石田螺處理城市剩余污泥試驗

梁 敏，陶虎春* ，倪晉仁，劉耀成，李 偉，吳應(yīng)超

1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，廣東 深圳 518055

2.北京大學(xué)環(huán)境工程系，水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京 100871

石田螺處理城市剩余污泥試驗

梁 敏1，2，陶虎春1，2*，倪晉仁2，劉耀成1，李 偉1，2，吳應(yīng)超1，2

1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，廣東 深圳 518055

2.北京大學(xué)環(huán)境工程系，水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京 100871

應(yīng)用石田螺(Sinotaia quadrata)攝食和消化城市剩余污泥，通過考察石田螺的最佳養(yǎng)殖密度、城市剩余污泥經(jīng)石田螺處理前后性質(zhì)的變化和重金屬轉(zhuǎn)移規(guī)律，對石田螺處理城市剩余污泥的可行性進行了研究.結(jié)果表明：石田螺在養(yǎng)殖密度為13～15 kg/m3時存活率較高;石田螺可將城市剩余污泥直接轉(zhuǎn)化為顆粒螺糞，可有效去除污泥中的有機物，對VS和TOC去除率分別達到23%和37%.對城市剩余污泥經(jīng)石田螺處理后得到的螺糞進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗，12 d后的總產(chǎn)氣量僅為0.5 mL，可見螺糞的厭氧消化活性較低，這可在一定程度上避免污泥腐化發(fā)臭.石田螺對城市剩余污泥中Cr，Cu，Zn，Pb和Cd 5種重金屬的富集系數(shù)(BCF)分別為1.09，1.36，1.17，1.33和3.41;石田螺對 Ni無富集作用.城市剩余污泥處理后得到的螺糞重金屬質(zhì)量分數(shù)符合國家《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)，在其他污染物項目達標的前提下，可用作為城市綠化用肥或土壤改良劑等，實現(xiàn)污泥的資源化利用.

城市剩余污泥;石田螺;穩(wěn)定化;重金屬;生物肥料

隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市污水處理設(shè)施建設(shè)速度不斷加快，污水處理過程中產(chǎn)生的城市剩余污泥的安全、環(huán)保、有效處理處置已成為亟待解決的問題［1-2］.據(jù)調(diào)查，我國只有部分污水處理廠對污泥進行濃縮、消化穩(wěn)定和干化脫水處理，許多小型的污水處理廠由于運行資金不足而沒有建設(shè)完善的污泥處理系統(tǒng)［3］.投資小、運行成本低的生物處理技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，如污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣［4-5］、污泥堆肥［6-8］和蚯蚓分解處理法［9-12］等. 污泥堆肥和蚯蚓分解處理法均可將城市剩余污泥轉(zhuǎn)化為富含植物營養(yǎng)、土壤酶和腐植酸的生物肥料，但一般只適用于含水率較低的脫水污泥［13-14］，因此研究應(yīng)用生物技術(shù)直接處理含水率較高的城市剩余污泥具有重要意義.目前已有利用細菌捕食者(如原生動物纖毛蟲、后生動物線蟲輪蟲、環(huán)節(jié)動物水螅等微型動物)實現(xiàn)污水處理過程中污泥減量化的相關(guān)研究［15-17］，但鮮見利用田螺科底棲動物通過攝食消化作用將城市剩余污泥轉(zhuǎn)化為生物肥料的研究報道.

石田螺，俗稱石螺螄(Sinotaia quadrata)，屬軟體肌肉動物門，腹足綱，櫛鰓目，田螺科，石田螺屬;其分布極廣，棲息在河川、池塘或者水田等泥質(zhì)水底中，以細菌、浮游動物殘體和有機雜質(zhì)為食［18］.城市剩余污泥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.筆者嘗試將城市剩余污泥作為石田螺的食料，利用石田螺對城市剩余污泥的攝食、消化作用實現(xiàn)城市剩余污泥的穩(wěn)定化、減量化和無害化.通過城市剩余污泥直接養(yǎng)殖石田螺試驗考察石田螺的最佳養(yǎng)殖密度、城市剩余污泥經(jīng)石田螺處理前后性質(zhì)的變化和重金屬轉(zhuǎn)移規(guī)律，探索石田螺直接處理城市剩余污泥的可行性.

