环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1570-1579  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.74

引用本文  

王磊, 苏本营, 方广玲, 等. 天然气开采压裂返排液污泥用于荒漠区植被修复的可行性[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1570-1579.
WANG Lei, SU Benying, FANG Guangling, et al. Feasibility of Using Sludge from Fracturing Flow-Back Fluid Treatment for Natural Gas Exploitation for Restoring Desert Area Vegetation[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1570-1579.

基金项目

国家重点研发计划课题(2016YFC0500904);中国环境科学研究院院所长基金(2006001001004028)

责任作者

香宝(1965-), 男(蒙古族), 内蒙古通辽人, 研究员, 博士, 主要从事污泥资源化利用、农业生态研究, xiangbao@craes.org.cn

作者简介

王磊(1991-), 男, 安徽省阜阳人, mywlei@yeah.net

文章历史

收稿日期:2017-01-13
修订日期:2017-05-30
天然气开采压裂返排液污泥用于荒漠区植被修复的可行性
王磊1,2 , 苏本营1,2 , 方广玲1,2 , 胡钰1,3 , 王玥1,2 , 香宝1,2     
1. 中国环境科学研究院, 北京 100012;
2. 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室, 北京 100012;
3. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875
摘要:为解决中石化大牛地气田天然气开采压裂返排液污泥(采气污泥)难处理的困境,在测定采气污泥成分和运用地累积指数法(Igeo)评估其环境风险的基础上,利用三种荒漠区常见植物[沙蒿(Artemisia desertorum)、黑麦草(Lolium perenne L.)和苜蓿(Medicago falcata L.)],通过设计采气污泥与荒漠区土壤配比,开展天然气开采压裂返排液污泥用于荒漠区植被修复的可行性试验研究.结果表明:① 采气污泥中各污染物组分含量相对较低,w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)分别为35.187、0.181、5.502 mg/kg,PAHs(多环芳烃类)未检出;w(OM)、w(TN)也较低,分别为1.46%、0.32%,盐分含量为1.2%.② 重金属风险评估结果显示,Cr、Cd、Pb的Igeo值分别为-0.76、-8.69和-2.20,污染风险等级为清洁;Se和Ba的Igeo值分别为0.02和0.91,有轻度环境污染风险.③ 5%采气污泥处理能使土壤最大持水量、土壤保水能力和孔隙度分别提高了74.41%、14.29%和4.35%.④ 低浓度(2.5%)采气污泥处理能使沙蒿、黑麦草和苜蓿种子发芽率分别提高7.38%、3.61%和8.20%,高浓度(>2.5%)采气污泥对种子萌发则表现为抑制作用.⑤ 根据采气污泥对沙蒿、黑麦草和苜蓿株高、根长和生物量的影响,确定采气污泥适宜施用量分别为≤ 5%、≤ 2.5%、≤ 2.5%.研究显示,采气污泥用于荒漠区植物修复是可行的,但适宜施用量较低,可采取去污染物和筛选耐性植物等技术来提高其用量.
关键词采气污泥    环境风险    荒漠区    植被修复    可行性    
Feasibility of Using Sludge from Fracturing Flow-Back Fluid Treatment for Natural Gas Exploitation for Restoring Desert Area Vegetation
WANG Lei1,2 , SU Benying1,2 , FANG Guangling1,2 , HU Yu1,3 , WANG Yue1,2 , XIANG Bao1,2     
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Regional Ecological Processes and Functions Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: In order to dispose the sludge from fracturing flow-back fluid for natural gas exploitation (gas production sludge) from Sinopec Daniudi Gas Field, the gas production sludge composition and potential environmental risk assessment by Igeo were researched. Meanwhile, the effects on soil improvement and plant growth were researched in three plant species, Artemisia desertorum, Lolium perenne L. and Medicago falcata L., in a compound by gas production sludge and soil. The results showed that the contents of heavy metals and harmful organic contaminants were very low in the gas production sludge; for example, the contents of Cr, Cd and Pb were 35.187, 0.181 and 5.502 mg/kg, while PAHs were under the observed effect concentration. The w(OM) and w(TN) were small (1.46% and 0.32% respectively), but the salinity was 1.2% in gas production sludge. The results of risk assessment of 13 heavy metals indicated that the Igeo of Cr, Cd and Pb was -0.76, -8.69 and -2.20, respectively, indicating a clean environmental contamination risk level, but the Igeo of Se and Ba was 0.02 and 0.91, respectively, indicating a mild environmental contamination risk. The maximum water holding capacity, water retention capacity and porosity of soil were increased by 74.41%, 14.29% and 4.35% when the content gas production sludge application was 2.5%. The gas production sludge increased seed germination of A.desertorum, L.perenne L. and M. falcata L. by 7.38%, 3.61% and 8.20% when the mixture ratio was 2.5%. If the content gas production sludge application exceeded 2.5%, the seed germination was restrained. Comprehensive consideration impacts on the height, root height amd fresh weight content of the three plants were detected during the growth period. The feasible gas production sludge application amounts for A.desertorum, L.perenne L. and M.falcata L. were ≤ 5%, ≤ 2.5%, ≤ 2.5%, respectively. The study considered that gas production sludge used for desert area plant restoration is feasible. However, we need to increase the use of pollutant removal with gas production sludge application, choose tolerant plants, etc.
Keywords: gas production sludge    desert area    vegetation restoration    feasibility    

