不同生活型蚯蚓對污泥處理的效果研究

龔國勇, 羅天相,*, 鄭萍, 楊東, 趙志剛

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不同生活型蚯蚓對污泥處理的效果研究

龔國勇1, 羅天相1,*, 鄭萍1, 楊東2, 趙志剛1

1. 宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院, 江西 宜春 336000 2. 宜春市方科污水處理廠, 江西 宜春 336000

研究報(bào)道了三種不同種蚯蚓接種后污泥的處理效果。28天的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明: 接種蚯蚓, 特別是體型較大的威廉環(huán)毛蚓和杜拉蚓能提高污泥的pH值, 減少污泥中有機(jī)物的含量。接種蚯蚓減少了污泥中全氮、全磷、全鉀的含量, 深層種杜拉蚓顯著降低了污泥中全氮和全磷含量, 較對照處理分別減少了14.3%和10.3%。接種威廉環(huán)毛蚓的處理較對照處理能顯著增加水解性氮和速效鉀的含量。接種杜拉蚓的處理吸收重金屬的效果最佳, Cr和Cu含量均顯著低于對照處理, 威廉環(huán)毛蚓次之, 但優(yōu)于赤子愛勝蚓。結(jié)果顯示, 在大部分項(xiàng)目中, 杜拉蚓和威廉環(huán)毛蚓的作用效果是要優(yōu)于赤子愛勝蚓, 不同生活習(xí)性的蚯蚓對污泥凈化效果會有著一定的不同。

污泥; 理化性質(zhì); 威廉環(huán)毛蚓; 杜拉蚓; 赤子愛勝蚓

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的增加, 市政污水處理廠的處置能力和建設(shè)規(guī)模也得以快速的發(fā)展, 城市污泥的產(chǎn)生量日漸增加并逐漸成為各污水處理廠的一個重點(diǎn)問題。污泥中擁有大量的氮、磷等元素和有機(jī)物質(zhì), 如果利用得當(dāng), 可以成為有機(jī)肥的重要來源。但因剩余污泥中往往含有過量無機(jī)元素及超標(biāo)重金屬物質(zhì), 阻礙了污泥在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景。而市政污泥往往重金屬含量不高, 經(jīng)過預(yù)處理后是蚯蚓理想的取食材料, 越來越多的研究表明接種蚯蚓并堆肥處理后, 能增加污泥中的活性成分, 并有效減少污泥中的有害成分、降低污泥中的重金屬含量, 接種蚯蚓處理市政污泥對于解決剩余污泥的二次污染并實(shí)現(xiàn)資源化利用是一個現(xiàn)實(shí)的選擇。