1 材料與方法

1.1 污泥

試驗污泥取自深圳市羅芳污水處理廠的污泥濃縮池，樣品采集后靜置沉淀，棄去上清液后于4℃冰箱中冷藏備用，含水率為89.0% ～92.4%，p H為6.7～7.3.

1.2 石田螺

石田螺購自深圳市布吉農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場，品種為石田螺(又稱環(huán)棱螺，Sinotaia quadrata)，螺殼較小，綠褐色，螺塔較高，殼高為1～2 cm.選取單只體質(zhì)量為1.5～2.5 g活力好的石田螺約500只，用自來水洗凈后養(yǎng)于塑料箱中備用.

1.3 試驗步驟

石田螺養(yǎng)殖密度試驗在3個規(guī)格為31 cm×44 cm×26 cm的塑料箱中進行，水深為8 cm左右，每日僅投喂污泥1次，不添加其他食料.3個塑料箱中石田螺的生物量分別為167，293和415 g，即密度分別為 15.3，26.8 和 37.1 kg/m3，分別為命名 L1，L2和L3，每日投喂污泥量(濕質(zhì)量)約為石田螺體質(zhì)量的10%.每日觀察石田螺對污泥的攝食情況，及時清理死亡的石田螺，記錄塑料箱中石田螺生物量的變化.

在石田螺最佳養(yǎng)殖密度的條件下進行城市剩余污泥處理試驗，每日早上08：00投喂污泥1次.觀察石田螺消化污泥所需的時間，污泥無殘余后收集螺糞，分析污泥經(jīng)石田螺攝食、消化處理前后性質(zhì)的變化.

我國城市剩余污泥常見的重金屬有Cr，Cu，Zn，Ni，Pb 和 Cd 等［19-21］，《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)中也有相關(guān)污染物的控制指標，因此選取這6個重金屬污染物指標.取新鮮未投喂過污泥的石田螺約150 g養(yǎng)殖于塑料箱中，每日投喂污泥1次，投喂量同上.試驗周期為100 d，每隔20 d取一定量的石田螺和螺糞冷凍干燥后備用，分別測定原始污泥、石田螺軟體肌肉組織和螺糞中6種重金屬的質(zhì)量分數(shù)，研究重金屬在石田螺中的轉(zhuǎn)移規(guī)律.

1.4 分析方法

污泥及螺糞中揮發(fā)性固體(VS)采用重量法測定;總有機碳(TOC)測定采用德國耶拿分析儀器股份公司的multiN/C3100型TOC儀;粒徑分析采用美國麥奇克有限公司的S3500型激光粒度分析儀.

厭氧消化穩(wěn)定性評價：取污泥及螺糞各15 g置于100 mL厭氧瓶中，加入純凈水稀釋至50 mL，軟膠塞密封瓶口，以史氏發(fā)酵管收集厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體［22］.

采用微波消解-火焰原子吸收分光光度法測定石田螺軟體肌肉組織、投喂污泥和螺糞中的重金屬質(zhì)量分數(shù).試樣預(yù)處理：取出冷凍干燥后保存的石田螺，砸碎外殼后取其軟體肌肉組織(剔除消化系統(tǒng))，置于瑪瑙研缽中研磨成粉末，充分混勻備用［23］.所有樣品均在105℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量后置于干燥器中冷卻至常溫，得到備用樣品.稱取0.1～0.3 g(精確至0.000 1 g)石田螺樣品粉末于聚四氟乙烯微波消解罐中，加硝酸5～6 mL，再加入過氧化氫(30%)1～2 mL，進行微波消解.冷卻至室溫，用去離子水少量多次洗滌消化罐，洗液合并于50 mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻備用［24］.準確稱取0.1～0.3 g(精確至0.000 1 g)投喂污泥(或螺糞)研磨混合備用樣品于消解罐中，加入3 mL氫氟酸，7 mL硝酸，3 mL鹽酸和2 mL過氧化氫，經(jīng)微波消解后，將消解液體置于可調(diào)電熱板上蒸至近干，用2%HNO3定容于50 mL容量瓶中［25-26］.同時做試劑空白，硝酸、過氧化氫(30%)、氫氟酸、鹽酸、氫氟酸均為優(yōu)級純.采用火焰原子吸收分光光度法(SOLAAR-S4，美國熱電公司)測定消解液中重金屬離子濃度，計算得到石田螺軟體肌肉組織、投喂污泥和螺糞中的重金屬質(zhì)量分數(shù).