近年来,随着我国经济发展和能源结构发生的改变,天然气在能源结构中占比逐渐增大[1],据周波等[2]预测,未来20年我国对天然气的需求增长将保持在每年15%以上.开采天然气钻井过程中产生大量废水、岩屑及压裂返排液处理污泥等,据估算,仅大牛地气田采气污泥产生量每年约1×104 m3,目前由于缺乏合适的处理处置技术,大量的采气污泥仍处于堆放状态,这对天然气可持续开采和周边生态环境将产生很大负面影响.

目前针对城市污泥、采油污泥处理处置技术的大量研究,主要集中于采用超声波技术[3]、冷冻技术[4]和稳定化技术[5]、土地填埋[6]及资源化回收利用[7]等手段进行减量化处理.城市污泥最终处置是近年研究热点,如CHEN等[8-10]提出污泥是一种资源应加以利用;Fullana等[11-13]研究发现,污泥焚烧处置技术是一种有效处理技术,但存在二次污染,成本较高.城市污泥堆肥处理逐渐成为研究热点[14-15],其中农田利用[16-17]逐渐成为学者优先推荐的处置方式.欧盟目前优先采用土地利用处理城市污泥,并于2010年制定并通过城市污泥土地利用管理条例[18-19],条例规定未来污泥处置方向为堆肥化、资源化利用. Semiyaga等[20-21]从经济性、环境友好性、技术可行性及社会可接受性多标准来评价城市污泥处置技术,结果发现排名前两位的为污泥资源化、堆肥化.通过对比其他类型污泥处理处置技术发现,资源化利用、堆肥化土地利用将是未来污泥处理处置的方向.

近年来,有关城市污泥用于荒漠区土壤改良和植被恢复研究不断增加.城市污泥具有较强的黏性、持水性和保水性,因此,施入城市污泥有利于提高沙地土壤结构稳定性和持水保水能力[22].李雪[23]开展了城市污泥改良沙地土壤试验研究,结果发现沙地土壤孔隙度、团粒结构和团聚体稳定性等随着污泥施用量的增加而增加.华正伟[24]通过污泥与沙土配比试验发现,城市污泥的施入能促进杨树幼苗生长,并且随污泥量增加,效果更加明显,当污泥与沙土的比例为1:1时,与对照组相比,杨树幼苗株高、叶面积分别提高3.95和1.55倍,胸径增加了1.68 mm.

在探索采气污泥处理处置技术方面,笔者所在课题组前期研究了采气污泥干化焚烧、制作免烧砖、填埋等处理方式,发现焚烧和制砖成本过高,且制砖销路有限,当地环境保护部门不允许填埋,并要求及时处理堆积污泥.采气污泥产生地一般处于沙地腹地,距离城镇距离较远,焚烧、制建材、填埋等处理方式不适合,确保环境安全的基础上沙地利用是有效处置方式.为此,借鉴城市污泥用于沙地土壤改良和植被修复经验,该研究因地制宜将采气污泥处理处置与荒漠区沙地植物恢复相结合,在采气污泥物质特性分析及其污染风险评价的基础上,结合采气污泥与荒漠区土壤混配进行植物培养试验,明确采气污泥组成成分及其对荒漠区土壤改良效果,分析采气污泥对沙蒿、黑麦草和苜蓿三种植物生长特性的影响,筛选适宜的采气污泥施用量,探讨采气污泥用于荒漠区植物修复的可行性,这对于缓解荒漠区土壤退化和植被恢复具有理论指导意义,同时可为探索采气污泥安全处理处置新途径提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验于2016年6—10月在中国环境科学研究院废弃物资源化利用与沙地生态修复试验基地进行,研究区位于鄂尔多斯市乌审旗境内,地处毛乌素沙地腹地,具有土地沙化严重、土壤养分含量少、土壤保水性差等特点.该区域属温带大陆性季风气候,年平均气温6.8 ℃,全年日照2 800~3 000 h,年降水量350~400 mm,年蒸发量2 200~2 800 mm.