蚯蚓種類繁多, 全世界已知超過3000種。黃健等報(bào)道中國已知的陸棲蚯蚓來自于后孔寡毛目中的9個科, 28個屬, 共有306種[1]。來自于不同科、屬的蚯蚓個體大小、取食習(xí)性及生理特點(diǎn)等差別很大, 為了提高蚯蚓對城市污泥的處理及凈化效果, 選擇恰當(dāng)?shù)尿痉N來處理污泥、利用蚓糞和分析蚓觸圈的微生境以應(yīng)用于不同種類的廢棄物處置已越來越重要[2]。按照功能劃分, 蚯蚓可以劃分為不同生活型蚯蚓(表層種epigeic, 內(nèi)層種endogeic和深棲種anecic), Khwairakpam等研究了3種蚯蚓品種(赤子愛勝蚓、和掘穴環(huán)爪蚓)處理污泥的情況。實(shí)驗(yàn)表明, 多蚓種混合接種后, 進(jìn)行堆肥處理的污泥指標(biāo)如總有機(jī)碳、礦物質(zhì)氮、BOD、COD和大腸菌群數(shù)量等方面獲得較好結(jié)果, 而單獨(dú)接種某一種蚯蚓, 則更有利于提高污泥中的TP、TK、Na、Ca和碳氮比[3]。通過對上述幾種蚯蚓處理污泥的對比效果研究, Sinha等認(rèn)為表居型是這些蚯蚓中降解有機(jī)廢物和實(shí)現(xiàn)污泥資源化的適宜蚓種[4]。國內(nèi)對于表居型蚓種的研究較多, 一般認(rèn)為表居型蚯蚓具有很好的污泥適應(yīng)性、強(qiáng)大的降解礦化污泥功能, 有助于實(shí)現(xiàn)污泥的減量化, 是城市生活污泥處置的合適蚓種[5]。李秀啟等通過短期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 進(jìn)一步研究了兩種表居型蚯蚓(赤子愛勝蚓、大平2 號)和一種深棲種威廉環(huán)毛蚓對城市污泥的處理效果[6]。在礦化污泥和降解污泥有機(jī)物方面, 蚯蚓作用顯著, 但在pH值與污泥重金屬降解方面, 不同生活型的蚯蚓差異顯著。盡管許多學(xué)者通過利用赤子愛勝蚓等表居型蚯蚓來進(jìn)行城市污泥處置及資源化研究, 但接種其他蚯蚓種類, 特別是不同生活型蚯蚓用于污泥實(shí)驗(yàn)研究卻報(bào)道不多。由于不同生活型的蚯蚓取食習(xí)性和生活習(xí)性差異很大[7], 所以, 它們在污泥的凈化和處置過程中可能會產(chǎn)生不同的效果。

據(jù)此, 本研究將應(yīng)用三種不同生活型蚯蚓(表層種, 內(nèi)層種和深棲種)處置生活污泥, 通過小型培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 了解接種不同生活型蚯蚓后, 污泥理化性質(zhì)、重金屬含量等的變化, 并考察不同蚓種在污泥中的生活狀況, 以期為城市生活污泥處理篩選合適的蚓種。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試蚯蚓為不同生活型蚯蚓。其中, 表層種接種赤子愛勝蚓(); 深棲種亦即上食下居型, 接種威廉環(huán)毛蚓(); 偏內(nèi)層種杜拉蚓(sp.)采自本地; 同時(shí)設(shè)置不接種蚯蚓的對照處理(CK)。接種用蚯蚓均在原污泥中培養(yǎng)一段時(shí)間后, 選擇具有良好活性、同一品種個體大小基本一致的健康蚯蚓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。供試污泥: 取自宜春市方科污水處理廠, 經(jīng)過濃縮和壓濾工藝, 剩余污泥的含水率約為80%, pH值5.68, 污泥本底重金屬含量低于農(nóng)田施用污泥中污染物的最高容許含量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

蚯蚓飼養(yǎng)盆設(shè)在陰涼的室內(nèi), 自然環(huán)境溫度條件下培養(yǎng), 溫度基本保持在16—24 ℃的蚯蚓適合溫度。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)用的塑料容器為口徑24 cm、深20 cm, 底部設(shè)置透氣孔, 為防止蚯蚓從透氣孔逃逸, 容器底部放置無紡布。每個盆缽均裝入2 kg污泥, 放置一天后, 每個盆缽內(nèi)接種100 條赤子愛勝蚓(單條約重0.4 g)或20條威廉環(huán)毛蚓(單條約重2.0 g)或30條杜拉蚓(單條約重1.4 g), 使各盆缽中所接種的蚯蚓總重量基本相當(dāng)。單個處理均設(shè)3重復(fù), 放置在室內(nèi)陰涼處, 盆缽均進(jìn)行遮光處理, 缽內(nèi)污泥濕度大致控制在80%, 28天后, 接種蚯蚓處理污泥實(shí)驗(yàn)結(jié)束, 撿出蚯蚓, 計(jì)算活體蚯蚓數(shù)量并稱重。

