，佛山市污泥重金属含量较低，符合农用标准；以处理工业污水为主的污水处理厂所产生的污泥(工业污泥)，其重金属含量则可能较高，例如，广州市和深圳市的污泥，其Cu、Zn含量均超过农用标准（表2）[1]。
　　　表2 不同污水处理厂污泥的重金属含量(mg/kg) [1]

　CuZnPbCrCdHg
广州生污泥2291.222138.0182.511151.301.32　
深圳生污泥1529.14-210.00195.022.372.95
深圳消化污泥1273.21-223.3080.002.433.67
佛山生污泥636.9619.5148.01139.029.37　

　　　　　注：“-”表示未检出，空白表示未测。
　　在新鲜的城市污泥中检测到的病原体多达上千种，主要是寄生虫、细菌、真菌和病毒四大类，前者更为常见。不同的病原体在污泥及其施肥的土壤中的存活时间相差很大，有的可存活仅数小时或数天，而有的可存活数年之久。
　　城市污泥中的有机污染物近年来日益引起人们的关注，但对其中有机污染物的种类和含量进行全面检测的报道尚属鲜见。国外报道较多的主要是PAHs、HCNs、PCDD/Fs、PCBs、CBs和杀虫剂等。一些污泥中有机污染物的含量比当地土壤背景值高出数倍、数十倍甚至上千倍[13]。国内对污泥中有机污染物的研究很少。最近我们研究表明，广州、深圳等地的污泥含有属于US EPA“黑名单”上列出的优控污染物。试验结果还发现，深圳、佛山的污泥中存在一些有机污染物对某些农作物种子发芽和幼苗生长的抑制作用[1]。因此，对重金属含量较低的城市污泥的农业利用也必须谨慎。
3.2 对策
3.2.1 污染源的控制 在城建规划时尽可能将工业污水和生活污水分开，分别在不同的污水处理厂进行处理。这样就便于污泥在农用前进行针对性的处理。同时对各厂家、企业等排放的污水进行严格监控，达标排放，以尽量减低污染物在污泥中的含量。
3.2.2 化学浸提法和微生物淋滤法 用来降低污泥中含量超标的重金属，使之能用于农业生产[14～16]。然而，尽管这些方法效果好，但成本高，操作麻烦，废液难处理等，目前仍未达到实用阶段。
3.2.3 消化处理 生污泥经过消化处理后形成消化污泥，可消除恶臭，并在一定程度上杀死病原体，降解有机污染物。
3.2.4 堆沤处理 堆沤处理可使污泥消除恶臭，杀死病原体，降解毒性有机物，同时改善其性质。作者对广州污泥及其堆肥进行GC/MS分析结果表明，堆沤处理对污泥中的多类毒性有机物如多环芳烃类均有不同程度的降解，一些对农作物种子发芽和幼苗生长有抑制作用的有机污染物由于被降解而使抑制作用消失[1]。
3.2.5 制定农用污泥污染物控制标准和污泥施用准则 污泥中的重金属和病原体很早就引起了人们的注意，并制定了有关的控制标准和施用准则。目前应大力加强农用污泥中有机污染物在土壤-水-植物系统中迁移转化规律及其机制的研究，加紧制定农用污泥有机污染物含量控制标准。应严格控制施用污染物含量超标的污泥。对符合要求的污泥的施用也要控制其施用量和施用年限。
3.2.6 加强污泥施用对生态环境影响的研究和监测 以防为主，防治结合，避免生态环境受到污染和破坏。
　　值得指出的是，利用污泥改良土壤，防治水土流失，通常是避开了食物链。只要正确处理，合理施用，一般不会对植物、土壤和水体(地表水和地下水)造成危害。因而这是污泥农用资源化研究与实践中更值得考虑的领域。
*广东省自然科学基金和广东省环保科技开发研究基金资助项目。
作者单位：华南农业大学资源环境学院，广州 510642
参考文献
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收稿日期：1998-09-28
