立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術研究

尹朝陽，雍 毅，侯 江，趙梁斌

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學研究院,成都 610041;2.四川農業(yè)大學，成都 611134)

前 言

蚯蚓處理污泥技術目前得到了較為廣泛的應用，傳統(tǒng)的大田蚯蚓養(yǎng)殖處理污泥技術具有工藝設備簡單、維護管理方便、能耗低、費用少等特點；但同時也存在占地面積大、處理效率低、易對土壤造成污染等缺點。立體化蚯蚓養(yǎng)殖技術即采用養(yǎng)殖箱，替代土地作為污泥處理的場所，利用機械支架多層疊放，并配套加料機等相關機械設備實現(xiàn)自動化或半自動化。相比于傳統(tǒng)的大田蚯蚓養(yǎng)殖，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個“可控”：一、污染可控：立體化蚯蚓養(yǎng)殖采用養(yǎng)殖箱體，并且放置于機械架上，避免污泥直接接觸土壤，防治滲濾液下滲造成對土壤環(huán)境的污染；二、占地可控：養(yǎng)殖箱體可多層重疊放置，大大降低了占地面積；三、環(huán)境可控：蚯蚓處理污泥技術核心在于蚯蚓的活力，而蚯蚓又受到溫度、濕度影響，立體化蚯蚓養(yǎng)殖由于占地面積減小，且主要位于生產車間內，使得溫度、濕度等環(huán)境控制成為可能。因此從減小占地面積、提高處理效率和工業(yè)化產業(yè)發(fā)展等因素考慮，應加強立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理的研究和推廣。

目前我國在該方面還未開發(fā)實用成熟的工藝體系，但已經進行了相關實驗研究，白春節(jié)等[1]經過研究表明，采用箱式養(yǎng)殖法，利用城市生活污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓是可行的，新鮮污泥一次性投料厚度以小于30cm為宜；梁琦等[2]則基于工程化技術和信息化技術研制了一種高密度蚯蚓養(yǎng)殖設備，并以牛糞為基質，確定了養(yǎng)殖基料配比、基質溫度、增氧時間等；龍明珠[3]就場地選擇、立體養(yǎng)殖架設計、備料、調料等多方面總結出了一套蚯蚓高產立體養(yǎng)殖新技術。本課題組前期對蚯蚓處理污泥的機理進行了初步研究，并建立了相應的動力學模型。本文將深入研究立體式蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術，在基質上建立合理的蚯蚓養(yǎng)殖床層，以保障蚯蚓存活，在此基礎上確定相關工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

基料的選擇不僅取決于蚯蚓的好食性，還要結合擬處理的固體廢物種類及處理目的。根據(jù)實際運行情況，本項目選用三種基料：

黃色脫水污泥：采用活性污泥法產生的普通剩余活性污泥，含水率約60%，表觀呈黃色，下文簡稱“黃色污泥”；

黑色脫水污泥：好氧池曝氣量過小或剩余污泥排放量小，污泥在二沉池停留時間過長，使污泥內部發(fā)生厭氧代謝，表觀形成黑色污泥，含水率約60%，下文簡稱“黑色污泥”；

一次發(fā)酵物料：經過高溫好氧一次發(fā)酵降溫后物料，主要為污泥和秸稈等混合物，C/N約為20～25∶1，含水率50%～55%，下文簡稱一次發(fā)酵物料；采用該種處理方式目的在于代替二次發(fā)酵，并利用蚯蚓生物性能，增加有機肥微生物種類及數(shù)量。三種基料的理化指標統(tǒng)計見表1。

表1 三種基料的理化指標統(tǒng)計

實驗采用蚯蚓為赤子愛勝蚓，養(yǎng)殖箱為60×80×30(H)cm鏤空塑料箱，物料進行一次性添加，添加厚度為40cm?；吓浔葘嶒炛序球窘臃N密度為0.1kg蚯蚓/kg基料。

1.2 方法

本課題將通過觀察法確定基料種類，再采用綜合評價確定基料配比、蚯蚓接種密度等工藝參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 基料的選擇

蚯蚓是蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術的核心，其活力直接影響污泥處理程度及蚯蚓增殖情況。因此該技術應首先保證蚯蚓成活，污泥得到有效處理；并在此基礎上，使得蚯蚓具備一定增殖率。

養(yǎng)殖箱體屬于蚯蚓生存空間，而基料則是蚯蚓食料來源，并構成了蚯蚓的生存環(huán)境。基料對蚯蚓影響主要包括兩方面：

2.1.1 基料直接影響可食性。蚯蚓是腐蝕性動物，含有大量腐敗性有機物的物質遠比秸稈、稻草等草本物質更得蚯蚓喜歡。

2.1.2 蚯蚓生存環(huán)境。溫度、濕度、pH值、透氣性等都將直接影響蚯蚓生存，而基料種類的不同，理化特性也會不一致；基料控制參數(shù)一般為：含水率為60%～70%， pH為6～8， C∶N 20∶1，溫度為15～25℃，同時物料保持一定孔隙率，保證物料內氣體流動。