2.3 測試方法

全氮測定采用凱氏定氮法; 土壤水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測定; 全磷和有效磷測定采用鉬銻抗比色法測定; 全鉀和速效鉀測定采用火焰光度法測定; TOC 測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法; 重金屬測定采用BCR 法, 用ICP-MS測定提取液中各重金屬元素的含量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)軟件, 蚯蚓生活型與污泥理化性狀及重金屬含量變化間的關(guān)系采用單因素方差分析(ANOVA), 多重比較用最小顯著性差異(LSD)法,<0. 05。

3 結(jié)果與分析

3.1 蚯蚓處理污泥后理化性狀的改變

如表1 所示, 接種蚯蚓后, 污泥的pH 均略有增加(> 0.05)。污泥中pH值的高低會影響蚯蚓的生活與取食。蚓觸圈的pH值一般為6-8, 中性環(huán)境下適宜蚯蚓生活。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)后, 接種威廉環(huán)毛蚓的污泥pH最高上升至5.90, 較對照處理增加了3.9%, 其次為杜拉蚓, 污泥pH上升至5.87, 接種赤子愛勝蚓后污泥pH升高至5.81, 均高于不接種蚯蚓的對照處理5.68。蚯蚓處理后污泥pH升高, 一般認(rèn)為, 通過排泄蚓糞和蚓觸圈等微域, 以及分泌多余的碳酸鹽或鈣質(zhì), 蚯蚓食道內(nèi)的鈣腺能調(diào)節(jié)取食和改變外部微環(huán)境, 從而有助于形成最有利于生長的pH值[8]。在不同類型土壤環(huán)境背景下, 通過測定蚯蚓形成的土壤團(tuán)聚體pH值, 黃福珍發(fā)現(xiàn)蚯蚓有助于改善環(huán)境pH值, 蚯蚓通過取食及活動, 能降低微堿性或堿性土壤的pH值, 另一方面提高酸性土壤的pH值[9]。

實(shí)驗(yàn)過程中, 蚯蚓體重有所增加(>0.05), 蚯蚓吞食了污泥中的有機(jī)質(zhì), 接種蚯蚓后, 污泥的有機(jī)物含量普遍減少, 特別是體型較大的威廉環(huán)毛蚓和杜拉蚓, 盡管接種赤子愛勝蚓后污泥有機(jī)質(zhì)含量略有增加, 但均沒有達(dá)到顯著水平(> 0.05)。蚯蚓是土壤中有機(jī)質(zhì)降解的重要驅(qū)動因素[7], 不同生活型蚯蚓對于污泥有機(jī)質(zhì)含量的影響不盡相同, 深棲種和內(nèi)層種蚯蚓對污泥有機(jī)物消減量的能力基本一致,這兩種生活型蚯蚓攝食習(xí)性比較一致, 在腸道作用、排放蚓糞和土壤發(fā)育的協(xié)同作用下, 蚯蚓分解、破碎和混合有機(jī)質(zhì), 從而達(dá)到削減污泥中過量有機(jī)物的目的[10]。

