蚯蚓動(dòng)物反應器如何提高處理污泥的效率

　　1 引言

　　脫水污泥是污水處理廠(chǎng)污水處理的副產(chǎn)物，它是一種由有機殘片、細菌菌體、無(wú)機顆粒、膠體等組成的非均質(zhì)體，成分較為復雜.目前，我國大多數城鎮污水處理廠(chǎng)常采用的方法是將污泥適當濃縮后再進(jìn)行土地填埋，但這種處置方法存在土地資源浪費、填埋場(chǎng)滲濾液污染及填埋場(chǎng)廢氣污染等問(wèn)題.隨著(zhù)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)生量日漸龐大，但目前處理水平有限，因此，城市污泥如果得不到及時(shí)有效的處理與再利用，不僅是一種資源的浪費，還會(huì )成為環(huán)境污染的一大隱患.

　　粉綠狐尾藻作為一種常見(jiàn)的水生植物，同時(shí)也是利用生態(tài)濕地凈化污水的副產(chǎn)品，對其常用的處理方法是風(fēng)干后制作生物能源或動(dòng)物飼料，但處理成本較高，不適宜作為長(cháng)期的處理措施.為了不影響濕地技術(shù)發(fā)展和對環(huán)境造成二次污染，應亟需開(kāi)發(fā)水生植物(狐尾藻)的其它用途.

　　綜合考慮脫水污泥和濕地植物處理的問(wèn)題，利用蚯蚓特殊的生態(tài)學(xué)功能及其與環(huán)境中微生物的協(xié)同作用來(lái)構筑生物反應器，將污泥和植物中的有效養分高效地轉化為生物有機肥，既可以為污泥資源化和產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持，又能夠達到同步處理兩種廢棄物的目的，對建設有生態(tài)濕地的中小型城鎮污水廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，是一種理想的處理方法.但污泥與狐尾藻的含水量較高，同時(shí)污泥過(guò)細的顆粒組分也不利于蚯蚓的生存，需要外源添加一些物質(zhì)來(lái)改善其結構，提高蚯蚓堆肥的處理效率.

　　作為一種常用的物理填料，珍珠巖具有價(jià)格便宜，孔隙度大等特點(diǎn)，其顆粒表面的許多空洞為保持水分和營(yíng)養成分提供了豐富的表面積，能夠有效地改善污泥顆粒組分過(guò)細等問(wèn)題，改善污泥及其混合物中蚯蚓的生存環(huán)境.因此，本研究以脫水污泥-狐尾藻為處理對象，通過(guò)添加珍珠巖來(lái)改善混合物的物理性狀，利用蚯蚓反應器對兩種廢棄物進(jìn)行同步處理，作為對污泥-濕地植物資源化模式的一種嘗試.

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗材料

　　供試污泥樣品為浙江省臨安污水處理廠(chǎng)脫水污泥，其理化性質(zhì)見(jiàn)表 1.供試植物為狐尾藻，采自臨安污水廠(chǎng)尾水生態(tài)濕地，其含水量為89.62%.珍珠巖購自杭州市園藝市場(chǎng)，其含水量為1.23%，容重0.12 g · cm-3.供試蚯蚓為“太平二號”，取自揚州大學(xué)農場(chǎng)，引種后室內馴化繁育3個(gè)月以上.

　　表1 試供污泥理化性質(zhì)

　　2.2 試驗方法

　　采用室內培養試驗，設計不同的珍珠巖添加比例，分別為2%、4%、8%、12%和16%，同時(shí)以未添加珍珠巖的處理作為對照(CK)，各處理重復3次.反應容器規格為上直徑13.5 cm、下直徑9.5 cm、高11 cm的塑料盆，底部有透水孔并墊有濾紙，防止蚯蚓逃逸.

　　試驗前處理：將狐尾藻粉碎成0.5~1.0 cm小塊，以m(污泥)∶ m(狐尾藻)=70 ∶ 30混合均勻，再將其與不同比例的珍珠巖混合均勻后裝入反應容器內，保持每個(gè)樣品在自然壘結狀態(tài)下體積一致，保持在反應容器內標簽對應的刻度“7.5(相對體積)”，容器中加入20條生長(cháng)情況基本一致的太平二號蚯蚓.各處理均在常溫、陰暗處進(jìn)行，試驗周期為15 d.