三種基料污泥處理情況見表2。

表2 三種基料蚯蚓養(yǎng)殖情況對比

由表2及上圖可知，黃色污泥最合適作為蚯蚓食料，其含水率約為60%，pH值呈中性，污泥中含有大量腐敗性有機物，蚯蚓喜食；第6d表面已出現(xiàn)團粒狀蚓糞，11d開始出現(xiàn)蚓繭，表明蚯蚓很好的適應黃色污泥所形成的環(huán)境，21d蚓繭孵化幼蚓，至26d時污泥已經全部轉化為蚯蚓糞。而黑色污泥由于局部處于厭氧狀態(tài)，散發(fā)有H2S、NH3等刺激性氣味，因此造成了蚯蚓逃逸；而且厭氧使得黑色污泥局部呈酸性，蚯蚓接觸后很快死亡，尸體液化；此外隨著時間推移，在空氣中氧氣作用下，黑色污泥逐漸轉向黃色污泥轉化。一次發(fā)酵物料經過一次高溫發(fā)酵后，有機物含量大大減少，物料的性狀發(fā)生根本改變，由塊狀結構轉向團粒結構，且物料中的內部水轉化為間隙水，持水性降低；上述情況導致蚯蚓存活率低，蚯蚓狀態(tài)差，體節(jié)斷裂，行動遲緩；同時基料隨著時間推移并無明顯變化，底部逐漸板結。

圖 污泥表觀特征變化

2.2 基料的配比

經過前期實驗發(fā)現(xiàn)，單純生活污泥比較稠密，缺乏空隙度，長期堆放容易形成厭氧環(huán)境對蚯蚓生存不利，因此可拌入少量調整料，調整料通常選擇廉價且C源豐富的草本類，例如粉碎后的秸稈；同時若需要調整基料酸堿性，則常常添加石灰等堿性物質。但污泥、秸稈混合比例偏大，對整個基料孔隙度改善有限；污泥、秸稈混合比例偏小，則影響蚯蚓喜食度，此外也將增加處理成本，降低污泥處理能力，因此采用綜合評價確定合適的混合比例。

綜合評價的具體方法有許多，各不盡相同，但各種方法的總體思路是一致的，大致可分為熟悉評價對象，確立評價的指標體系，確定各指標的權重，建立評價的數(shù)學模型，評價結果的分析等幾個環(huán)節(jié)。其中確立指標體系，確定各指標權重，建立數(shù)學模型這三個環(huán)節(jié)是綜合評價的關鍵環(huán)節(jié)。

2.2.1 確立指標體系

確立指標體系即篩選試驗指標，試驗指標的選取應遵循簡單性、獨立性、代表性、可行性的原則，其中目的性是出發(fā)點，本實驗目的主要是保證污泥得到有效處理及蚯蚓增殖。其中有效處理可采用處理能力、處理周期代表，蚯蚓增殖則可通過存活率、蚯蚓個體體重及蚓繭個數(shù)代表。

2.2.2 實驗組織及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)實際情況及經驗數(shù)據(jù)，確定五組實驗方案，其中單個試驗箱秸稈添加量均為1.8kg，污泥添加量分別為10kg、9kg、8kg、7kg、6kg，重量比依次為：5.5∶1、5∶1、4.5∶1、3.9∶1、3.3∶1。設置三組平行實驗，分別測定上述指標，然后取算數(shù)平均值，詳見表3。

表3 基料配比實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.2.3 指標的無量綱化處理

為解決各評價指標不同屬性之間數(shù)值上相差懸殊問題，對各指標進行無量鋼化處理即一致化處理。評價指標包含極大型、極小型、居中型及區(qū)間型，本實五項指標中處理周期為極小型，因此首先將其轉化為極大型指標(公式1)。

無量綱化方法包含標準化處理方法、極值處理方法、線性處理方法、歸一化處理方法、向量規(guī)范法等。各種方法具有不同特點，結合本實驗特點，選用歸一化處理方法(公式2)。

(1)

(2)

2.2.4 指標權重

指標的權重是指標評價過程中其相對重要程度的一種主觀客觀度量的反映，結合本實驗目的(污泥得到有效處理及蚯蚓得到增殖)及評價指標特點，確定處理周期權重為0.2、處理能力為0.2、存活率0.25、蚯蚓個體體重0.25及蚓繭個數(shù)0.1。

2.2.5 評價方法

評價方法包含很多種，根據(jù)各評價方法所依據(jù)的理論基礎，綜合評價方法主要分為專家評價法、運籌學與其他數(shù)學方法及新型評價方法等。本實驗各評價指標擁有完成的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可采用加權和評價法(公式3)。

(3)

其中Vi為第i種實驗方案的加權和(總分值)，Wij為第i方案第j指標加權值。經過計算五種實驗方案加權和見表4。

表4 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(基料配比)