富集系數(shù)(BCF)對了解重金屬在生物體內(nèi)的富集、代謝、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律有重要意義［27-28］，計算石田螺對重金屬的富集系數(shù)可有效評估重金屬在石田螺體內(nèi)的累積效應(yīng)，其表達式如下：

式中，w1為石田螺軟體肌肉組織中的重金屬質(zhì)量分數(shù)(連續(xù)投喂污泥100 d后)，mg/kg;w2為城市剩余污泥中的重金屬質(zhì)量分數(shù)，mg/kg.

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)殖密度對石田螺存活率的影響

相同投喂比例下，養(yǎng)殖密度對石田螺的存活率影響較為顯著，結(jié)果如圖1所示.由圖1可見，L1組石田螺的存活率較高，僅在試驗開始時出現(xiàn)螺只的死亡，17 d后未再出現(xiàn)過螺只的死亡，存活生物密度保持在13.1 kg/m3，存活率達到85.6%.L2組在試驗初期存活生物密度持續(xù)下降，但隨著石田螺對污泥餌料的適應(yīng)和生物密度的降低，死亡率逐漸下降，最終存活生物密度為 10.7 kg/m3，存活率為39.9%.試驗初期和中期L3組的存活生物密度持續(xù)下降，18 d后死亡率有所下降，最終存活生物密度為13.2 kg/m3，存活率為34.8%.可見石田螺的養(yǎng)殖密度不宜過高，應(yīng)設(shè)置為13～15 kg/m3.

圖1 養(yǎng)殖密度對石田螺存活生物密度的影響Fig.1 The effect of stocking density on the survival of Sinotaia quadrata

2.2 石田螺處理對污泥性狀與有機物質(zhì)量分數(shù)的影響

在養(yǎng)殖密度為13.8 kg/m3的條件下(每箱石田螺的生物量為150 g)重復(fù)污泥投喂試驗，每日污泥投喂量(濕質(zhì)量)為石田螺生物量的10%(即15 g).在塑料箱上方安置視頻攝像頭，每隔10 min拍照1次，觀察污泥攝食與螺糞排泄情況.觀察發(fā)現(xiàn)，石田螺消化15 g濃縮污泥約需要10～12 h;24 h后收集螺糞發(fā)現(xiàn)，絮體狀污泥已被石田螺轉(zhuǎn)化為黃色球形或橢球形的顆粒螺糞，光學(xué)顯微鏡下測得其直徑約為0.1～0.3 mm.將污泥與螺糞分別放入S3500型激光粒度分析儀中，經(jīng)樣品高速分散系統(tǒng)處理后測得二者的粒徑分布，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見，污泥分散后粒徑較大，多數(shù)在4.6～18.5μm的范圍;而螺糞顆粒分散后粒徑較小，多數(shù)在3.3～13.1 μm之間.可見污泥經(jīng)石田螺消化處理后其內(nèi)部松散的絮狀物可轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)密實的顆粒螺糞.

圖2 污泥與螺糞粒徑分布大小的比較Fig.2 Size distribution of the sludge and manure

收集螺糞并分析其有機物質(zhì)量分數(shù)，有機物包括揮發(fā)性固體(VS)和總有機碳(TOC)，做5次重復(fù)取其平均值，結(jié)果如圖3所示.由圖3可見，w(VS)由處理前(原始污泥)的20.1 g/kg減至處理后(螺糞)的16.2 g/kg，去除率達到23%;w(TOC)亦由處理前的8.1 g/kg減至處理后的5.1 g/kg，去除率達到37%.可見石田螺對污泥的攝食、消化可分解污泥中的有機物，在一定程度上實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化.

