污泥蚯蚓堆肥過(guò)程中蚯蚓對(duì)污泥的適應(yīng)性及重金屬消減的影響

摘要：通過(guò)研究污泥理化性質(zhì)對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響和不同比例的污泥和調(diào)理劑（牛糞）對(duì)堆肥產(chǎn)品中重金屬含量的影響，以及蚯蚓對(duì)污泥中重金屬的消減作用，為污泥的資源化利用提供參考依據(jù)。結(jié)果表明，新鮮污泥處理和混合污泥處理的蚯蚓數(shù)量顯著高于久置污泥；70%含水量處理的蚯蚓數(shù)最多，顯著高于90%和40%含水量處理，其中40%含水量處理的蚯蚓全部死亡；pH 7.82時(shí)蚯蚓數(shù)最多，與pH 5.43和pH 9.24處理時(shí)的差異達(dá)顯著水平。污泥與牛糞混合培養(yǎng)蚯蚓的試驗(yàn)中，各處理間蚯蚓數(shù)量差異不顯著，但純污泥處理的蚯蚓總重和平均單條重顯著高于其他處理，且各重金屬含量均高于其他各處理，其中Cd、Pb、B、Cu、Zn含量與其他各處理間差異均達(dá)顯著水平。試驗(yàn)結(jié)束后，純污泥處理的蚯蚓體內(nèi)各重金屬含量是未處理蚯蚓的2.84～116.80倍，重金屬去除率為0.46%～2.64%，吸收系數(shù)為0.06～0.38。

關(guān)鍵詞：污泥；蚯蚓；重金屬

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）01-0062-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.018

污泥中含有一定量的重金屬元素和病毒、病原體、寄生蟲(chóng)卵等有害物質(zhì)[1]。重金屬含量較高的污泥施于農(nóng)田，會(huì)對(duì)植物和動(dòng)物產(chǎn)生危害，并通過(guò)食物鏈的傳遞最終對(duì)人類產(chǎn)生毒害作用[2]?！掇r(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4284-84）對(duì)污泥的有害物質(zhì)含量和施用做了嚴(yán)格的規(guī)定。

蚯蚓堆肥處理法是在有機(jī)物料中放養(yǎng)蚯蚓，在微生物和蚯蚓的共同作用下，有機(jī)物質(zhì)變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質(zhì)[3，4]。蚯蚓可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散作用和攝食作用吸收污泥中的重金屬。影響蚯蚓對(duì)污泥中重金屬的消減效果的因素包括溫度、濕度、污泥中重金屬含量、C/N、有機(jī)質(zhì)含量、pH、投放密度、培養(yǎng)時(shí)間等[5，6]。陳學(xué)民等[7]利用微小雙胸蚓處理污泥的試驗(yàn)表明，在培養(yǎng)蚯蚓30 d后污泥中重金屬明顯減少；劉鴻雁等[8]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓能富集造紙污泥中的重金屬，處理后的污泥中Zn和Cu的去除率平均為19.6%和39.7%。

然而已有的污泥蚯蚓堆肥試驗(yàn)采用的是成熟的蚯蚓，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)培養(yǎng)料中包含投加的蚯蚓、繁殖的蚯蚓（包括蚓繭、未成熟和成熟的蚯蚓），因此在試驗(yàn)結(jié)束后，蚯蚓的數(shù)量顯著增加。而這4類蚯蚓對(duì)重金屬的富集能力不一樣，因此本試驗(yàn)采用未成熟的蚯蚓。通過(guò)研究污泥理化性質(zhì)對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響和不同比例的污泥和調(diào)理劑（牛糞）對(duì)堆肥中重金屬含量的影響，以及蚯蚓對(duì)污泥中重金屬的富集作用，為污泥的資源化利用，尤其是土地利用和肥料利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

材料：污泥取自山東省煙臺(tái)市辛安河污水處理廠，牛糞取自煙臺(tái)市牟平區(qū)養(yǎng)牛場(chǎng)。污泥和牛糞理化性質(zhì)見(jiàn)表1。秸稈購(gòu)自煙臺(tái)市牟平區(qū)養(yǎng)牛場(chǎng)，為粉碎后的花生蔓。蚯蚓為赤子愛(ài)勝蚓。

