我國北方地區土壤退化和沙化嚴重，如何改良沙地土壤，恢復沙地植被，是當前區域生態保護工作的重點，也是推進區域生態文明建設進程的重要內容之一。針對北方沙地土壤流動性大、有機質濃度低、保水性能差等現狀，在綜述前人研究成果基礎上，得出：城市污泥具有物源充足、有機質濃度高、礦物質養分(N、P、K)等營養物質富集、黏性物質濃度大、有利于促進沙地植物生長等優良特性，可以通過廢物循環利用，實施沙地土壤改良，用于沙地植被修復與重建。


但是，由于城市污泥主要來源于工業或生活污水處理廠，其中含有一定量的重金屬、有機污染物和病源微生物等有害物質，直接應用可能對沙地生態環境帶來潛在的環境風險。因此，必須采取污染物源頭控制、生物堆肥發酵、固化/穩定化預處理等措施，制訂相應的應用技術規范以及嚴格施用范圍和施用量，并實施長期的跟蹤監測與風險評價，才能確保城市污泥在沙地生態修復中的有效性。

關鍵詞北方沙地;城市污泥;生態修復;風險防控

20世紀60年代以來，受人類活動和氣候變化的影響，我國北方地區草原和綠洲出現大面積的退化和沙化，并引起沙暴頻發等一系列生態環境問題，對我國北方生態安全和社會經濟可持續發展構成嚴重威脅。沙漠化是我國北方草原區存在的突出環境問題之一，為有效遏制風沙危害和保護沙地生態環境，通過以植被重建為主要措施的生態恢復與重建工程，可有效緩解區域沙漠化，促進沙地生態恢復。

在沙地生態修復過程中，改良沙地土壤發揮著至關重要的作用。影響修復效果的關鍵因素之一是增加土壤肥力和土壤持水力，而城市污泥作為污水生物處理過程中產生的副產物，是由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成的集合體，含有豐富的N、P、K、有機質和植物生長所需要的其他微量元素，無害化處理的污泥能改善土壤理化性質，提高土壤持水力和肥力，增加土壤微生物多樣性等，是很好的土壤改良劑。

但城市污泥中含有重金屬、有機污染物及病原菌等有害物質，直接用于退化沙地生態修復可能具有一定的生態環境風險。筆者將對城市污泥用于沙地生態修復的必要性和可行性進行探討，分析當前城市污泥用于沙地生態修復過程中存在的問題，并提出相應解決對策，以期能降低城市污泥生態修復的環境風險，并有效提升城市污泥的資源化利用率。

1沙地生態修復技術現狀及限制因素

1.1修復技術現狀

土地荒漠化和沙化問題仍是目前我國最為嚴重的生態問題，是實施區域生態恢復的重點和難點。第五次全國荒漠化和沙化監測結果表明，中國荒漠化土地面積為261.2×104km2，約占我國土地面積的27.2%，全國因風蝕沙化每年損失土壤有機質、氮素和磷素高達5590萬t。

北方沙地又是我國沙漠化最為嚴重的地區，沙地生態環境破壞嚴重，其土壤改良和植被恢復十分迫切。為防止沙地面積進一步擴大，當前采取的修復技術包括植物修復技術、微生物修復技術、設置沙柳沙障、功能高分子材料組裝技術、節水灌溉技術等。

經過多年生態修復實踐研究發現，這些技術針對不同沙地區域特征解決了一系列問題，對幾種常見的沙地修復技術的內涵、適宜利用區域及在我國某些地區影響效果進行了分析對比，結果見表1。

表1沙地修復技術及其應用

1.2關鍵限制因素及存在問題

我國沙地區域面積大，不同區域特征差異明顯，限制沙地修復的主要因素包括：土壤結構破壞，保水保肥能力差;土壤極度貧瘠，養分(N、P、K)和有機質濃度低，碳氮比不平衡;干旱少雨或雨水太集中，影響植被的生長;風沙大，已經恢復的植被容易被流沙掩埋。除了自然條件限制因素外，目前修復技術也存在一些問題：