圖3 污泥與螺糞中有機物質(zhì)量分數(shù)的比較Fig.3 Organic content in the sludge and manure

綜上，石田螺處理污泥可得到結(jié)構(gòu)密實的顆粒螺糞，有效降低污泥中的有機物質(zhì)量分數(shù);但石田螺對污泥的處理速度較慢，10～12 h內(nèi)的污泥處理量(濕質(zhì)量)約為其自身生物量的10%，即最大日處理量約為石田螺生物量的20%.

2.3 石田螺處理對污泥厭氧消化穩(wěn)定性的影響

比較污泥厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量是評價其厭氧消化穩(wěn)定性的有效途徑.試驗中不加入接種污泥，直接對原始污泥和螺糞進行厭氧發(fā)酵，其累計總產(chǎn)氣量如圖4所示.由圖4可見，原始污泥的日產(chǎn)氣量較為平均，總產(chǎn)氣量持續(xù)穩(wěn)定增加，12 d后其總產(chǎn)氣量達24 mL;而螺糞在前半階段基本無產(chǎn)氣，該階段觀察厭氧瓶亦發(fā)現(xiàn)螺糞一直保持黃色球形或橢球形密實顆粒態(tài)，無厭氧發(fā)酵跡象.21 d后原始污泥的總產(chǎn)氣量達46 mL，而螺糞的總產(chǎn)氣量僅緩慢升至16 mL，可見原始污泥的產(chǎn)氣情況明顯好于螺糞.這可能是因為原始污泥中含有大量的產(chǎn)甲烷菌等細菌，污泥經(jīng)石田螺攝食、消化處理后，大部分細菌被消化酶分解導(dǎo)致螺糞中活性菌數(shù)量極少.此外，污泥經(jīng)石田螺處理后有機物質(zhì)量分數(shù)的降低也是螺糞產(chǎn)氣量較低的原因之一.可見，石田螺處理可將污泥轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的螺糞，在一定程度上避免了污泥腐化發(fā)臭，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化.

圖4 污泥與螺糞厭氧消化的總產(chǎn)氣量比較Fig.4 Total biogas yield of the sludge and manure

2.4 重金屬的轉(zhuǎn)移規(guī)律

在石田螺處理污泥的試驗過程中，每隔20 d取一定量的石田螺冷凍干燥后測定其軟體肌肉組織中重金屬質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果見圖5.比較投喂污泥后石田螺軟體肌肉組織中各種重金屬質(zhì)量分數(shù)的變化可知，除了w(Ni)在波動中略有降低外，其他5個指標均有所升高.連續(xù)投喂污泥100 d后，石田螺體內(nèi)w(Zn)由(217.87±10.28)mg/kg升至(295.03±11.51)mg/kg，w(Cu)由(109.16 ±7.09)mg/kg升至(175.79±13.71)mg/kg，w(Pb)由(22.88±6.56)mg/kg顯著升至(55.89 ±3.68)mg/kg，w(Cr)由(9.39±1.25)mg/kg升至(25.34±3.58)mg/kg，w(Cd)由(0.333±0.03)mg/kg升至(3.57±0.19)mg/kg.計算得到石田螺對污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd這5種重金屬的富集系數(shù)分別為 1.09，1.36，1.17，1.33和3.41;石田螺對Ni可能無富集作用.