1.2 供试材料

土壤样品:取自中国环境科学研究院废弃物资源化利用与沙地生态修复研究基地周边沙地.土样采回后,置于室内通风处风干,备用.污泥样品和土样经研磨,过2 mm筛后,用密实袋装好,备用.供试土样和污泥样品的理化性质见表 1.

表 1 供试土壤和采气污泥基本理化性质 Table 1 Primary physical and chemical characters of sewage sludge and soil

采气污泥样品:取自于中国石油化工股份有限公司华北分公司九普污水处理厂,将采气污泥样品放置在阴凉通风处风干,备用.沙蒿、黑麦草和苜蓿

供试植物:选择退化沙地修复、植被重建常见的三种植物——沙蒿(Artemisia desertorum)、黑麦草(Lolium perenne L.)和苜蓿(Medicago falcata L.);供试植物种子均为鄂尔多斯百禾种业有限责任公司提供;试验用聚乙烯花盆(长45 cm、宽25 cm、高30 cm).

1.3 试验设计

将自然风干后的采气污泥样品与土样按照不同质量比(均以干质量计)进行混合配比,共设置6个配比浓度:① 100%沙土,作为对照,记做C0;② 2.5%污泥+97.5%沙土,记做C1;③ 5%污泥+95%沙土,记做C2;④ 10%污泥+90%沙土,记做C3;⑤ 15%污泥+85%沙土,记做C4;⑥ 20%污泥+80%沙土,记做C5.不同污泥配比浓度设置3次重复试验.

于各花盆中装混合基质50 kg,并混合均匀,沙蒿、黑麦草、苜蓿种子各100粒均匀撒播于盆中,覆盖一层薄薄的混合细土,以盖没种子为宜.试验在野外条件下进行,温度、湿度和光照不做控制,每天早晨浇水1次,每次500 mL;试验时间为6—8月;种植期间其他管理措施保持一致,保证植物统一的生长环境.

1.4 测定方法 1.4.1 重金属含量测定

样品前处理:取样品10~20 mg,置于特氟龙瓶(容积7 mL)中,加入高氯酸1 mL、硝酸1 mL、氢氟酸0.5 mL,扣上盖子后放入高压不锈钢消解罐中,在150 ℃电烤炉中消解7~9 h,冷却后打开瓶子,并在电热板上加热至190 ℃,直到液体剩余几百μL.在残余液体中加入0.5 mL氢氟酸,加热到剩余几百μL,重复以上步骤直至硅酸盐矿物完全溶解.最终的消解液用1%的硝酸稀释10倍,过0.45 μm的滤膜.

重金属含量测定:取经消解、过滤后的采气污泥浸出液4 mL,使用ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry)检测其中的重金属含量.

1.4.2 有机污染物含量测定

样品前处理:称取10 g过筛污泥样品,加入回收率指示物混合标样和活化铜片,后经200 mL二氯甲烷索氏抽提72 h,最后经旋蒸浓缩至5 mL左右,转移至鸡心瓶,用正己烷为置换溶剂,过硅胶/氧化铝(质量比2:1) 层析柱分离纯化.

有机污染物含量测定:对分离纯化的液体用70 mL二氯甲烷/正己烷(体积比3:7) 淋洗并收集,经旋转蒸发至1 mL,再用柔和氮流吹至0.5 mL,加入内标进行气相色谱-质谱联用仪(GC-MS:Gas Chromatography-Mass Spectrometer,USA)分析.