氮磷鉀等營養(yǎng)元素的含量與植物生長關(guān)系密切, 并決定著土壤的持續(xù)供肥能力, 但城市污水處理過程中容易產(chǎn)生出富含氮磷等元素的污泥, 過量的氮磷如果直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè), 容易流失并加劇水體富營養(yǎng)化態(tài)勢。接種蚯蚓后, 與對照處理相比, 污泥中全氮、全磷、全鉀的含量總體有減少的趨勢。由表1可知, 接種杜拉蚓后, 相比對照污泥之間全氮和全磷含量有顯著的降低(<0. 05), 全氮含量為1.14%, 較對照處理減少了14.3%, 全磷含量為1.65%, 較對照處理減少了10.3%。接種威廉環(huán)毛蚓和赤子愛勝蚓的污泥則與對照處理差異不顯著。接種赤子愛勝蚓污泥中全氮含量顯著高于接種杜拉蚓的處理, 顯示深層種蚯蚓更易導(dǎo)致污泥中氮素的流失。如果沒有外源氮素的施入由于大型蚯蚓取食量大, 消費(fèi)了大量污泥中的微生物, 使微生物群落的礦化和周轉(zhuǎn)加速, 提高了污泥氮素的礦化率, 從而導(dǎo)致了氮的流失[11]。蚯蚓新陳代謝產(chǎn)物如蚓糞等與個體生物量密切相關(guān), 實(shí)驗(yàn)中體型最大的威廉環(huán)毛蚓即取食消耗微生物使氮流失, 又通過大量排放蚓糞等產(chǎn)物將更多的氮素返回到污泥中, 全氮含量并未顯著降低。杜拉蚓降低了污泥中全磷含量, 或許與杜拉蚓在生長過程中對P的需求差異有關(guān)。有研究認(rèn)為, 表居型蚯蚓處理后, 污泥的P 含量是增加的[5], 但考慮到深棲類蚯蚓上下掘洞與取食的行為習(xí)性, 導(dǎo)致P向下移動, 并在蚓糞和蚓觸圈等熱點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)斑塊化分布[12], 所以不同生活型蚯蚓可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分異。

表1 三種不同蚯蚓處理污泥 pH值、有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀的變化

Tab.1 Variation in pH, TOC, TN, TP and TK of vermico-mposting of sewage sludge

注: 表中數(shù)據(jù)為 Mean ± SD,= 3; 同列中不同字母表明不同組間存在顯著性差異(<0.05)。

3.2 蚯蚓處理污泥水解性氮、有效磷、速效鉀的變化

由于包含植物可利用和不可利用的氮、磷、鉀元素, 全氮、全磷、全鉀并不直接決定著污泥肥力的大小。而速效氮、速效磷、速效鉀能被植物直接迅速利用, 或簡單轉(zhuǎn)化后被植物利用, 對于污泥的資源化和減量化有重要的意義, 也是污泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè), 進(jìn)行肥力評價(jià)的一種重要強(qiáng)度指標(biāo)。蚯蚓能提高土壤中可利用氮、磷和鉀的水平[11]。

接種不同種蚯蚓后, 如圖1所示, 污泥中的水解性氮、有效磷、速效鉀均有所增加。蚯蚓腸道內(nèi)、蚓觸圈微生物群落及各種酶類豐富, 對于有機(jī)質(zhì)具有特殊的改造和轉(zhuǎn)化能力, 通過破碎、取食及分解排泄過程, 使污泥中的礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化, 形成植物能夠吸收利用的有效態(tài)如礦物質(zhì)氮、速效性磷和鉀等養(yǎng)分物質(zhì)[13]。與此同時(shí), 蚯蚓取食后排出的蚓糞中也富含可溶性氮、磷、鉀元素, 能促使污泥中肥力的提升。本實(shí)驗(yàn)中, 接種蚯蚓顯著增加了土壤速效鉀的含量, 盡管全鉀含量并沒有增加。蚯蚓即可通過新陳代謝釋放養(yǎng)分, 又可通過微生物發(fā)酵產(chǎn)酸過程產(chǎn)生較多的碳酸和硝酸等, 這些酸能轉(zhuǎn)化污泥中的不溶性鉀, 使之成為可溶性鉀, 從而增加污泥中的速效鉀含量[14]。

在改變污泥水解性氮、有效磷、速效鉀含量方面, 不同生活型的蚯蚓具有不同的效應(yīng)。其中, 接種威廉環(huán)毛蚓的處理較對照處理能顯著增加水解性氮和速效鉀的含量(<0.05), 水解性氮含量高達(dá)1.103 mg·g-1, 比對照處理增加了37%; 接種赤子愛勝蚓處理也顯著增加了污泥中速效鉀的含量, 較對照處理增加了6.9%; 杜拉蚓則沒有顯著增加這些可利用性物質(zhì)的含量(>0.05)。即使接種蚯蚓在相同的生物重量和培養(yǎng)環(huán)境條件下, 由于種類的差異和生活型的分化[15], 蚯蚓取食習(xí)慣和排泄的蚓糞也具有不同的化學(xué)組成和差異性性狀[16], 都可能導(dǎo)致水解性氮、有效磷、速效鉀含量出現(xiàn)分異。