　　試驗觀(guān)測并記錄反應器中混合物體積和質(zhì)量變化情況;測定收獲前后鮮樣pH和EC值，風(fēng)干樣測定有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和重金屬，試驗結束后測定蚯蚓體內的重金屬含量.

　　理化性質(zhì)測定參考土壤農化分析相關(guān)方法：pH和EC值采用Mettler-Toledo型pH計測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;速效磷采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定;重金屬以HNO3-HClO3-HF(5 ∶ 1 ∶ 1)消煮后采用ICP-MS進(jìn)行測定.

　　2.3 數據處理

　　采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數據處理和統計分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，不同字母表示處理間差異顯著(zhù)(p<0.05).

　　3 結果與分析(Results and analysis) 3.1 蚯蚓生物反應器處理前后混合物的減量化情況

　　如圖 1a所示，與反應前各試驗組相比，混合物質(zhì)量在處理后均呈不同程度的下降，降幅在32.14%~40.42%之間，但組間差異不明顯.各試驗組混合物體積在處理后呈顯著(zhù)下降的趨勢(圖 1b).其中，最大降幅為2%珍珠巖組的48.67%，其次為CK處理的41.33%和4%珍珠巖組的35.34%，其余3組降幅在20.00%~22.00%之間，組間差異不明顯.此變化趨勢可總結為：隨珍珠巖添加比例的增大，處理后混合物體積降幅呈減小的趨勢，最終當珍珠巖比例上升到一定值后，混合物體積降幅趨于一個(gè)相對穩定的水平.

　　圖 1 不同比例珍珠巖處理混合物質(zhì)量減量化(a)和體積減量化(b)情況

　　3.2 蚯蚓生物反應器處理前后混合物中有機質(zhì)含量的變化

　　如圖 2所示，混合物中有機質(zhì)含量均表現為顯著(zhù)降低，降幅在28.76%~45.40%之間，最大降幅為4%珍珠巖組.

　　圖 2 不同比例珍珠巖處理混合物有機質(zhì)減量化情況

　　3.3 蚯蚓生物反應器處理前后混合物中堿解氮和速效磷含量的變化

　　經(jīng)蚯蚓生物反應器處理后，混合物中堿解氮與速效磷的含量發(fā)生了顯著(zhù)變化.與純污泥(表 1)相比，各試驗組中堿解氮均呈不同程度的下降(圖 3)，降幅在6.05%~13.08%之間.混合物中速效磷的含量均表現為顯著(zhù)增加，平均增幅為22.45%，其中，增幅最大的為4%珍珠巖組，達到38.09%，其次為8%珍珠巖組，達33.29%.

　　圖 3 不同處理條件下化合物中堿解氮(a)和速效磷(b)含量的變化情況

　　3.4 蚯蚓生物反應器處理前后混合物pH和EC值的變化

　　處理前后各試驗組混合物的pH均呈不同程度的降低，總體表現為由弱堿性向弱酸性轉變.進(jìn)一步分析可得，隨著(zhù)珍珠巖添加比例的增加，處理前后混合物的pH呈先減小后增大的趨勢.其中，以8% 珍珠巖試驗組的降幅最大，為9.18%.各試驗組的EC值在處理后均顯著(zhù)升高，處理后的EC值在2.75~5.25 mS · cm-1之間，呈隨珍珠巖添加比例增加而增加的趨勢，平均增幅達到27.34%.

　　表2 處理前后混合物pH和EC值的變化

　　3.5 蚯蚓生物反應器處理前后混合物和蚯蚓體內重金屬含量的變化

　　經(jīng)反應器處理后，混合物和蚯蚓體內的重金屬含量發(fā)生了一定的變化.如表 3所示，當珍珠巖添加比例在8%以上時(shí)，處理后重金屬Cu、Pb和Cr含量均表現為降低;處理后Cd和As含量有所升高，但變化不明顯.此外，從表 3中的數據分析可知，珍珠巖添加比例對混合物中重金屬含量的減少也有一定的影響，大致可概括為隨著(zhù)珍珠巖比例的增加，污泥中重金屬含量的減幅也越大，其原因同樣可能是因為污泥物理結構的改變改善了蚯蚓的生長(cháng)環(huán)境，繼而促進(jìn)了蚯蚓對重金屬降低的直接和間接作用.

