接種蚯蚓堆制處理造紙污泥的試驗(yàn)研究

李 丹 王德漢 曾 婷 李 亮 謝錫龍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州，510642）

廣州造紙集團(tuán)有限公司紙及紙板年生產(chǎn)能力50萬t，是我國南方重要的制漿造紙基地，但每年產(chǎn)生的造紙污泥量也達(dá)到20多萬t［1］。由于填埋場所相對短缺，國內(nèi)許多紙廠污泥隨意棄置或不經(jīng)無害化處理在農(nóng)田上濫用現(xiàn)象很普遍，造成新的環(huán)境污染，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)愈來愈大，因此，迫切需要解決污泥無害化處理問題。

利用蚯蚓分解污泥的研究起源于20世紀(jì)70年代，Hartenstein等［2-3］將利用人工控制的方法實(shí)現(xiàn)蚯蚓堆肥處理過程稱為蚯蚓生物分解處理技術(shù)。蚯蚓作為主要的大型土壤動(dòng)物之一，組成了重要的二級分解者群體。蚯蚓是降解有機(jī)廢棄物的重要生物。

蚯蚓堆肥技術(shù)是一種環(huán)境友好型方法，它利用蚯蚓作為天然的生物反應(yīng)器，將廢棄物轉(zhuǎn)化為有營養(yǎng)的堆肥產(chǎn)品施用于作物生產(chǎn)，達(dá)到有效回收利用排放到土壤的有機(jī)廢棄物的目的。在微生物的協(xié)同作用下，蚯蚓利用自身豐富的酶系統(tǒng)（蛋白酶、脂肪酶、纖維酶、淀粉酶等）將有機(jī)廢棄物迅速分解、轉(zhuǎn)化成易于利用的營養(yǎng)物質(zhì)，加速堆肥穩(wěn)定化過程［4］。

本研究考察了在赤子愛勝蚓堆制處理造紙污泥過程中，蚯蚓的生長、繁殖特性以及蚯蚓對堆制產(chǎn)物（蚯蚓糞）化學(xué)特性〔pH值、VS（揮發(fā)性固體）、有機(jī)質(zhì)、TN（總氮）、TP（總磷）、TK（總鉀）〕的影響，為該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

（1）供試蚯蚓

赤子愛勝蚓（Eisenia foetida），購自廣州市洋興畜牧有限公司。

（2）供試有機(jī)物料

造紙污泥：取自廣州造紙集團(tuán)有限公司生化法廢水處理系統(tǒng)的生物污泥（活性污泥）。

培養(yǎng)基質(zhì)：經(jīng)蚯蚓堆制處理造紙污泥與落葉堆肥混合物后的產(chǎn)物，挑出蚯蚓與蚓繭，自然風(fēng)干，備用。供試物料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試物料的基本理化性質(zhì)

1.2 具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用上口直徑為25cm、下底直徑為18cm、高20cm、底部有透水孔的花盆，底部放有細(xì)紗網(wǎng)防止蚯蚓逃逸。按不同處理加200、150、120、100g（風(fēng)干質(zhì)量）的造紙污泥及0、50、80、100g（風(fēng)干質(zhì)量）的蚓糞，使堆制有機(jī)物總質(zhì)量為200g。每盆接種大小相當(dāng)?shù)某赡牝球?0條［5-6］。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理配料比，每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，共16盆，在常溫、陰暗處培養(yǎng)，本次蚯蚓堆制試驗(yàn)時(shí)間為：2008年7月17日—9月14日。堆制過程中通過稱重法判斷含水量是否在最適范圍，若含水量太高，則將盆放于通風(fēng)處使過多的水分蒸發(fā)，若含水量太低，則用噴水器均勻噴灑蒸餾水加以調(diào)節(jié)。整個(gè)堆制過程物料含水量控制在（70±10）％。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

分別在堆制15、30、45、60d時(shí)進(jìn)行蚯蚓計(jì)數(shù)和稱重。計(jì)數(shù)時(shí)先將堆制的混合物緩慢倒出，仔細(xì)挑出其中的成蚓、幼蚓和蚓繭，對成蚓和幼蚓進(jìn)行計(jì)數(shù)和稱重，對蚓繭進(jìn)行計(jì)數(shù)。采取破壞性取樣，樣品風(fēng)干后測定其pH值、VS、有機(jī)質(zhì)、TN、TP、TK，進(jìn)而初步評價(jià)堆制產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。