圖1 三種不同蚯蚓處理污泥水解性氮、有效磷、速效鉀的變化

3.3 不同蚯蚓處理污泥重金屬銅、鋅和鉻的變化

污泥中含有一定量的重金屬, 由于重金屬很難在環(huán)境中降解, 限制了剩余污泥的資源化利用途徑。如表2所示, 3種蚯蚓處理后, 污泥中的Cu、Zn和Cr 含量基本均有所降低。接種杜拉蚓的處理吸收重金屬的效果最佳, 較對照處理Cr減少了15.7%, Cu減少了7.2%, 均達(dá)到顯著水平(<0. 05)。接種威廉環(huán)毛蚓處理后重金屬Cr減少了11.7%, Cu減少了6.1%, 亦達(dá)到顯著水平(<0. 05)。與對照處理相比, 接種愛勝蚓污泥處理Cu、Zn和Cr均未達(dá)到顯著水平(>0.05)。

上述結(jié)果表明, 接種不同生活型蚯蚓對降低污泥中的重金屬含量具有不同的效應(yīng), 接種蚯蚓污泥的重金屬含量降低是由于蚯蚓在降解有機(jī)質(zhì)的過程中改變了土壤重金屬的形態(tài)[17], 通過被動吸收或主動攝食, 不同生活型蚯蚓具有選擇性的重金屬富集效果, 主動攝食過程中, 蚯蚓腸背面的黃色細(xì)胞(chloragogen cell)通過取食吸收部分污泥中的重金屬[18]。由于不同生活型蚯蚓體內(nèi)在降解有機(jī)質(zhì)上的差異, 以及蚓糞中具有差異性的酶類和黃色細(xì)胞, 這也是造成不同種蚯蚓對重金屬吸收和改變污泥中重金屬形態(tài)差異性的原因。

城市污泥中鎘含量不高, 多以殘?jiān)问酱嬖? 蚯蚓能有效富集污泥中的鎘素, 最高富集系數(shù)可以達(dá)到16, 隨著鎘素在體內(nèi)的積累, 生理代謝后通過蚓糞將之排出體外[19]。牛明芬等通過接種表層種太平二號處理河流底泥及垃圾, 發(fā)現(xiàn)蚯蚓體內(nèi)的Cd濃度隨培養(yǎng)時(shí)間上升, 蚯蚓對重金屬鎘有明顯的富集作用, 但接種太平二號沒有表現(xiàn)出對其它重金屬元素如Cu、Zn和Pb的富集效應(yīng)[20]?；蛟S不同蚯蚓種以及不同底物濃度都會對蚯蚓的污泥凈化效果產(chǎn)生影響。蚯蚓通過取食破碎食物及消化過程, 轉(zhuǎn)化污泥中的有機(jī)絡(luò)合態(tài)金屬, 并最終獲得離子交換態(tài)及水溶性金屬, 并被生物利用, 這些金屬還能以蚓糞的形式排出體外[21]。由于本實(shí)驗(yàn)所用污泥是市政污泥, 重金屬含量相對較低, 所以三種不同生活型蚯蚓對于Zn沒有表現(xiàn)出富集吸收效應(yīng), 這點(diǎn)與牛明芬等的研究結(jié)果類似。