1)植物修復技術依靠種植植物來改善土壤條件，但是植物成活率低，后期養護成本高;

2)沙障、化學高分子材料、節水灌溉等技術能很好地解決沙地區域風沙大、保水保肥差、水資源缺乏等問題，但前期一次性費用高、使用年限短;

3)微生物修復技術通過微生物分解有機質增加土壤養分含量，促進土壤團粒結構形成，存在微生物篩選時間長、接種后難適應性等問題，導致沙地生態修復的可持續性受到質疑，修復后的沙地又面臨沙化的危險。

與其他技術相比，城市污泥具有黏性、保水性好及養分含量高的特性，根據不同沙地區域特征，將城市污泥與植物修復、沙障、節水灌溉等技術相結合，將其作為沙地土壤改良先行技術，從改善沙地土壤開始，優化植物生長環境，促進植物生長，使沙地生態修復具有可持續性。

2城市污泥產生現狀及其物質特性

2.1產生現狀

據《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》統計，我國“十一五”期間的污水處理率已達77.5%，污水排放量為1.25×108m3/d。位于我國北方沙地周邊五省/區(內蒙古自治區、甘肅省、寧夏回族自治區、陜西省、山西省)2014年城鎮生活污水排放量高達4.12×109m3/a，按污泥產量占處理水量的0.3%～0.5%(以含水率97%計)計算，污泥產量為1.24×107～2.06×107m3/a。

根據國家發展和改革委員會、住房和城鄉建設部、環境保護部聯合編制的《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》，到2015年，污水處理率進一步提高，城市污水處理率達到85%(直轄市、省會城市和計劃單列市城區實現污水全部收集和處理，地級市達85%，縣級市達70%)，縣城污水處理率平均達70%，建制鎮污水處理率平均達30%。

因此，北方五省/區城市污泥的產生量將進一步增加，處理處置與資源化利用更加迫切。城市污泥除了含有大量的養分資源外，還有一些有害污染物，如何對其有效處理并實現安全利用是環境科學領域的研究熱點。

2.2物質特性

城市污泥中養分含量豐富，但不同地區存在差異。李艷霞等通過分析全國96家污水處理廠污泥發現，城市污泥中含有豐富的N、P、K和有機質(表2)，養分含量跟畜禽糞便等農家肥相當，純豬糞中N、P、K和有機質濃度分別為20.7、9.0、11.2和714g/kg，而城市污泥中有機質濃度最高可達696g/kg，平均濃度為384g/kg，是純豬糞有機質平均濃度的54%，城市污泥與豬糞和豬廄肥相比，可制成有機肥并加以利用。

然而，城市污泥中含有的重金屬種類多，主要有Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni等。郭廣慧等統計了2006—2013年國內外文獻報道的中國城市污泥重金屬濃度，并分析了其區域分布特征和變化趨勢，結果表明，城市污泥中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni濃度分別為182.5、65.3、729.6、2.1、1.4、11.5、97.5和44.9mg/kg，與GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》相比均有不同程度的超標。

此外，城市污泥中有機污染物種類復雜，常見的微量有機污染物主要有多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)、多氯代二苯并二惡英/呋喃(PCDD/Fs)、可吸附有機鹵化物(AOX)、直鏈烷基苯磺酸鹽(LAS)、壬基酚(NP)、鄰苯二甲酸酯類(DEHP)、氯苯(CBs)、氯酚(CPs)等。

污泥中的有機污染物因地區及工業類型不同而異，即使同一污水處理廠在不同時期產生的污泥，其中有機污染物的種類和濃度也不盡相同。城市污泥中還含有烷基酚、有機氯農藥、硝基苯類、氨類、鹵代烴類、醚類等化合物。