儀器：美國(guó)PERKIN ELMER OPTIMA 3300 DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 污泥理化性質(zhì)對(duì)蚯蚓的影響研究 按照表2的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將500 g（干重）培養(yǎng)料裝入相同規(guī)格的塑料花盆中，每盆放入環(huán)帶不明顯的未成熟蚯蚓100條。蚯蚓先用發(fā)酵腐熟的污泥飼養(yǎng)。裝盆時(shí)，先將混合培養(yǎng)料平鋪，然后將蚯蚓和少量原培養(yǎng)料放在混合培養(yǎng)料上的一角。在自然條件下，按照常規(guī)方法管理，飼養(yǎng)2周。1周后調(diào)節(jié)S1-S3處理的含水量至初始水平，調(diào)節(jié)P1-P3的pH至初始水平。表2中久置污泥為自然堆放發(fā)臭的污泥；混合污泥為久置污泥放味后與秸稈按照干物質(zhì)量1∶1混合。含水量和pH處理是在將污泥晾曬后與秸稈按照干物質(zhì)量1∶1混合的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，含水量采用稱重法調(diào)節(jié)至表2的3個(gè)水平；污泥和秸稈混合后其pH為7.82，然后分別用醋酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為5.43和9.24，共3個(gè)水平。

1.2.2 污泥與調(diào)理劑（牛糞）配比對(duì)堆肥中重金屬的消減效果 將放味后的污泥與牛糞分別按干重0∶1、1∶2、1∶1、2∶1、1∶0進(jìn)行配比，放入塑料盆中，每盆盛物料干重500 g。重復(fù)3次。將體長(zhǎng)約3～5 cm、體重約0.25～0.30 g、環(huán)帶不明顯的未成熟赤子愛(ài)勝蚓100條洗凈、擦干放入塑料盆中，控制濕度為60%～70%，在室溫下培養(yǎng)4周。試驗(yàn)結(jié)束后取堆肥產(chǎn)物風(fēng)干，用瑪瑙研缽研細(xì)過(guò)100目尼龍篩，待用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

蚯蚓生長(zhǎng)量測(cè)定：試驗(yàn)結(jié)束后，將每盆蚯蚓撿出計(jì)數(shù)，洗凈、擦干后稱重。

重金屬測(cè)定樣品的前處理：精確稱取樣品0.100 0 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL濃硝酸，2 mL高氯酸，混合均勻，擰緊消解罐， 按程序升溫進(jìn)行微波消解。消解完畢后冷卻至室溫，將消解液轉(zhuǎn)移并定容到50 mL容量瓶中。同時(shí)做平行樣和空白。

樣品的等離子體質(zhì)譜分析：波長(zhǎng)范圍為165～872 nm；射頻功率為1 300 W；入射夾縫為18 mill；出射夾縫為79 mill；霧化氣流量為0.8 L/min；輔助氣流量為0.5 L/min；冷卻氣流量為15 L/min；載氣壓力為0.6 MPa；觀測(cè)模式為水平垂直。 美國(guó)Mill-Qs超純水器。

Hg、As的測(cè)定采用冷原子吸收法。

處理前新鮮污泥與牛糞中各重金屬含量的測(cè)定結(jié)果（均為干重測(cè)定值）見(jiàn)表3。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所測(cè)數(shù)據(jù)均采用SAS、Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的蚯蚓入料床表現(xiàn)

相對(duì)于新鮮污泥，久置污泥堆放腐爛后有明顯的臭味，具有一定的毒性，因此蚯蚓入床慢，3 d后可明顯見(jiàn)到蚯蚓死亡解體后留下的黃色液體。相對(duì)于緊實(shí)新鮮污泥，混合污泥松散，透氣性好，蚯蚓入床快。試驗(yàn)結(jié)束后，新鮮污泥和混合污泥的蚯蚓數(shù)量上差異不顯著，二者是久置污泥的2倍多（表4）。

相對(duì)于70%含水量的培養(yǎng)料，90%含水量的培養(yǎng)料緊實(shí)、透氣性差，因此蚯蚓只在中上層活動(dòng)。而40%含水量的培養(yǎng)料，由于含水量不足，部分蚯蚓死亡后變得干硬，由于培養(yǎng)料下方含水量高于上方，因此只在中下層活動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束后，70%含水量處理的蚯蚓數(shù)量是90%含水量處理的1.56倍，而40%含水量處理的蚯蚓全部死亡。

赤子愛(ài)勝蚓適宜的pH為6～8，pH過(guò)高或過(guò)低都有不良反應(yīng)，如體變形、體節(jié)成鏈珠狀、皮膚變色、脫水萎縮或感覺(jué)遲鈍等。試驗(yàn)中pH為9.24和5.43處理均出現(xiàn)蚯蚓入床慢和死亡的現(xiàn)象；試驗(yàn)結(jié)束后，pH 7.82處理的蚯蚓數(shù)顯著高于其他兩個(gè)處理，分別是pH 9.24和5.43處理的4.01、1.79倍。