　　表3 處理前后混合物中重金屬的含量

　　反應后蚯蚓體內的Cu、Pb、Cr含量均呈一定程度的升高，而Cd和As則表現為明顯降低(表 4)，這表明蚯蚓對重金屬的積累具有一定的選擇性.

　　表4 處理前后蚯蚓中重金屬的含量

　　4 討論

 　　4.1 處理前后混合物減量化效果比較

　　處理前后混合物質(zhì)量呈減小的趨勢，這與反應體系中水分和有機質(zhì)的消耗有關(guān)，體積減量化趨勢在4%以上比例珍珠巖處理中表現不明顯.前人研究中鮮有涉及污泥-狐尾藻混合物處理后減量化的數據和結論，針對本試驗中添加4%以上比例珍珠巖組間體積減少趨勢不明顯的結論，推測可能是珍珠巖改變了混合物原有的物理結構，雖然在處理過(guò)程中混合物質(zhì)量呈減少的趨勢，但因為污泥中添加的珍珠巖對混合物結構體系起到了一定的支撐作用，相當于增加了混合物的孔隙度，而試驗過(guò)程中又未涉及翻堆、壓實(shí)等操作，因而減緩了混合物體積的減少.

　　4.2 處理前后混合物有機質(zhì)和氮磷變化規律

　　混合物中有機質(zhì)含量表現為顯著(zhù)降低，前人在研究中也得到了蚯蚓堆肥后有機質(zhì)降低的結論.在實(shí)驗中得出有機質(zhì)含量減少的原因為：蚯蚓堆肥處理加速了微生物的分解作用和有機殘余物的同化.同時(shí)，前人在研究中也鮮有提及利用蚯蚓堆肥技術(shù)同步處理污泥和水生植物過(guò)程中混合物有機質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化規律，結合本試驗的設計，處理過(guò)程中有機質(zhì)含量呈先稍有增高后顯著(zhù)降低的趨勢，猜測出現的原因可能為：部分蚯蚓在處理前期因無(wú)法適應混合物的環(huán)境致死并被降解，從而導致了體系中有機質(zhì)含量的增加.但隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng)，這些額外帶入反應器中的有機質(zhì)與體系中固有的有機質(zhì)均被存活下來(lái)的蚯蚓分解，進(jìn)而使得體系中有機質(zhì)的含量下降，并最終呈顯著(zhù)降低的趨勢.

　　處理前后混合物堿解氮表現為明顯降低，速效磷含量增加.前人的研究多集中在對全氮含量的變化而對堿解氮的變化提及較少，但從原理上分析可達一致在研究中提到，全氮含量降低可能是在蚯蚓堆肥處理前期，大量氨態(tài)氮釋放到環(huán)境中造成了氮的損失.因此可推測，導致本試驗中堿解氮下降的主要原因同樣是體系中的氨態(tài)氮在處理過(guò)程中的揮發(fā).速效磷增加的趨勢與現階段國內外研究結論一致.認為，蚯蚓堆肥技術(shù)是一種使不易被植物直接利用的磷轉化為易被植物直接吸收利用磷的有效技術(shù)，堆肥后產(chǎn)物中磷的增加主要是由于蚯蚓體內酶對物料的直接作用及微生物的間接刺激作用.

　　4.3 處理前后混合物pH和EC值變化規律

　　處理前后各試驗組混合物的pH均呈不同程度的降低，其變化趨勢與前人的研究結果一致.經(jīng)分析可得，在蚯蚓和微生物的作用下，混合物中有機質(zhì)分解所產(chǎn)生的大量有機酸是導致反應體系pH值降低的主要原因.同時(shí)，污泥中氮磷礦化所生成的亞硝酸鹽/硝酸鹽和正磷酸鹽同樣會(huì )導致體系中pH的下降.處理后EC值表現為顯著(zhù)升高，作為衡量水溶性鹽的一個(gè)重要指標，混合物EC值升高的原因可能是有機質(zhì)的降解損失和各種礦質(zhì)鹽份(如磷酸鹽、銨鹽和鉀鹽等)的釋放.