另外，受到處理技術等因素限制，填埋、焚燒等處理方式存在造成二次污染和處理代價高等問題，每年污泥處理的費用占整個污水處理廠費用的50%左右，限制了污水處理廠作為污水凈化設施的作用。因此，通過有效技術手段，因地制宜地將沙地周邊城市污泥資源化用于沙地土壤改良和植被恢復是較好的處理方式，具有廣闊應用前景。

表2城市污泥中的養分及有機質濃度


3城市污泥用于沙地生態修復的優勢

3.1改良退化沙地土壤的理化性質

土壤沙化導致土壤環境劣化，土壤剖面形態毀損，肥力減退，從而使土壤熟化過程受阻，各肥力要素間調節功能減弱，對環境的適應能力降低，最終造成生產力下降或自然肥力消失。城市污泥含有豐富的有機質和礦物質養分(N、P、K)的特性，其施用能快速有效地提高沙地土壤的有機質濃度，改變土壤結構，增強土壤水分維持能力，從而達到防止沙化的目的。

華正偉等將厭氧消化后的脫水污泥(含水率為85%)靜置7d后，直接與沙土按一定比例混合，結果發現，隨著污泥施用量的增加，沙地中養分和有機質濃度不斷提高，其理化性質也會發生明顯變化，通常二者表現為正相關。

土壤孔隙度、團粒結構、持水保水能力、團聚體穩定性等隨著污泥施用量的增加而增加，土壤容重則會隨之降低。另外，城市污泥具有較強的黏性、持水性和保水性，因此，在施入城市污泥早期有利于提高沙地土壤結構穩定性和持水保水能力。沙地土壤結構和性質的改善及保水保肥能力的增強，為植物營造適宜于生長發育的土壤環境，防止進一步沙化的可能。

3.2提高土壤養分濃度并促進植物生長

植被恢復與重建是綜合防治沙漠化最主要和最基本的措施。對沙地生態系統來說，其特點是植被覆蓋度極低，風蝕嚴重、土壤極度貧瘠且基質極不穩定，植被自我恢復能力十分微弱，必須輔以人工手段才能在短時期內使沙地植被得以恢復。

城市污泥中含有N、P、K及大量的有機質，可提高沙化土壤中的營養成分，增強土壤肥力，改善植物生長，將其應用于退化沙地土壤的改良越來越受關注。楊濤等[36]利用抽濾脫水風干后的污泥，與土壤按照5%、10%、15%和20%比例混合后種植黑麥草、高羊茅，研究發現，污泥比例為5%和10%時，黑麥草和高羊茅的生物量、葉綠素含量均較高，表現出污泥促進黑麥草、高羊茅生長效應。

王淑影等利用二沉池的污泥經絮凝自然風干后與土壤混合進行花卉種植試驗，結果表明，當污泥施用比為3%～5%時，可促進波斯菊的生長，其株高、花數、葉綠素含量均大于對照組。城市污泥對于改善沙土中養分元素濃度方面表現顯著，且隨著施泥量的增加，有機質、速效氮、速效磷濃度明顯增加。

Su等研究表明，在污泥處理的土壤中總磷和速效磷濃度在0～25cm土層中顯著增加，同時磷絕大部分保留在土壤表層(0～25cm)或者被植物利用。李霞利用城市污泥改良科爾沁沙地土壤，將城市污泥按照0、30、60和90t/hm2與沙土直接混合后填充到土柱中，研究發現，隨著城市污泥的施加能明顯改善沙地土壤中氮、磷濃度;不同深度土壤硝態氮的濃度均隨污泥施用量的增加而明顯增加，污泥施用量為60和90t/hm2時，土壤中氮濃度的最低值分別是對照組的6和8.3倍。

華正偉的研究表明，城市污泥的施入能促進楊樹幼苗的生長，隨污泥量的增加效果更加明顯，當污泥與沙土的比例為1∶1時，與對照組相比楊樹幼苗的株高、胸徑、葉面積分別提高3.95倍、1.68mm和1.55倍。由此可見，城市污泥的施入顯著提高沙土中總氮、總磷濃度，養分的提高有利于恢復沙地植被和促進植物生長。