表2 堆制處理中初始物料的含量

1.3 測定分析方法

1.3.1 蚯蚓生長、繁殖特性的測定方法［7］

蚯蚓日增重倍數(shù)：（堆制一定天數(shù)后蚯蚓總重量-初始蚯蚓重）/（初始蚯蚓重×堆制天數(shù)）

蚯蚓日增殖倍數(shù)：（堆制一定天數(shù)后蚯蚓總條數(shù)-初始蚯蚓條數(shù)）/（初始蚯蚓條數(shù)×堆制天數(shù)）

式中蚯蚓總條數(shù)包括成蚓數(shù)、幼蚓數(shù)和蚓繭數(shù)，每個(gè)蚓繭按1條蚯蚓計(jì)算，處理時(shí)間以d計(jì)，蚯蚓重以g計(jì)。

1.3.2 樣品測試項(xiàng)目及方法

含水率、pH值、VS、有機(jī)質(zhì)、TN、TP、TK的測定方法見文獻(xiàn)［8］中的常規(guī)測定方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

樣品分析數(shù)據(jù)在Excel下建立數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析，然后采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件，采用鄧肯法（Duncan’s multiple range test）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，同一處理間字母相同表示無顯著性差異，字母不同表示有顯著性差異［9-10］。本研究利用簡單相關(guān)分析來討論變量之間的聯(lián)系程度，并對所有相關(guān)系數(shù)r都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義檢驗(yàn)，若不注明，顯著差異指p＜0.05，極顯著差異指p＜0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的生長和繁殖特性分析

在利用蚯蚓處理有機(jī)廢棄物時(shí)，蚯蚓的生長和繁殖直接影響處理效果［11］，因而有必要對蚯蚓的生長和繁殖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在接種蚯蚓的4個(gè)處理中，均未發(fā)現(xiàn)蚯蚓的死亡逃逸現(xiàn)象，且生長繁殖狀況良好，這表明直接用蚯蚓堆制處理造紙污泥是可行的。蚯蚓堆制過程中赤子愛勝蚓日增重倍數(shù)和日增殖倍數(shù)見圖1和圖2。

2.1.1 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的生長特性分析

從圖1可以看出，在堆制期間（0～60d），4個(gè)處理的蚯蚓日增重倍數(shù)均呈平穩(wěn)下降趨勢，E4處理在15～30d內(nèi)，降幅最大達(dá)到了54％。在堆制結(jié)束時(shí)，E1處理中赤子愛勝蚓的日增重倍數(shù)出現(xiàn)了負(fù)值，較0～45d降低了119％，較堆制之初其蚯蚓生物總量明顯地下降，而其余各處理（E2、E3、E4）較0～45d降幅繼續(xù)增大，在83％～90％之間，其蚯蚓日增重倍數(shù)已降至接近于零。至此，蚯蚓堆制處理造紙污泥已處于穩(wěn)定。各處理中的營養(yǎng)已消耗殆盡，蚯蚓體色由紅轉(zhuǎn)為暗黃，長勢瘦弱。同時(shí)，與堆制之初的造紙污泥成團(tuán)結(jié)塊、短纖維清晰可見相比，各處理的堆制產(chǎn)物（蚯蚓糞）呈現(xiàn)出顆粒均勻細(xì)小等特點(diǎn)。

以上結(jié)果表明，可直接接種赤子愛勝蚓處理造紙污泥，但以E4處理（50％造紙污泥+50％培養(yǎng)基質(zhì)+蚯蚓）最利于蚯蚓的生長。以一定比例培養(yǎng)基質(zhì)加入造紙污泥，不僅接種了豐富的微生物，促進(jìn)了蚯蚓的攝食、生長，還為蚯蚓提供了氮源，平衡其生長所需營養(yǎng)，同時(shí)調(diào)節(jié)了其pH值至弱堿性，更利于蚯蚓的生長。

2.1.2 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的繁殖特性分析

由圖2看出，在堆制15～30d內(nèi)，E1、E2、E3、E4各處理的蚯蚓日繁殖倍數(shù)，分別顯著增加了10、5.0、4.0、2.7倍，此后，E1處理的蚯蚓日繁殖倍數(shù)一直小幅增加，E2處理的先是小幅下降而后又上升，E3、E4則呈下降態(tài)勢。與上述的赤子愛勝蚓的日增重規(guī)律相比較，其日繁殖規(guī)律具有滯后性。相比較而言，E4處理中造紙污泥、培養(yǎng)基質(zhì)各占50％的配料比，最適合蚯蚓的生長，但同時(shí)蚯蚓也最快將餌料中的養(yǎng)分消耗掉，由此可推論，提供適宜蚯蚓攝食、生長的餌料，具體說就是調(diào)節(jié)其C/N、pH值，可以提高蚯蚓處理造紙污泥的效率。

