从废物到增长：评估渗滤液污泥在可持续植物栽培中的应用潜力

《Environmental Challenges》：From Waste to Growth: Evaluating Leachate Sludge for Sustainable Plant Cultivation

在印尼班杜ng垃圾填埋场渗滤液处理中使用厌氧污泥作为种植介质的研究表明，25%污泥处理组植物存活时间最长（41天），但重金属锌积累量最高。控制组（NL）植物生长最佳，开花结果正常。污泥重金属含量虽符合TCLP标准，但Cd、Zn等仍存在风险。研究证实低浓度污泥（25%）可部分替代土壤，但需注意重金属生物富集问题。

　　在印尼，由于垃圾填埋场产生的渗滤液通常具有较高的有机物浓度，因此通常采用厌氧处理工艺来处理这些渗滤液。然而，厌氧池中污泥的堆积可能会降低处理能力，而且目前尚无明确的污泥利用指南。本研究旨在分析印尼巴达维亚市垃圾填埋场渗滤液处理厂所产生的厌氧污泥作为种植介质用于红豆（Phaseolus vulgaris L.）种植的可行性。通过将不同剂量的风干污泥（即25%、50%、75%和100%）添加到用于幼苗生长的土壤混合物中，并对植物的生长状况和叶片数量、面积进行分析，研究结果表明，随着污泥剂量的增加，植物的生长受到抑制。在25%污泥剂量的处理下，植物可以持续生长至第41天，而较高剂量的处理则导致植物在第10天死亡。25%污泥剂量的植物在根部表现出最高的重金属积累，其中锌的含量最为丰富。因此，建议在适当剂量下使用厌氧污泥作为种植介质，以支持垃圾填埋场的植被恢复工作。

在印尼，垃圾填埋是固体废弃物处理的主要方式之一。然而，填埋活动在管理方面面临诸多挑战，尤其是渗滤液的处理。渗滤液是由于雨水渗透通过废弃物材料、废弃物细胞内的生化反应以及废弃物的内部含水量而产生的液体。如果未经过处理，渗滤液可能对环境造成严重威胁。渗滤液的量和特性受多种因素影响，包括废弃物的组成、颗粒大小、压实程度、水文条件、填埋场的年龄、湿度、温度和氧气供应等。为了防止环境污染，渗滤液必须在处理厂中进行处理后再排放到水体中。

本研究的独特之处在于探讨了来自垃圾填埋场渗滤液处理的厌氧污泥作为红豆种植介质的潜力。虽然之前的研究已经探讨了不同类型的污泥在农业中的应用，但针对垃圾填埋场渗滤液处理产生的厌氧污泥及其对植物生长，尤其是重金属积累的影响，仍较为有限。本研究填补了这一知识空白，提供了关于这种污泥作为土壤改良剂的可行性和安全性的实证数据。

本研究的意义在于，它为管理渗滤液处理厂产生的污泥提供了一种可持续的解决方案。通过将厌氧污泥重新利用为种植介质，该研究有助于减少废物，并促进资源回收。此外，该研究的结果还可以为农业中安全有效地使用厌氧污泥提供指导，从而推动土壤修复和可持续农业实践的发展。

厌氧消化技术在有机废弃物管理方面展现出巨大潜力。该过程涉及在无氧条件下微生物分解有机物质，从而产生沼气，主要由甲烷组成。厌氧消化不仅能够产生可再生生物能源，还对废物稳定化有积极作用。厌氧池是一种专门用于处理高浓度有机废弃物的废水处理系统，它通过厌氧消化过程分解有机物，生成沼气和富含养分的污泥，后者可以作为土壤改良剂再利用。本研究中使用的厌氧池是位于Sarimukti垃圾填埋场的渗滤液处理系统，其在稳定有机废弃物和减少垃圾填埋渗滤液对环境的影响方面发挥着重要作用。