經過計算，實驗方案二為0.222，加權和最高，因此采用實驗方案二，即污泥、秸稈重量比為5∶1 最優(yōu)。

2.3 蚯蚓接種密度

在確定基料配比后，還需要確定蚯蚓接種密度，蚯蚓是污泥處理的主要因素，在養(yǎng)殖箱容積確定后，蚯蚓接種密度高則可較快速處理污泥，但同時也會造成購置蚯蚓成本增加、蚯蚓增殖率低。為了確定合適的接種密度，確定A、B、C、D、E五種接種密度，分別為0.05、0.08、0.1、0.12、0.15kg蚯蚓/kg基料。選取處理周期、存活率、蚯蚓重量、產卵率、購置蚯蚓成本五個指標，權重分別為0.3、0.25、0.25、0.1及0.2，評價方法同樣采用加權和評價法，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。

表5 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(蚯蚓接種密度)

經過計算，實驗方案三為0.205，加權和最高，因此采用實驗方案三，即0.1kg蚯蚓/kg基料最優(yōu)。

2.4 生活污泥處理效果評估

經過上述實驗，確定基料主料為黃色污泥，污泥、秸稈重量比為5∶1，蚯蚓接種密度為0.1kg蚯蚓/kg基料，在此基礎上進行污泥處理效果評估。處理前后各指標詳見表6。

表6 生活污泥處理前后指標對比

由表6可知，經過蚯蚓處理后，基料總重由15kg降低至12.8kg，削減比例為14.67%，其中TOC由28.3%將至22.4%，削減比為20.85%，TN由1.48%降至1.21%，削減比為18.2%；同時蚯蚓重量由0.75kg提升至0.92kg，增殖率為22.67%。

2.5 過程污染控制

立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術本身屬于固體廢物治理工程，但它作為一個工程項目，運行期間將產生一定污染物，主要包含廢氣、廢水及固體廢棄物等。

2.5.1 廢氣收集與處理

廢氣主要來源于污泥貯存及污泥處理車間，為污泥中有機物在厭氧條件下分解產生的含H2S、NH3、CH3SH、CH3SCH、(CH3)3N、CH3SSCH3、CS2、苯乙烯、CH4、糞臭素、吲哚等有機組分氣體。針對該類型廢氣處理工藝主要為天然植物提取液技術、化學洗滌技術、活性氧技術、以及生物濾床技術等?；瘜W洗滌技術占地面積小，可隨時調整洗滌液成分，除臭針對性強，可作為大型企業(yè)除臭主體工藝首選。雍毅[4]課題組研發(fā)的多功能蚯蚓養(yǎng)殖床(專利號201420308865X)設置了卵石層，卵石層中的微生物可降解被水膜吸附的有機物，并在卵石表面形成生物膜，從而具備了處理臭氣的功能，屬于生物濾床技術的一種，在蚯蚓養(yǎng)殖的同時，就可進行氣體脫臭處理。由于立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術中單個養(yǎng)殖單元污泥厚度在30cm左右，可大大減少厭氧作用，使得臭氣產生量減小，因此處理車間內換氣次數(shù)控制在8～10次/h即可，并據(jù)此計算處理風量。而污泥儲存池內污泥量大，污泥堆積厚度高，因此換氣次數(shù)應保持在20次/h以上。

2.5.2 廢水處理

立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術主要在養(yǎng)殖箱體內實現(xiàn)，基料持水率好，無需進行人工噴水等，因此基本無生產廢水產生；因此產生廢水主要為生活污水，結合排放標準，選擇現(xiàn)有成熟二級生化處理工藝處理達標即可，或者末端增加深度處理工藝，滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質》(GB/T 18921)后排至清水池，然后作為綠化用水等。

2.5.3 固體廢棄物處理

本技術本身屬于固體廢物治理工程，污泥經過轉化，且檢測合格后作為有機肥料外售，增殖蚯蚓也作為餌料外售，產生的二次固體廢物主要為較粗大的碳源基料，可進行二次回收利用。生活垃圾納入城鎮(zhèn)生活垃圾收運體系，項目區(qū)產生的的樹枝、枯葉等庭院垃圾可破碎后一同作為基料。

3 結 語

本文通過實驗研究，黃色污泥含有大量腐敗性有機物，pH值呈中性，最合適作為蚯蚓食料；而結合處理周期、處理能力、存活率、蚯蚓個體體重及蚓繭個數(shù)等指標，采用綜合評價法確定基料配比為3.9∶1(污泥∶秸稈)，蚯蚓接種密度為0.1kg蚯蚓/kg基料。此外還提出了過程污染控制技術，旨在為立體化蚯蚓污泥養(yǎng)殖處理技術的應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。在環(huán)保要求日趨嚴格及土地資源逐步緊缺的情況下，污染可控、處理高效的立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術必然是蚯蚓生物污泥處理技術的發(fā)展趨勢，下一步工作中將繼續(xù)開展配套機械研發(fā)，實現(xiàn)立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術半自動化或自動化。