表2 三種不同蚯蚓處理污泥重金屬銅、鋅和鉻的變化

Tab.2 Variation in Cu, Zn and Cr of vermicomposting of sewage sludge

注: 表中數(shù)據(jù)為 Mean ± SD,= 3; 同列中不同字母表明不同組間存在顯著性差異(<0.05)。

4 小結(jié)與討論

通過短期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 三種蚯蚓都能在城市剩余污泥環(huán)境下取食、活動, 三種生活型蚯蚓體重均有所上升, 市政污水處理剩余的污泥是一種有機(jī)質(zhì)豐富, 氮磷鉀含量較高的基質(zhì), 重金屬含量低且病原菌數(shù)量相對較少, 都有利于蚯蚓的取食和生存。

蚯蚓通過調(diào)節(jié)取食和改變外部微環(huán)境, 從而有助于形成最有利于生長的pH值。體型較大的威廉環(huán)毛蚓和杜拉蚓有助于削減市政污泥中過量有機(jī)物。深層種杜拉蚓顯著降低了污泥中全氮和全磷含量, 對于凈化市政富磷污泥意義更大。接種威廉環(huán)毛蚓顯著增加水解性氮和速效鉀的含量, 從而更有利于處理后的污泥在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中肥效的發(fā)揮。接種杜拉蚓的處理吸收重金屬的效果最佳, Cr和Cu含量均顯著低于對照處理, 威廉環(huán)毛蚓次之, 但優(yōu)于赤子愛勝蚓。

綜合考慮對污泥的凈化和提高可利用性元素方面, 三種生活型蚯蚓表現(xiàn)不盡一致, 深層種如威廉環(huán)毛蚓和杜拉蚓能更好的削減污泥中的重金屬和全氮全磷等物質(zhì), 增加水解性氮和速效鉀的含量, 是較赤子愛勝蚓更好的選擇, 盡管當(dāng)前的短期研究多針對赤子愛勝蚓等表層種展開?？紤]到本次實(shí)驗(yàn)是短期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有許多的局限性, 實(shí)驗(yàn)用盆缽環(huán)境也并不適合內(nèi)層種和深棲種長期的取食生活。蚯蚓處理污泥效果的影響因素很多, 不同生活型蚯蚓對污泥處理的效果研究還需要在更大尺度及更長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步展開。

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Comparative studies on vermicomposting of sewage sludge with different life habits of earthworms

Gong Guoyong1, Luo Tianxiang1,*, Zheng Ping1, Yang Dong2, Zhao Zhigang1

1.Life science, Resource and Environment School, Yichun University, Yichun, Jiangxi 336000, China 2. Fangke Municipal Sewage Disposal Work, Yichun, Jiangxi 336000, China

In order to investigate the effect of vermicomposting, a study of three different life habits of earthworm inoculation on municipal sludge was carried out under 28 days laboratory conditions. The results showed that earthworm (especiallysp. and) inoculation increased pH value, while TOC, TN, TP, TK significantly decreased. Although TN and TP decreased respectively 14.3% and 10.3% after anecic earthworm (sp.) inoculation, hydrolysable nitrogen and available K of vermicomposting of sewage sludge significant increased (< 0.05) in endogeic earthworm () treatment. Allearthworm species accumulated heavy metals as follows Cr>Cu>Zn.sp. exhibited the highest ability to accumulate heavy metals Cr and Cu,wasnot as good assp., but better than. In conclusion, the present study demonstrates that the effect of vermicomposting is species-specific.

sewage sludge; physiochemical properties;;;sp.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.025

X705

A

1008-8873(2017)06-182-06

2017-06-08;

2017-09-27

國家自然科學(xué)基金(31460150); 宜春學(xué)院地方發(fā)展中心研究項(xiàng)目(2015DF031)

龔國勇(1971—), 男, 江西高安人, 講師, 碩士, 主要從事環(huán)境工程研究, E-mail:jxycggy@163.com

羅天相(1973—), 男, 江西南昌人, 教授, 博士, 主要從事土壤生態(tài)學(xué)與農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究, E-mail:ltxls@139.com