在将废水处理厂的污泥用于农业时，需要特别关注其重金属含量。高浓度的重金属可能抑制植物生长，并对食品安全构成风险。在渗滤液污泥中，重金属如砷、铬、铜、镍、铅和锌的存在可能对植物的生长和发育产生显著影响，不仅直接通过毒性作用影响植物，还可能间接改变土壤特性。直接毒性作用可能表现为种子发芽率降低、根和茎的生长受阻、叶片黄化、组织死亡以及整体植物生物量和产量减少。

红豆（Phaseolus vulgaris L.）被选为观察对象，是因为其收获周期相对较短，大约为73天。红豆以其丰富的营养价值而闻名，并且在植物毒性研究中被广泛使用，以评估重金属对植物生长的影响。随着不合理的土地利用导致土壤退化，土壤修复变得尤为重要，以恢复其肥力。尽管厌氧污泥作为渗滤液处理的副产品具有成为植物生长养分来源的潜力，但目前仍被低估。本研究旨在评估厌氧污泥作为替代有机养分来源在植物种植中的应用效果。所使用的污泥来自印度尼西亚西爪哇省巴达维亚市的Sarimukti垃圾填埋场。红豆被选为模型植物，以研究其在不同比例的厌氧污泥介质中的生长反应。

为了确保实验结果的可靠性，每种处理方法均进行了三次重复。为了维持土壤中的适当湿度，植物每天都会被浇灌相同体积的水。浇水频率会根据土壤湿度情况进行调整，以避免过度或不足的灌溉。在植物生长过程中，植物高度、叶片数量以及叶片长度和宽度等生长变量每天都会被记录。观察期持续了41天。叶片面积则根据叶片长度和宽度，使用特定于红豆的公式进行计算。

在本研究中，分析了不同比例的厌氧污泥对红豆植物生理特性的影响。结果表明，随着污泥比例的增加，植物的生长受到抑制，且存活时间显著缩短。100%污泥处理的植物在种植后第六天便死亡，而75%处理的植物在第七天死亡。相比之下，50%处理的植物在第1、2和4天显示出一定的生长趋势，但在之后没有进一步增长。此外，50%处理的植物在第7、8和9天开始出现萎蔫现象，最终在第11天死亡。而25%处理的植物则表现出较为稳定的生长趋势，其中L25%-1在第3和第9天显示出显著的生长。然而，由于茎部受损，L25%-2在第25天死亡，而L25%-3则存活至第41天。开花现象在第24天开始出现，之后植物的生长速度减缓，最终达到最大高度约30厘米。这些结果表明，较高比例的厌氧污泥对植物生长有明显的抑制作用，降低了植物的寿命。

在叶片数量方面，25%处理的植物表现出一定的增长，而100%和75%处理的植物则没有增加。在25%处理中，L25%-3的叶片数量最高，达到12片。相比之下，NL处理（即不添加污泥的土壤）植物整体叶片数量最高，达到17片。这些结果表明，较高浓度的厌氧污泥会导致叶片快速枯萎，且在75%及以上处理中没有观察到新的叶片生长。这一现象与之前的研究结果有所不同，例如Abrile等（2021）发现38%的渗滤液处理对植物的叶片数量有积极影响。

在叶片面积方面，100%和75%处理的植物叶片面积没有显著增长，反而随着植物的枯萎而减少。L75%-2植物在第3天叶片面积有所增加，但随后随着植物的进一步退化而减少，最终在第5天死亡。50%处理的植物在第5和第8天叶片面积有所增长，但在第9天出现了显著的减少，而L50%-2和L50%-3的叶片面积则在第6天开始缩小。所有50%处理的植物最终在第10天死亡。相比之下，25%处理的植物叶片面积增长较为一致，其中L25%-3的叶片面积最大。然而，由于茎部受损，L25%-2的叶片面积在第17天迅速下降，并在第25天死亡，而L25%-1则存活至第41天。开花现象在L25%-3植物于第24天出现，而L25%-1植物则在第26天开始开花。然而，L25%-1植物在第27天失去了花朵，叶片枯萎，最终在第41天死亡。NL处理的植物则在整个观察期内存活，并在实验结束时结出红豆。