3.3提高沙地土壤微生物活性

污泥的施入使沙地土壤環境得到改善，為微生物活動提供了場所。土壤微生物的分解、腐化等活動能促進土壤中物質的循環，提高土壤的肥力。城市污泥的施入，一方面輸入了大量的N、P、K、有機質和微量元素等，有利于促進沙土中原有微生物的生長和繁殖;另一方面城市污泥本身就含有豐富的微生物，從而大大提高了土壤中微生物的數量和種類。

張鑫等采用PCR-DGGE(polymerase chainreaction & denaturing gradient gel electrophoresis)方法分析污泥對土壤中微生物的影響，結果表明，施肥1周后土壤中細菌和真菌的群落結構均發生了較大變化。污泥對土壤微生物不同種群及其群落功能多樣性均有所影響，在旱地上施用污泥復混肥(旱地施用的污泥比例占20%)，并與等量化肥相比，對反應較為敏感的硝化細菌和好氧性纖維素分解細菌具有明顯的促進作用，對好氧細菌、真菌、放線菌和氨化細菌有激活其活性的趨勢，同時其激活作用隨污泥復混肥中污泥濃度的提高而增強。

Sciubba等利用厭氧污泥、好氧污泥分別與米糠按照氮濃度為50、150和300mg/kg組成混合基質，施用到砂質土壤中進行試驗，結果表明，所有施用污泥的土壤中微生物種類保持穩定，但是土壤中生物量碳、β-葡糖苷酶、脫氫酶、蛋白酶和堿性磷酸單酯酶活性均較對照組有較大提升。

因此，城市污泥的施用，可以提高沙地土壤微生物多樣性及土壤酶活性，微生物在土壤中的活動反過來增加沙地土壤的養分含量，促進土壤改良和植被恢復，最終達到生態修復的目的。

4城市污泥用于沙地生態修復的潛在環境風險及防控對策

4.1潛在環境風險

4.1.1重金屬污染

城市污泥中的重金屬是限制其在沙地生態修復利用的主要因素之一。污泥中的重金屬主要有Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cr、Hg、Cd和Mo等。不同地區的城市污泥所含重金屬的種類和數量有所差異，主要是不同城市的工業類型不同，排放的污水有所差異，致使污泥中重金屬的種類和濃度也有所不同。

一般來說，以處理生活污水為主的污水處理廠所產生的污泥重金屬濃度較低。如廣西省城市污泥的總養分為87.11g/kg，有機質占34.63%，具有較高的農用價值，然而Zn和Cd平均濃度分別為1095.75和16.22mg/kg，超過GB4284—1984標準限值;廣州市不同類型城市污泥中Cu、Zn、Mn和Ni濃度較高，變化幅度較大，而Pb和Cr濃度較低。污泥中重金屬會抑制植物的生長發育，并在植物體內累積，有關污泥的施用導致沙地植物體內重金屬的累積鮮有報道。

但污泥的農用會導致農田土壤中重金屬累積，致使小麥、大豆、蔬菜等作物可食用部位重金屬濃度超標;抑制作物的生長，降低其品質;加重土壤的鹽漬化，抑制苗木種子的發芽率及苗木生長等相關的研究很多。因此，需進一步研究污泥施用于沙地時，重金屬在植物體內的累積情況。另外，由于污泥施用量過大或長時間施用，重金屬具有易遷移的特性，可能會對地下水造成不同程度的污染風險。

4.1.2N、P累積性污染

城市污泥中豐富的N、P對沙地土壤是很好的補充，但如果施用過量或者長期施用會導致養分過剩，多余的N、P通過地表徑流和地下滲漏使地表水和地下水受到污染。Suramplli等的研究表明，長期(85a)施用污泥的土壤及地下水中未見重金屬的累積，但在地下水中卻檢測出硝態氮的存在。