圖5 石田螺體內(nèi)重金屬質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.5 Concentration curve of heavy metals in Sinotaia quadrata

對原始污泥和螺糞中6種重金屬質(zhì)量分數(shù)進行分析，并與國家《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)中酸性土壤(pH＜6.5)農(nóng)用標準進行比較，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，除了w(Ni)外，原始污泥經(jīng)過石田螺處理后重金屬質(zhì)量分數(shù)均有所下降.污泥與螺糞中重金屬質(zhì)量分數(shù)均低于酸性土壤污泥施用的最高容許量，而堿性土壤的最高容許量更高，因此污泥經(jīng)石田螺處理后得到的螺糞中 Cr，Cu，Zn，Pb，Cd 和 Ni 6 種重金屬質(zhì)量分數(shù)符合國家農(nóng)用標準，在其他污染物項目達標的前提下，可將其用作城市綠化用肥或土壤改良劑等，實現(xiàn)污泥的資源化利用.

圖6 污泥和螺糞中重金屬質(zhì)量分數(shù)與GB4284—84(酸性土壤，p H ＜6.5)的比較Fig.6 Contents of heavy metals in the sludge and manure compared with GB4284-84(acid soil，p H ＜6.5)

3 結(jié)論

a.石田螺以城市剩余污泥為食料，試驗中石田螺的最佳養(yǎng)殖密度為13～15 kg/m3.石田螺將城市剩余污泥直接轉(zhuǎn)化為螺糞，對剩余污泥的VS去除率達23%，對TOC去除率達37%;但石田螺對污泥的處理速度較慢，污泥日處理量(濕質(zhì)量)約為石田螺生物量的20%.

b.城市剩余污泥經(jīng)石田螺處理后形成的螺糞厭氧消化活性較低，可在一定程度上避免污泥腐化發(fā)臭，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化.

c.石田螺對城市剩余污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd有較強的富集，對 Ni可能無富集作用.城市剩余污泥經(jīng)處理后得到的螺糞中的重金屬質(zhì)量分數(shù)符合國家農(nóng)用標準，在其他污染物項目達標的前提下，可將其用作城市綠化用肥或土壤改良劑，實現(xiàn)污泥的資源化利用.

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Treatment of Municipal Excess Sludge by Sinotaia quadrata

LIANG Min1，2，TAO Hu-chun1，2，NI Jin-ren2，LIU Yao-cheng1，LI Wei1，2，WU Ying-chao1，2
1.Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology，School of Environment and Energy，Peking University Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China
2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences，Ministry of Education，Department of Environmental Engineering，Peking University，Beijing 100871，China

The feasibility of treatment of municipal excess sludge was studied based on research on the ingestion and digestion of sludge by Sinotaia quadrata.Appropriated stocking density of Sinotaia quadrata，the change of the sludge properties before and after treatment by Sinotaia quadrata，and the heavy metal transfer law were investigated.The results showed that the best survival rate of Sinotaia quadrata was obtained at stocking density of 13-15 kg/m3;the municipal excess sludge could be transformed into granular manure;the organic matter in the sludge was removed effectively;and，VS and TOC removal efficiencies could reach 23%and 37%respectively.The anaerobic biogasification performance of the granular manure from the municipal excess sludge was investigated.Total biogas yield of 0.5 mL was obtained within 12 d，which indicated that the low activity of anaerobic digestion for granular manure could avoid the corruption of the sludge.The bio-concentration factors(BCF)of heavy metals for Sinotaia quadrata including Cr，Cu，Zn，Pb and Cd were 1.09，1.36，1.17，1.33 and 3.41，respectively;no enrichment was detected for Ni.The contents of heavy metals in the granular manure met the control standards for agricultural use according to“Control standards for pollutants in sludge from agricultural use”(GB4284-84).If the granular manure from the municipal sludge could meet the control standards for other pollutants，it could be used as urban green fertilizer or soil conditioner to realize resource utilization of the sludge.

municipal excess sludge;Sinotaia quadrata;stabilization;heavy metals;biofertilizer

X703.1

A

1001-6929(2010)09-1180-05

2010-03-29

2010-05-20

北京大學(xué)深圳研究生院院長科研基金項目(2008014)

梁敏(1984-)，女，廣東羅定人，liangmin@pku.edu.cn.

*責任作者，陶虎春(1974-)，男，四川眉山人，副教授，主要研究水污染防治與廢水資源化，taohc@szpku.edu.cn

(責任編輯：潘鳳云)