重金属在植物生长介质中的积累对植物发育具有双重影响，既可能有益也可能有害。某些重金属，如锌、铜和镍，是植物所需的微量营养元素，而过量的重金属则可能抑制植物生长，并在植物组织中积累。研究结果表明，在NL介质中，砷、铜和铬的根部浓度超过了临界阈值，而镉和钴的浓度则在所有植物部位都极低。铅的浓度在根部也超过了正常范围，而锌的浓度在所有植物部位均超过了临界阈值。总体来看，NL植物中重金属的浓度排名为：锌 > 铜 > 铬 > 镍 > 铅 > 砷 > 硒 > 汞 > 钴 > 镉。这与Singh（2012）的研究结果相似，但与Meers等（2007）的发现有所不同。

在L25%处理中，重金属的积累模式与NL处理相似，但各部位的浓度略有不同。砷、硒、汞、锌、镍、铅、铜、钴和镉在植物中的吸收顺序与NL处理相比有所变化。研究还指出，影响植物吸收重金属的因素包括生长介质中重金属的浓度、温度、光照、土壤的阳离子交换能力、其他重金属的竞争作用、营养物质的可利用性以及pH值等。NL处理中较高的镍和镉吸收可能与L25%处理中形成不溶性重金属复合物有关。

此外，金属离子之间的竞争作用也对植物吸收重金属具有重要影响。例如，镉离子的吸收通常通过与钙离子、铁离子、镁离子、铜离子和锌离子相同的转运蛋白进行，这些离子可能会抑制镉的吸收及其在植物根部和向上部位的转运。这与本研究中观察到的锌吸收超过镉吸收的现象一致。同时，某些金属离子对镍离子的吸收和转运具有抑制作用，顺序为：Fe3? > Co2? > Ca2? > Mg2? > NH?? > K? > Na?。这些结果与观察到的金属吸收趋势相符。

植物根部的重金属积累模式可能受到多种机制的影响，如在液泡中结合、与细胞壁成分结合以及通过木质部的有限转运等，这些机制有助于在污染环境中实现植物的稳定化策略。然而，不同实验设计、植物种类和土壤特性可能导致重金属吸收趋势与之前研究有所不同。

本研究的结论表明，厌氧污泥的有机碳和氮含量符合堆肥质量标准，但磷含量未达标。此外，碳氮比（C/N）未能满足堆肥标准。重金属如镉、铜和锌的含量超过了质量限制，其中铜和锌的浓度在土壤污染的临界阈值内，而镉的浓度则超过了土壤污染的临界限制。厌氧污泥的TCLP测试结果表明，其重金属含量符合印度尼西亚环境与林业部第6号2021年规定的技术要求。

在红豆植物的生长介质中，厌氧污泥的使用显著抑制了植物的生长，特别是在较高剂量下。这种抑制作用主要归因于污泥中的氮和重金属的毒性。值得注意的是，25%处理的植物中铜的积累超过了临界阈值，而其他重金属则在正常和临界范围内。因此，直接将厌氧污泥作为土壤改良剂使用可能并不适宜，除非进行适当的预处理以降低其毒性并优化其利用。

除了监管阈值之外，在推荐使用污泥作为土壤改良剂之前，还需要考虑其他因素，如盐度、有机污染物、病原体的存在以及污泥的稳定性（如生物降解性）。未来的研究可以纳入完整的质量平衡研究（土壤+污泥+植物），以更好地理解重金属的命运，并为安全的使用剂量提供依据。

由于目前缺乏明确的政策指导和公众对渗滤液衍生污泥使用的担忧，研究的推广仍面临挑战。小规模试点和政策指导可能有助于解决这些问题。长期使用可能增加生物累积和地下水污染的风险，因此需要持续的监测和受控的使用剂量。