2.2 污泥與牛糞配比對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響

蚯蚓體重和條數(shù)的變化反映了蚯蚓對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。本試驗(yàn)選用環(huán)帶不明顯的未成熟蚯蚓，堆肥結(jié)束后各處理未發(fā)現(xiàn)蚓繭。試驗(yàn)結(jié)束后，各處理蚯蚓數(shù)差異不顯著（表5），但各處理蚯蚓總重、平均單條重、個(gè)體平均增重差異顯著，經(jīng)多重比較分析，污泥與牛糞配比為1∶0處理（純污泥處理）的蚯蚓總重量和平均單條重量最高，顯著高于其他4個(gè)處理，而其他4個(gè)處理間無(wú)顯著差異；且純污泥處理的個(gè)體平均增重也處于最高值，顯著高于污泥與牛糞配比為1∶1的處理，但與污泥與牛糞配比為0∶1、1∶2、2∶1的處理間差異不顯著。污泥蚯蚓堆肥試驗(yàn)通常選用環(huán)帶明顯的成熟蚯蚓，這樣隨著蚓繭的產(chǎn)出、孵化就會(huì)產(chǎn)生新老蚯蚓的混合、蚯蚓與蚓繭的混合。而新老蚯蚓、蚯蚓與蚓繭對(duì)重金屬的吸收富集能力不同，這樣給蚯蚓對(duì)重金屬富集能力評(píng)價(jià)帶來(lái)不確定性和不可比性。

2.3 污泥與牛糞配比對(duì)蚯蚓堆肥產(chǎn)物（干重）中重金屬含量的影響

與未處理的新鮮污泥相比，加入蚯蚓的純污泥處理堆肥后產(chǎn)物中Cd、Hg、Pb、B、Ni含量稍微下降，變化幅度為2.68%～5.01%；而Cr、As、Cu、Zn含量上升幅度分別為15.42%、6.16%、3.92%、1.87%。純牛糞處理即污泥與牛糞配比為0∶1處理堆肥后產(chǎn)物中各種重金屬含量都高于新鮮牛糞（表6）。經(jīng)蚯蚓處理前，新鮮污泥中重金屬含量顯著高于新鮮牛糞，雖然發(fā)酵過(guò)程中純污泥處理的某些重金屬含量下降、純牛糞處理的重金屬含量上升，但堆肥后純污泥處理的各種重金屬含量仍然顯著高于純牛糞處理。

除B外，添加污泥處理的各種重金含量顯著高于純牛糞處理。純污泥處理的各種重金屬含量均高于其他各處理，其中Cd、Pb、B、Cu、Zn含量與其他各處理間差異均達(dá)到顯著水平。

添加污泥的4個(gè)處理的Cd、Hg含量都超過(guò)NY 525-2012《有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)，污泥與牛糞配比為1∶0、1∶1處理的Pb含量超標(biāo)，各處理的Cr、As含量都未超標(biāo)。與GB 4284-84（pH≤6.5）相比，污泥與牛糞配比為1∶2、0∶1處理的Cd含量未超標(biāo)；污泥與牛糞配比為1∶1、1∶2、0∶1處理的Hg、Zn含量未超標(biāo)；污泥與牛糞配比為2∶1、1∶1、1∶2、0∶1處理的Cu含量未超標(biāo)；5個(gè)處理的Pb、Cr、As、B、Ni含量都未超標(biāo)。與GB 4284-84（pH≥6.5）相比，所有處理的各重金屬含量都未超標(biāo)。

2.4 蚯蚓對(duì)污泥中重金屬的富集

試驗(yàn)結(jié)束后，純污泥處理的蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量顯著增加（P<0.05），Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的含量是未處理蚯蚓的13.08、2.84、2.75、7.87、4.50、116.80倍（表7）。

重金屬去除率為蚯蚓吸收的重金屬量與原污泥中重金屬總量的比值，反映了污泥中重金屬的去除效果。由表7可知，各重金屬的去除率由高到低依次為Cr、Zn、Cd、Ni、Pb與Cu。但是，即使是重金屬去除率最高的Cr，其去除率也僅為2.64%，蚯蚓對(duì)污泥中重金屬的去除效果不理想。試驗(yàn)蚯蚓對(duì)重金屬去除效率低的原因可能是由于試驗(yàn)中蚯蚓的投放量小，每條蚯蚓對(duì)重金屬的吸收有限，因此蚯蚓吸收的重金屬總量有限，從而導(dǎo)致污泥中重金屬的去除率低。如果要提高重金屬的去除率，最有效的途徑是增加蚯蚓投放量。但過(guò)高的投放量會(huì)影響蚯蚓的生長(zhǎng)，因此蚯蚓的投放量與污泥的比例有待于進(jìn)一步研究。