2.2 蚯蚓堆制處理造紙污泥過程中pH值的變化

圖3顯示：在整個(gè)蚯蚓堆制期間（0～60d），E1、E2、E3、E4各處理中造紙污泥蚯蚓堆制物的pH值變化趨勢大致相同，均是先下降后微有上升，最后趨于穩(wěn)定。堆制之初（0d），E1處理（新鮮造紙污泥）的pH值為8.3，E2、E3、E4各處理的pH值分別為8.2、8.1、8.0，在第60d時(shí)，E4處理中造紙污泥蚯蚓堆制物pH值最低，為7.8，其余各處理（E1、E2、E3）的pH值分別降至7.8、7.8、7.9，均為弱堿性。與堆制之初相比較，E1處理中造紙污泥蚯蚓堆制物pH值降幅最大，為7.0％，其余則依次為E2、E4、E3各處理的4.0％、3.0％、2.0％。這是由于在開始階段，蚯蚓和微生物對有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，pH值降低；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，蚯蚓和微生物對有機(jī)物進(jìn)一步降解，尤其是對有機(jī)酸的降解，同時(shí)含氮有機(jī)質(zhì)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氨，導(dǎo)致pH值升高，一般達(dá)到8.0左右；當(dāng)堆體趨于穩(wěn)定時(shí)，由于堆體中氨的揮發(fā)，pH值回調(diào)，一般達(dá)到7.5～8.0左右，呈弱堿性，這有利于提高肥料和土壤中陽離子的交換能力，提高土壤肥力［12］。

2.3 蚯蚓對造紙污泥堆制產(chǎn)物VS的影響

VS含量的高低反映了堆肥過程中可被赤子愛勝蚓利用的能量的多寡，反映了堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的降解，可以指示堆肥的進(jìn)程［13］。從圖4可以看出，在堆制之初（0d），各處理中原始物料VS相近。在整個(gè)堆制時(shí)期，E2、E1、E3各處理VS均在15～30d內(nèi)下降最快，這與上述的赤子愛勝蚓在此階段的總生物量、日繁殖倍數(shù)達(dá)到最高相一致，故此階段為造紙污泥快速穩(wěn)定時(shí)期。在第30～60d內(nèi)，E4處理蚯蚓堆制物VS降低最多，明顯高于其余各處理。在第60d時(shí)，各處理VS趨于穩(wěn)定，尤以E1處理中蚯蚓堆制物VS最低，接近50％，與堆制之初相比，其降幅最大，約為15％。

2.4 蚯蚓對造紙污泥堆制產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)影響

圖5為赤子愛勝蚯蚓對造紙污泥堆制物有機(jī)質(zhì)的影響。從圖5可知，在堆制之初，各處理中初始基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)含量在549.19～654.39g/kg，經(jīng)過蚯蚓堆制60d后，其有機(jī)質(zhì)含量為472.39～508.69g/kg，最終各處理中堆肥產(chǎn)物的有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，其中E1最高，其次為E4、E2、E3。與初始基質(zhì)相比，經(jīng)過60d的蚯蚓堆制后，各處理堆制產(chǎn)物中的有機(jī)質(zhì)含量均顯著下降，其降幅分別為22％、19％、17％、11％。有機(jī)質(zhì)含量降低的結(jié)論已被早期研究者證明［14-15］，他們報(bào)道，不同工業(yè)污泥蚯蚓堆制后，以CO2形式減少的有機(jī)質(zhì)含量占總有機(jī)質(zhì)含量的20％～43％。Suthar［16］在3種不同的物質(zhì)（瓜爾豆膠工業(yè)廢棄物、牛糞和木屑）按不同比例混合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的Perionyx excavatus（Perrier）蚯蚓堆制處理，得出有機(jī)質(zhì)含量減少的原因?yàn)椋候球镜亩阎铺幚砑铀倭宋⑸锏姆纸庾饔煤陀袡C(jī)殘余物的同化，同時(shí)由于蚯蚓活動(dòng)改善了微生物小氣候，從而通過蚯蚓的呼吸作用加速了物料中碳元素的損失，而蚯蚓促進(jìn)了微生物的繁殖，進(jìn)一步加速了有機(jī)廢棄物的降解。因此，蚯蚓的堆制處理直接影響了廢棄物中有機(jī)質(zhì)的含量［17-18］。