Kumar等的研究發現，當城市污泥中氮濃度達到土地利用標準時，磷濃度會超出相應的標準，存在向水體遷移的風險。Shober等通過簡單脫水干化后直接將城市污泥施用到土壤中，經過多年連續研究發現，除了導致Zn、Cu濃度增加外，有效態N、P濃度也大幅增加，可能會導致水體富營養化及地下水污染。但堆肥熟化后的污泥中，可溶性N、P的量有所減少，可降低該風險。

李霞在研究城市污泥用于科爾沁沙地土壤改良過程中發現，隨著污泥施用量的增加，深層土壤中硝態氮濃度遠遠高于表層，存在硝態氮向地下水遷移的風險。通過國內外研究發現，過量或長期施用城市污泥存在N、P污染風險，因此有必要加強N、P施用閾值的研究。

4.1.3有機污染物致癌

近年來，城市污泥中有機污染物日益受到人們的關注。國內外報道較多的是多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)，其為廣泛分布于環境中的一類持久性有機污染物，部分多環芳烴具有強致癌性與致突變性，且易被生物富集，是目前城市污泥土地利用關注的重點。

由于PAHs具有疏水性和親脂性，污水處理過程中PAHs易吸附到污泥顆粒中，如果不加以處理或施用不當，會導致PAHs在土壤中富集并污染周邊土地、地下水，對植物產生持續的毒害作用，從而破壞其生態系統，通過食物鏈及飲用水對人體產生致癌風險。含PAHs的污泥用于沙地生態修復時應謹慎施用。

4.2對策建議

針對城市污泥施用到沙地過程中，其中含有的復雜污染物類型，對沙地生態環境構成潛在的污染風險提出以下對策：

(1)城市污泥中的重金屬、有機污染物大多來自工業廢水處理，對工業企業排放的廢水中重金屬、有機污染物濃度嚴格控制，達標排放，從源頭上控制污染物在污泥中的累積。同時，將生活污水和工業廢水分流，集中到不同污水處理廠處理，工業污泥和生活污泥分開處理利用，將大大減少城市污泥處理成本。

另外，考慮對工業廢水采取一些前處理的措施，將重金屬從廢水中分離出來。并對企業排放的廢水、煙氣中有機污染物進行處理達標后排放，結合生物法在污水處理過程中分離純化并接種特異性微生物來降解PAHs等有機污染物。

(2)城市污泥中含有重金屬、有機污染物、病原菌、蟲卵等有害物質，且含水量高、性質不穩定，直接施用在沙地上不僅易引起環境的二次污染，還存在作物燒苗和病害等問題，應進行適當的預處理。

采用高溫好氧堆肥并在堆肥中添加復合微生物菌劑來鈍化重金屬、殺滅病原菌、降解PAHs、降低可溶性N、P的濃度、提高有機質的腐殖化程度，從而提高其土地利用的可行性和安全性。研究表明，在改良土壤中施用污泥堆肥，可促進土壤團粒結構形成，改善土壤通氣狀況，提高土壤對重金屬、有機污染物等有害物質的緩沖能力，降低有機污染物的生物有效性等。

(3)采用固化/穩定化技術可有效減少污泥中重金屬的浸出[68]，近年來被廣泛應用到重金屬污染土壤修復和農用污泥重金屬固化等方面。有關土壤中重金屬的固化/穩定化藥劑有多種，硅酸鈣、碳酸鈣和熟石灰等石灰性物質應用較多。金屬氫氧化物的溶解度都較低，如果使用石灰作為堿制劑，則可通過與鈣的共沉淀現象促進沉淀產生，從而實現污泥中重金屬的固定去除。

施用石灰除可固定重金屬外，還能使污泥富集鈣，鈣可促進受施土壤的膠體凝聚，增加土壤團聚性，改善土壤結構。但在施用時應注意使污泥pH保持在堿性范圍。目前，研究重點大多是城市污泥在農田中的利用，參考污泥農用的研究成果及存在的問題，結合沙區區域特征提出以下建議：