　　4.4 處理前后混合物重金屬變化規律

　　處理后混合物中部分重金屬含量降低的趨勢與前人的研究結果一致.在其研究中指出，重金屬可以通過(guò)蚯蚓的吸收作用而在蚯蚓體內富集，主要途徑包括被動(dòng)擴散作用和攝食作用.前者是重金屬等污染物從土壤、污泥溶液穿過(guò)體表進(jìn)入蚯蚓的體內;后者則是通過(guò)吞食作用使重金屬進(jìn)入蚯蚓體內，并在其內臟器官中完成吸收作用.作為在反應中起主要作用的蚯蚓，處理前后不同的重金屬在其體內的含量有不同的變化趨勢，其中，重金屬Cu、Pb和Cr表現為在其體內增加，而Cd和As則表現為減少，這與污泥中重金屬的變化趨勢相符.此外，有相關(guān)文獻表明，除了由蚯蚓的直接吸收富集作用使污泥中重金屬含量減少外，蚯蚓對重金屬還存在一定的間接作用，即蚯蚓具有很強的吞食能力，其消化道分泌的酶類(lèi)物質(zhì)、碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)和膠粘物質(zhì)，可對部分重金屬產(chǎn)生螯合或固定，使得重金屬的有效性降低.

　　4.5 限制處理后混合物應用的相關(guān)因素

　　限制城市污泥農用的一個(gè)因素是污泥中病原菌等有毒有害物質(zhì)的存在.本試驗雖未對蚯蚓生物反應器處理后混合物中病原菌的數量進(jìn)行測定，但已經(jīng)陸續有研究表明，蚯蚓可以去除城市污泥中的有毒有害物質(zhì)，使污泥性質(zhì)穩定、無(wú)臭、不生蛆.高紅莉等在其研究中表明，經(jīng)蚯蚓堆肥處理后，城市污泥中的病原菌等有害物質(zhì)含量能被有效降低.即使有部分病原菌在一定條件下會(huì )再生，但施入土壤后，土著(zhù)微生物有阻止這些病原菌再生的作用.因此推測，經(jīng)蚯蚓生物反應器處理的污泥施入土壤中不會(huì )引起病原菌的污染.

　　另一個(gè)限制污泥農用的因素是污泥中重金屬的含量.我國GB4284—1984《農用污泥中污染物控制標準》中明確規定了農用污泥中各類(lèi)污染物(主要為重金屬)的最高容許含量.對比本試驗處理產(chǎn)物中的5種重金屬含量，均達到了在pH>6.5的中性和堿性土壤上的施用標準.同樣，限制蚯蚓被用作動(dòng)物蛋白飼料的一個(gè)重要因素是其體內重金屬的含量.由于目前我國未曾出臺關(guān)于動(dòng)物蛋白中重金屬含量的相關(guān)標準，所以無(wú)法判斷被用于試驗后的蚯蚓能否作為動(dòng)物蛋白飼料的原料.但如上文分析及表 4所示，只要蚯蚓體內重金屬的含量在合理的范圍之內，不難相信其具有可作為一種新型動(dòng)物蛋白飼料投入使用的潛力.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結論

　　在污泥-狐尾藻體系中添加珍珠巖可以增加混合物的孔隙率和透氣性，為蚯蚓創(chuàng )造適宜的生長(cháng)和繁殖環(huán)境，從而提高反應器對混合物的處理效果，經(jīng)蚯蚓生物反應器處理后，處理產(chǎn)物品質(zhì)均達到了在中性和堿性土壤上的施用標準.綜合考慮不同比例珍珠巖對反應體系的影響，在污泥-狐尾藻中添加4%的珍珠巖，既能保證對污泥處理的減量化效果，其對污泥中有機質(zhì)降解效果好，產(chǎn)物pH和EC適宜，速效磷含量高，處理產(chǎn)物品質(zhì)佳，處理產(chǎn)物的轉化效率也最高.