2.5 蚯蚓對造紙污泥堆制產(chǎn)物TN、TP、TK的影響

與堆制之初相比，各處理堆制產(chǎn)物中的氮含量相差不大（見表3）。E1處理全為造紙污泥，蚯蚓堆制處理后其含氮量略有降低，但差異不顯著；E2、E3、E4處理堆制產(chǎn)物含氮量均比堆制之初高，其中E2、E4各顯著增加9％、5％。S.Bansal［19］、R.M.Atiyeh［20］、C.Elvira［21］也做過有相關(guān)的研究，得出了類似的結(jié)論?？赡苁怯袡C(jī)質(zhì)的降解、礦化，使得含氮量增加。但是，Ndegwa等［22］和Mitchell［23］的研究認(rèn)為，初始基質(zhì)與堆制產(chǎn)物的含氮量沒有顯著差異。同時(shí)，也有研究［24］報(bào)道在整個(gè)蚯蚓堆肥過程中，其氮含量變化很大。蚯蚓堆肥處理不同的廢棄物，得出堆肥過程中全氮含量結(jié)論的不同，原因在于蚯蚓攝食的餌料不同，以及其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成影響了含氮有機(jī)物的礦化，化合物中含氮量的多寡。

造紙污泥、蚯蚓糞的TP含量分別為0.67g/kg、15.60g/kg，4個(gè)處理的初始TP含量差異顯著。經(jīng)過60d的蚯蚓堆制后，最終各處理TP含量為0.66～0.99g/kg（見表3）。堆制產(chǎn)物中的TP含量與初始基質(zhì)相比，除E1堆制產(chǎn)物中的TP顯著增加了48％，其余3個(gè)處理都大幅下降，且差異顯著。堆制結(jié)束時(shí)，E1、E2、E3之間差異不顯著，E1、E4間差異顯著，且各堆制產(chǎn)物中TP含量隨著C/N比的降低而降低，即高C/N比的初始基質(zhì)經(jīng)過蚯蚓堆肥后，TP含量增加，這與Ndegwa P.M.［25］在研究C/N比在蚯蚓堆制處理生物污泥中的影響得出的結(jié)論是一致的。

表3 堆制前后各處理TN、TP、TK的含量

各處理中初始基質(zhì)的TK含量在9.64～47.77g/kg（見表3），經(jīng)過蚯蚓堆制60d后，其TK含量為9.78～12.33g/kg，其最高、最低含量分別出現(xiàn)在E2、E3。堆制結(jié)束時(shí)，E2處理中的含鉀量E2、E3與E1、E4間的含鉀量差異顯著，而E1、E4間差異不顯著。堆制產(chǎn)物中的TK含量與初始基質(zhì)相比，除E1堆制產(chǎn)物中的TK顯著增加了11％，其余3個(gè)處理都大幅下降，且差異顯著。C.Elvira［14］研究蚯蚓堆制處理造紙污泥與乳品廢棄物時(shí)，發(fā)現(xiàn)與初始基質(zhì)中的TK含量相比，堆制產(chǎn)物中鉀的含量顯著降低了。這可能是由于過量澆水而使鉀元素從基質(zhì)中瀝出了，Benitez等［26］就曾收集過蚯蚓堆肥期間的瀝出液，分析發(fā)現(xiàn)其中含鉀量很高，而且可以用作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)質(zhì)鉀肥。

3 結(jié)論

3.1 對蚯蚓的日增重倍數(shù)、日繁殖倍數(shù)的分析表明，可直接接種赤子愛勝蚓處理造紙污泥，但與其他處理相比，以E4處理（50％造紙污泥+50％培養(yǎng)基質(zhì)+蚯蚓）最利于蚯蚓的生長；在堆制15～30d內(nèi)，各處理的蚯蚓日繁殖倍數(shù)均顯著增加，但以E2處理（75％造紙污泥+25％培養(yǎng)基質(zhì)+蚯蚓）最利于蚯蚓的繁殖。

3.2 對堆制產(chǎn)物（蚯蚓糞）的化學(xué)特性分析表明，各處理的pH值均有降低并呈弱堿性，均在7.7～7.9之間；E2、E1（100％造紙污泥+蚯蚓）、E3（60％造紙污泥+40％培養(yǎng)基質(zhì)+蚯蚓）各處理中蚯蚓糞VS（揮發(fā)性固體）均在15～30d內(nèi)下降最快，說明15～30d是蚯蚓堆制造紙污泥的快速穩(wěn)定期；各處理有機(jī)質(zhì)含量均顯著下降，降幅在11％～22％；與堆制之初相比，E1處理含氮量略有降低，但差異不顯著，E2、E3、E4處理含氮量均比堆制初高，其中E2、E4各顯著增加9％、5％；與初始基質(zhì)相比，除E1堆制產(chǎn)物中的全磷顯著增加了48％，其余3個(gè)處理都大幅下降，且差異顯著；與初始基質(zhì)相比，除E1堆制產(chǎn)物中的全鉀顯著增加了11％，其余3個(gè)處理都大幅下降，且差異顯著。

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