气相色谱条件:毛细管柱为VF-5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气为高纯氦气(≥99.999%),恒流,载气流速为1.0 mL/min;进样体积为1 μL.质谱条件:离子源温度280 ℃,四极杆温度40 ℃,电离模式MS,电子轰击离子源(EI),电子能量70 eV;溶剂延迟时间5.00 min;碰撞气为高纯氢气(99.999%),碰撞压力0.24 Pa;Q1峰宽3.00,Q2峰宽1.00;数据采集模式为多反应离子监测模式(Multiple Reactions Monitoring Mode,MRM).

1.4.3 土壤理化性质测定

土壤容重采用环刀法测定.

土壤最大持水量、土壤失水时间采用烘干法测定.

土壤孔隙度计算方法如式(1) 所示.

$S = (1 - \rho /\mu ) \times 100$ (1)

式中:S为土壤孔隙度,%;ρ为土壤容重,g/cm3μ为比重,g/cm3.

1.4.4 植物生长指标测定

种子发芽率采用前14 d正常发芽数计算,方法见式(2):

$\beta = A/T \times 100$ (2)

式中:β为种子发芽率,%;A为前14 d正常发芽数,个;T为供试种子数,个.

株高:每个试验处理选取10株长势均匀的植株,取其第35天时的平均株高作为测量值.

根长:每个试验处理选取10株长势均匀的植株,取其第35天时的平均根长作为测量值.

生物量:在第35天时选取具有代表性的植物割刈,称其质量,算其平均值.为便于作图分析,将黑麦草和苜蓿生物量换算成10株植株生物量,沙蒿采样单株.

1.5 重金属环境风险评估方法

对于采气污泥中重金属污染风险,采用德国科学家Muller[25]于1969年提出的地积累指数模型进行评价,其评价原理见式(3):

${I_{{\rm{geo}}\;i}} = {\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}({C_i}/k{B_i})$ (3)

式中:Igeo i为土壤污染物i的地累积指数; Ci为土壤污染物i实测含量的统计均值,mg/kg;B为污染物i的地球化学背景值,mg/kg;k为修正造岩运动引起的背景波动而设定的系数,一般取1.5.

依据Igeo把土壤中重金属污染程度分为7个等级(见表 2).通过对九普污水处理厂不同工序、不同时间采集的43个污泥样品,采用GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中的方法测定重金属含量,运用地累积指数评价模型,结合内蒙古自治区重金属背景值[26],得到采气污泥中地累积指数值.

表 2 基于地累积指数的土壤重金属污染程度分级 Table 2 Pollution level of heavy metals based on index of geo-accumulation
1.6 数据处理

数据处理应用SPSS软件(version 17,SPSS,Chicago,IL,USA)进行.该研究中试验数据用单因素方差分析(one-way ANOVA),S-N-K(Student-Newman-Keulsa)检验处理间差异的显著性,不同的字母表示差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05).

2 结果与分析 2.1 污泥利用潜在环境风险 2.1.1 采气污泥特性

采气污泥及其浸出液中重金属含量如表 3所示.由表 3可见,采气污泥浸出液中重金属含量较低,ρ(Cr)、ρ(Cd)、ρ(Pb)、ρ(Ni)、ρ(Cu)、ρ(As)、ρ(Ag)、ρ(Hg)分别为0.008 1、0.000 2、0.002 1、0.006 9、0.042 9、0.042 5、0.000 2、0.015 8 mg/L,均远低于GB 5085.3—2007中相应限值(分别为15、1、5、5、100、5、5、0.1 mg/L),采气污泥中苯并芘、甲苯、氯苯等有机污染物均未检出,因此采气污泥不属于危险废物范畴.采气污泥中重金属和有机污染物的含量较低,w(Cr)、w(Cd)、w(Pb)、w(Ni)、w(Cu)、w(As)、w(Hg)分别为35.19、0.18、5.50、4.82、3.50、7.06、0.05 mg/kg,也远低于CJ/T 309—2009《城镇污水处理厂污泥处置农用污泥》中规定的相应限值(<500、<3、<300、<100、<500、<30、<3),分别是CJ/T 309—2009中规定相应污染物含量限值的1/14、1/17、1/55、1/21、1/143、1/4、1/60;污泥中PAHs(多环芳烃类)、甲苯、氯苯等有机污染物未检出.