(1)針對沙地區域特征開展技術應用研究。我國北方沙地廣闊，沙化區域環境差別較大，因此應針對不同區域沙化特點采取不同措施。對風沙大、沙丘易流動的區域，主要的防治措施應是設置沙障、覆蓋致密物等，將沙土固定，在后續植被修復時利用城市污泥黏性大、保水性好的特點，利于種子附著、萌

發;而對于養分極度貧瘠、水土流失嚴重的區域，城市污泥施用應作為主要治理措施，輔以微生物修復、水資源有效利用等其他技術，因地制宜采取不同技術手段將會達到更好修復效果。另外，分析沙地可以達到的修復狀況及修復后用途，針對修復后可作為農田、牧場等沙化區域，應采取堆肥、固化等措施降低污染物濃度，減少施用年限、施用量，防止污染物進入食物鏈。

(2)制訂污泥沙地利用相關標準。2009年，住房和城鄉建設部發布了CJ/T209—2009《城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質》，對城鎮污水處理廠污泥農用的養分、重金屬濃度、有機污染物及微生物指標等給出了具體閾值，但施用量、施用年限和施用方式沒有給出具體準則。

有關城市污泥用于沙地生態修復的相關標準及參考標準還沒有具體的規定。因此，需進一步研究城市污泥中污染物在沙地植被、土壤和地下水系統中遷移轉化規律及其機制，加緊制訂有關重金屬、有機污染物、病原體及N、P等閾值，制訂針對不同土壤類型污泥施用量、施用年限和施用方式等方面的控制標準。

(3)加強長期綜合性風險評估。盡管城市污泥中含有一些有害污染物，但污泥中含有大量的營養物質，對于被破壞的沙地是很好的補充，污泥回歸于土地，相對于焚燒、填埋、投海等是較合理的處理方式。但是，必須明確污泥施用過程中存在的生態環境風險，從植物、土壤和地下水三方面對沙地進行綜合性風險評估。可能短時間內污泥施入對沙地生態環境沒有負面影響，仍需長期定位監測，對污泥施入后的5a甚至10a內連續評估其對沙地生態環境的影響。

5結語

生態修復最終目的是增加沙地區域植物蓋度。城市污泥施入沙地中可改善土壤環境，為植物營造良好的立地環境，促進植物生長，在理論上是可行的;國家針對城市污泥安全處置有專項資金補貼，以此為基礎修復退化沙地，可有效降低修復成本，并產生一定經濟效益，在經濟上是可行的;盡管城市污泥中含有一些污染物，但隨著經濟技術的發展，污水處理技術的提高，污泥中重金屬、有機污染物等濃度將逐漸降低，結合堆肥、固化/穩定化等技術及相關政策、標準管控使污泥達到利用標準，在技術上是可行的。

然而，城市污泥中成分復雜，資源化用于沙地生態修復可能存在一定環境風險，未來有必要加強重金屬、有機污染物在沙地土壤和植物中遷移轉化機理、氮和磷在土壤中遷移轉化及施加閾值等方面的研究;充分考慮沙地區域風沙大、干旱少雨、沙土疏松易滲漏等自然氣候特點，以及當地區域經濟發展水平，結合城市污泥堆肥配施、植物修復、高分子保水材料等其他修復技術，加強技術整裝集成;構建城市污泥用于沙地生態修復的生態環境風險評價模型，通過對污染物在沙地中遷移轉化機理研究，從水環境、大氣環境、土壤環境三方面評估污泥應用過程中可能存在的環境風險。加強以上三方面的研究，安全有效地將城市污泥應用到沙地中將是解決當前我國北方沙地區域城市污泥難處理處置的新途徑。

來源：環境工程技術學報;作者：王磊，香寶，蘇本營，方廣玲，胡鈺，潘麗波，王癑