為了反映蚯蚓對(duì)重金屬的吸收和富集情況，往往根據(jù)蚯蚓體內(nèi)重金屬濃度與試樣中重金屬濃度的比值（K）大小來(lái)判定，當(dāng)K<1時(shí)稱之為吸收系數(shù)，表明蚯蚓對(duì)某種重金屬離子能夠吸收但不富集；K>1時(shí)稱為富集系數(shù)，說(shuō)明蚯蚓不僅可吸收該重金屬離子并能通過(guò)消化過(guò)程進(jìn)行富集。由表7可知，蚯蚓對(duì)Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的吸收系數(shù)K分別為0.06、0.38、0.19、0.35、0.29、0.22，吸收系數(shù)的次序?yàn)閆n>Cr>Cd>Ni>Pb>Cu。徐軼群等[9]的試驗(yàn)表明，蚯蚓對(duì)重金屬Cr、Zn、Pb、Cu、Ni的吸收系數(shù)分別為0.02、0.10、0.06、0.05，0.19，而對(duì)Cd的富集系數(shù)為1.18，對(duì)Cd有較強(qiáng)的富集能力，而對(duì)其他重金屬的富集能力相對(duì)較弱。但馮春[10]的污泥蚯蚓堆肥試驗(yàn)中，K為0.3～0.7，未表現(xiàn)出富集作用。本試驗(yàn)中6種重金屬的K為0.06～0.38，與已有文獻(xiàn)報(bào)道相近。蚯蚓對(duì)重金屬的吸收和富集受到蚯蚓的品種和類型、污泥的理化性質(zhì)等多種因素的影響，因此不同研究的K有所差異。劉小麗[11]的研究表明，污泥中Cd含量低于2 mg/kg時(shí)，在蚯蚓處理60 d后，蚯蚓對(duì)Cd有富集作用，其K為1.68，而含量高于2 mg/kg時(shí)對(duì)Cd就只有吸收作用。本試驗(yàn)未處理的污泥中Cd達(dá)到11.19 mg/kg，即使處理后也為10.89 mg/kg，因此Cd沒(méi)有出現(xiàn)富集作用。

3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，污泥類型、含水量和pH對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)影響顯著。在污泥與牛糞配比試驗(yàn)中，純污泥處理的蚯蚓數(shù)量與純牛糞處理的差異不顯著，而純污泥處理的蚯蚓的總重和平均單條蚯蚓重高于其他與牛糞配比的處理。純污泥處理的蚯蚓體內(nèi)各重金屬含量是處理前蚯蚓體內(nèi)含量的2.84～116.80倍，但未對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響。

污泥蚯蚓堆肥過(guò)程中重金屬的消減，一方面要考慮添加劑的比例和蚯蚓對(duì)重金屬的吸收產(chǎn)生的重金屬相對(duì)稀釋效應(yīng)，另一方面還要考慮堆肥后產(chǎn)物總質(zhì)量的下降所引起的重金屬相對(duì)濃縮效應(yīng)。本試驗(yàn)純污泥處理試驗(yàn)結(jié)束后，Cd、Hg、Pb、B含量明顯高于原污泥；而添加牛糞處理的其他3個(gè)處理中重金屬含量明顯低于原污泥。

已有的污泥蚯蚓堆肥試驗(yàn)采用的是成熟的蚯蚓，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)培養(yǎng)料中包含投加的蚯蚓、繁殖的蚯蚓（包括蚓繭、未成熟和成熟的蚯蚓），因此在試驗(yàn)結(jié)束后，蚯蚓的數(shù)量顯著增加[5，8，10]。而這幾類蚯蚓對(duì)重金屬的富集能力不一樣，因此本試驗(yàn)采用未成熟的蚯蚓，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)未發(fā)現(xiàn)繁殖的蚯蚓。蚯蚓投放量、培養(yǎng)時(shí)間對(duì)重金屬的去除率也有顯著影響。黃春等[2]利用蚯蚓處理污泥試驗(yàn)中，隨蚯蚓投放量的增加而增加，當(dāng)蚯蚓投放量為22.5 g/kg時(shí)，84 d后Mn、Cu、Zn去除率分別為28.80%、28.80%和35.34%。本試驗(yàn)蚯蚓的投放量為10.59 g/kg，并且控制了蚯蚓的繁殖，4周后重金屬去除率最高的Cr也僅為2.64%。

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