表 3 采气污泥及其各类浸出液中重金属含量 Table 3 Content of heavy metals of gas production sludge and its lixivium
2.1.2 采气污泥重金属污染风险评价

采气污泥中重金属含量和Igeo值如表 4所示.采气污泥成分与季节变化、不同区域采气井有关,为客观反映采气污泥成分,该研究共采集新鲜污泥和堆积污泥43个样品,发现各样品中重金属含量差异较大.如采气污泥中w(Cr)、w(Cu)、w(As)最小值分别为11.594、0.118、1.004 mg/kg,而最大值分别为114.077、12.019、75.202 mg/kg.该研究采用43个污泥样品平均值评估采气污泥重金属环境污染风险,结果发现采气污泥中Cr、Ni、As、Cd、Pb的Igeo值分别为-0.76、-2.54、-0.38、-8.69、-2.20,均小于0,表明污染程度为清洁;但Se、Ba的Igeo值分别为0.02、0.91,具有轻度污染风险.地累积指数风险评价结果也表明,采气污泥中Cr、Ni、As等11种重金属无环境污染风险,仅重金属Se、Ba有轻度污染风险,但通过污泥施用浓度控制可有效降低重金属污染风险.

表 4 采气污泥中重金属含量和地累积指数值 Table 4 Heavy metal concentration in gas production sludge and Igeo
2.2 污泥对沙地土壤理化性质影响

土壤理化性质随污泥浓度变化如见图 1所示.由图 1(A)可知,采气污泥能大幅提高土壤最大持水量,不同处理间存在显著差异(P<0.05),当污泥施用量为20%时,土壤最大持水量为19.05%,与对照组相比,提高了近3倍.由图 1(B)可见,污泥施入还能增强沙地土壤保水能力,但C0和C1处理间差异不显著(P>0.05);与C0相比,其他处理土壤保水能力显著增加(P<0.05),污泥施用量为20%时,能延长土壤持水时间达11 d.由图 1(C)可见,随着污泥施入量增加,土壤容重逐渐降低,C0、C1和C2处理间差异不显著(P>0.05),C4、C5较C0显著降低(P<0.05),当污泥施用量为20%时,土壤容重为1.43 g/m3,较C0降低7.14%;由图 1(D)可见,随着污泥施入量增加,土壤孔隙度逐渐增加,与C0相比,C1、C2、C3和C4间无显著差异(P>0.05),但C5土壤孔隙度显著增加(P<0.05),当污泥施用量为20%时,土壤孔隙度为54%,较C0增加22.73%.

注:小写字母代表处理间差异性,不同字母代表差异显著(P<0.05),相同字母代表差异不显著(P>0.05).下同. 图 1 土壤理化性质随污泥浓度变化 Figure 1 The variation of physical and chemical characters of soil with sludge content
2.3 采气污泥对沙生植物生长的影响 2.3.1 植物种子发芽率的变化

种子发芽率指发芽种子数占实际播种种子数的百分比,也是检测种子质量的重要指标之一.三种植物发芽率计算结果见表 5,污泥施用量为C1时,沙蒿和苜蓿种子发芽率分别为73.23%和63.10%,均高于C0(68.20%、58.32%),分别比C0高7.38%和8.20%;当污泥施用量为C2时,沙蒿和苜蓿种子发芽率分别降至55.46%和45.67%;当污泥施用量为C5时,沙蒿、苜蓿种子发芽率分别为35.70%和35.00%.污泥施用量为C1时,黑麦草发芽率比C0高3.61%;当污泥施用量为C3时,黑麦草发芽率降为56.17%,比C0下降了28.00%.

表 5 各处理组发芽率的变化情况 Table 5 The variation of germination with every treatment group
2.3.2 植物株高变化

沙蒿试验中播种与移栽同步进行,沙蒿株高选取移栽植株.由图 2可知,污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,株高分别为18.33、17.50、17.67、16.67、16.23 cm,均低于C0(23.33 cm),分别下降了21%、25%、24%、29%、30%,与C0差异均不显著(P>0.05);污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,株高分别为6.93、7.17、7.23、5.53、6.00 cm,均低于C0(12.33 cm),分别下降了44%、42%、41%、55%、52%,C1~C5与C0比较均差异显著(P<0.05),C1~C5之间差异不显著(P>0.05);污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,苜蓿株高分别为2.03、2.00、1.50、1.67、1.17cm,均显著低于C0(4.50 cm)(P<0.05),分别下降了55%、56%、67%、63%、74%,C1~C5之间差异不显著(P>0.05).

