近年来,我国城镇污水处理事业蓬勃发展,污水收集及处理率均大幅攀升,对城镇水环境污染防治意义显著。作为污水生物处理的副产物,污水处理中大量污染物最终进入城镇污泥,然而当前我国城镇污泥的卫生安全处理处置进程滞后,绿色低碳处理效果不明显,这不仅造成了经济和能源的损失,也对生态环境产生了威胁。污泥土地利用作为一种典型的绿色低碳处置措施,在处置大量污泥的同时可增强土壤肥力、改善土壤质量,是最具前景的污泥最终处理处置路线之一。然而,污泥中含的具有潜在生态风险的污染物,特别是重金属类污染物,会对土壤的理化性质和微生物群落产生冲击,长期施用后可能导致土壤环境和地下水的污染。本研究对污泥土地利用后不同浓度的Cd、Cu、Zn在土壤中的累积赋存规律及其对土壤环境的影响展开研究,并对污泥多年施用后Cd、Cu、Zn和氮素的累积和迁移进行模拟,以探究污泥土地利用的可行性,为污泥土地利用的合理、安全实行提供理论支撑。为了探究污泥土地利用后重金属对土壤环境的影响,将含有不同浓度Cd、Cu、Zn的消化污泥按照污泥农用标准投加到土壤中,定期检测土壤中重金属形态、土壤理化性质参数及土壤微生物丰度变化。结果表明,污泥投加会明显增加土壤中重金属的可迁移性和生物可利用性,其中可交换态Cd、Zn,碳酸盐结合态Cd、Cu、Zn,铁锰水合氧化物结合态Cd、Cu增加显著;随着时间的推移,3种重金属在土壤中均会越来越稳定。土壤ORP和TC具有多种相关关系,可以作为污泥土地利用的过程判断依据。环境因子主要对酸杆菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门微生物影响显著。Cd、Cu、Zn在污泥投加初期对微生物群落影响较为明显,而随着时间的推移,土壤中微生物群落结构会渐渐趋于稳定。为了探究重金属和氮素在土壤中的累积和迁移规律,进行了土壤柱淋滤实验,重金属纵向迁移能力表现为Cd＞Zn＞Cu,其流出率分别为0.048%、0.027%、0.019%,均低于空白组,表明污泥中的重金属更倾向于在土壤中富集。氨氮和硝态氮的平均流出率分别3.649%和12.127%;进水中Cd、Cu、Zn的投加使得出水中硝态氮的流出率分别降低了29.4%、30.7%、40.9%。使用Hydrus软件对重金属和氮素的出水浓度数据进行拟合反演,得到了可靠的吸附与反应参数,R~2均在0.75-0.96之间。氨氮的等温吸附系数比硝态氮高约1-2个数量级,表明硝态氮不易被土壤吸附;重金属的加入在降低硝态氮的吸附系数的同时将提高氨氮和硝态氮的一阶动力学反应常数,表明重金属的存在会加快硝态氮的迁移能力和反应消耗,从而导致硝态氮流出率变低。使用Hydrus-2D对污泥施用2年的浅层土壤和连续施用50年的深层土壤进行了模拟预测,分析了土壤溶液中Cd、Cu、Zn、氨氮、硝态氮的累积和迁移趋势。在污泥施用初期,Cd、Cu、Zn均呈现逐渐下渗的趋势,其在土壤表面累积的最高浓度分别为0.0206 mg/L、3.315 mg/L、6.615 mg/L。土壤中的氨氮会在污泥施用后1年的时间里全部消耗。在污泥持续施用50年间,Cd会持续累积和下渗,Cu、Zn、氨氮和硝态氮均在一个稳定的浓度范围内波动。含高浓度Cd、Cu以及含Zn污泥施用后,土壤的重金属峰值浓度均已超过《农田灌溉水质标准GB5084-2021》的标准限值。而在1m深度以下,Cu、Zn的浓度均未超出《地下水质量标准GB14848-2017》的Ⅰ类浓度限值,Cd的浓度未超过Cd的Ⅱ类浓度限值,因此不会对地下水造成污染风险。