图 2 植物株高随污泥浓度变化 Figure 2 The variation of plant height with sludge content

由此可见,沙蒿、黑麦草和苜蓿三种植物株高均随污泥施用量增加而降低,但是不同植物受污泥影响差异较大.采气污泥施加没有增加植物株高,可能是污泥中盐分抑制植物生长,且采气污泥中营养物质含量较少.从三种植物株高受采气污泥影响程度来看,沙蒿受影响程度较小,黑麦草和苜蓿株高受抑制明显.

2.3.3 植物根长变化

植物根长随污泥浓度变化见图 3.从图 3可以看出,污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,沙蒿根长分别为16.10、14.33、13.50、14.50、13.20 cm,均低于C0(16.67 cm),分别下降了3%、14%、19%、13%、21%,C0~C5差异不显著(P>0.05);污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,黑麦草根长分别为8.53、6.17、6.33、6.67、6.5 cm,均低于C0(9.33 cm),分别下降了9%、34%、32%、29%、30%,C1与C0差异不显著(P>0.05),C2~C5与C0差异显著(P<0.05),C2~C5之间差异不显著(P>0.05);苜蓿幼苗根部对于污泥响应明显,污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,苜蓿根长分别为9.67、6.67、7.83、6.80、6.00 cm,显著低于C0(18.17 cm)(P<0.05),分别下降了47%、63%、57%、63%和67%,C1~C5之间差异不显著(P>0.05).

图 3 植物根长随污泥浓度变化 Figure 3 The variation of plant root length with sludge content

由此可见,沙蒿、黑麦草和苜蓿三种植物根长均随污泥施用量增加而降低,但是不同植物受污泥影响差异较大.从三种植物根长受采气污泥影响程度来看,沙蒿受影响程度较小;黑麦草受高浓度污泥(>2.5%)影响较小;苜蓿受污泥影响较大.

2.3.4 植物生物量变化

图 4可见,不添加采气污泥处理,沙蒿生物量(1.96 g)达到最大,污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,沙蒿生物量分别为1.96、1.54、1.41、1.21、1.19、1.17 g,均显著低于C0(P<0.05),分别下降了21%、28%、38%、40%、41%;C1~C3之间差异显著(P<0.05),C3和C4差异不显著(P>0.05),C4和C5差异不显著(P>0.05).不添加污泥的处理下,黑麦草生物量达最大值(0.78 g),污泥施用量为C1、C2、C3、C4、C5时,黑麦草生物量分别为0.65、0.58、0.26、0.20、0.27 g,均显著低于C0(P<0.05),分别下降了17%、27%、66%、74%、66%;C1和C2差异显著(P<0.05),C3~C5之间差异不显著(P>0.05).不添加污泥的处理,苜蓿生物量达最大值(1.06 g),污泥施用量为C1、C2、C3、C4和C5时,苜蓿生物量分别为0.58、0.27、0.21、0.24、0.17 g,分别下降了46%、74%、80%、77%、84%;C1与C2~C5差异显著(P<0.05),C2~C4之间差异不显著(P>0.05);污泥施用量为C5时,与C0~C4差异均显著(P<0.05).

图 4 植物生物量随污泥浓度变化 Figure 4 The variation of plant fresh weight with sludge content

由此可见,沙蒿、黑麦草和苜蓿三种植物生物量均随污泥施用量增加而逐渐降低,但是不同植物受污泥影响差异较大.与对照组比较,随着采气污泥施用量增加,三种植物生物量均受到显著影响.

3 讨论

污泥堆肥处理[14-15]和农田利用[16-17]已成为当前优先推荐的处置方式,且对其应用的风险评价也有大量报道[29].该研究通过室内分析技术,明确了采气污泥物质特性,采气污泥中重金属、苯并芘等有机污染物含量较低,远低于城市污泥中的含量,用于土壤改良环境风险更小,但盐分含量相对较高(见表 1).运用地累积指数评价模型对采气污泥中13种重金属含量进行环境风险评估,发现常见重金属(Cr、As、Cd、Pb)的Igeo均为负值,污染风险等级处于清洁,Se、Ba的Igeo分别为0.02、0.91,为轻度污染风险.近年来,城市污泥用于沙地植被修复、农业还田的研究发现,城市污泥中重金属和有机污染物含量高[29-30]、污染风险大[31-32]是限制其广泛应用的主要因素,而采气污泥中重金属和有机污染物含量低,相对于城市污泥应用风险小.但是,采气污泥中盐分含量高,沙区本身存在盐碱化风险,需严格控制,后续应加强采气污泥去盐分技术研究,结合筛选耐性植物、降低施用量和减少施用次数等技术措施将风险控制在安全范围内,这些技术措施的应用同时也可降低采气污泥中盐分对土壤、植物的影响.

通过采气污泥与土壤配比试验发现,采气污泥中有机质和营养元素(氮、磷、钾)含量较低,与城市污泥比较可利用营养元素较少[33],但也能起到提高土壤中养分含量的效果.该研究还发现,采气污泥能够明显提高土壤最大持水量、土壤孔隙度,降低土壤容重、延缓土壤失水时间,与城市污泥特性相似[34-36].荒漠区土壤养分贫瘠,土壤容重相对较高,孔隙度和土壤持水性低,植物无法获得足够的水分、养分,植物立地条件恶化,导致植被覆盖度降低,采气污泥施入有利于提高沙化土壤保水特性、促进土壤微生物活动、改良植物生长立地环境,从而将可能有利于荒漠区退化土壤的生态恢复.

采气污泥施用量对植物种子发芽率影响较大.当污泥施用量为2.5%时,对沙蒿、黑麦草和苜蓿种子发芽均有促进作用;而污泥施用量为5%时,沙蒿、苜蓿种子发芽受到抑制,黑麦草无显著影响;当污泥施用量≥10%时,三种植物种子发芽率均受到明显抑制.采气污泥具有持水性好、失水速度慢的特性,少量污泥施用会改善植物种子萌发环境,这可能是引起种子发芽率提高的原因;而污泥施用量超过10%时,土壤中的有害物质(如盐分)会显著增加,从而将会抑制植物种子萌发.低浓度污泥(2.5%)对三种植物种子萌发均有促进作用,高浓度污泥对植物种子萌发起抑制作用,这与杨涛等[37]研究城市污泥对植物影响类似,低浓度城市污泥(10%)促进黑麦草和高羊茅种子萌发,高浓度则抑制.荒漠化区域环境恶劣,导致种子发芽率低,种子萌发是植被修复的关键,低浓度采气污泥施用能提高植物种子萌发,将为荒漠化区域植物恢复起到促进作用.

该研究还表明,不同浓度采气污泥施用对沙蒿株高、根长无显著影响(见图 23),但对沙蒿生物量影响达到显著水平,综合采气污泥对沙蒿株高、根长和生物量的影响程度,推荐采气污泥的适宜施用量为5%以内;对于黑麦草而言,污泥的施用对株高、根长和生物量会对其产生一定影响,但采气污泥用量为2.5%时对黑麦草根长无显著影响,而对苜蓿根长存在一定影响,因此,低于2.5%的采气污泥施用量对于苜蓿和黑麦草的生长较为适宜.三种植物的株高、根长、生物量均随采气污泥浓度升高而降低,未表现出与城市污泥处理类似的趋势[38-39],即低浓度促进生长,高浓度抑制生长特性,这可能跟采气污泥中盐分含量高有关[40].

采气污泥的施入对荒漠区植物生长影响显著,笔者研究表明,采气污泥施入沙土后植物可以存活,说明其用于沙地植被恢复是可行的,这对于采气污泥处理处置新途径研究具有重大意义.采气污泥就地资源化利用可以大幅节约成本,尽管其用量较低,后续可以通过去除污染物、调节施用量、筛选耐性植物等技术措施提高其施用量.

4 结论

a)大牛地气田采气污泥中重金属、苯系物等有害物质含量远低于GB 5085.3—2007相应标准限值,不属于危险废物,但盐分含量相对较高;重金属风险评价结果显示,重金属Ba、Se存在轻微污染风险,但可通过污泥施用量和施用次数的调节予以有效控制.

b)采气污泥与沙土配比试验发现,采气污泥可以提高沙土孔隙度、降低沙土容重;且采气污泥保水性好,能提高沙土最大持水量、增强土壤保水能力.

c)低浓度污泥的应用有利于植物种子萌发,但不同植物的采气污泥适宜施用量存在差异,如沙蒿的采气污泥适宜施用量为5%以内,黑麦草和苜蓿的则控制在2.5%以内为宜.

d)采气污泥用于荒漠区植被恢复是可行的,但应严格控制采气污泥施用量,并选取适宜的修复植物.

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