蚯蚓動(dòng)物反應(yīng)器如何提高處理污泥的效率

　　1 引言

　　脫水污泥是污水處理廠污水處理的副產(chǎn)物，它是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體等組成的非均質(zhì)體，成分較為復(fù)雜.目前，我國大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠常采用的方法是將污泥適當(dāng)濃縮后再進(jìn)行土地填埋，但這種處置方法存在土地資源浪費(fèi)、填埋場滲濾液污染及填埋場廢氣污染等問題.隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)生量日漸龐大，但目前處理水平有限，因此，城市污泥如果得不到及時(shí)有效的處理與再利用，不僅是一種資源的浪費(fèi)，還會(huì)成為環(huán)境污染的一大隱患.

　　粉綠狐尾藻作為一種常見的水生植物，同時(shí)也是利用生態(tài)濕地凈化污水的副產(chǎn)品，對其常用的處理方法是風(fēng)干后制作生物能源或動(dòng)物飼料，但處理成本較高，不適宜作為長期的處理措施.為了不影響濕地技術(shù)發(fā)展和對環(huán)境造成二次污染，應(yīng)亟需開發(fā)水生植物(狐尾藻)的其它用途.

　　綜合考慮脫水污泥和濕地植物處理的問題，利用蚯蚓特殊的生態(tài)學(xué)功能及其與環(huán)境中微生物的協(xié)同作用來構(gòu)筑生物反應(yīng)器，將污泥和植物中的有效養(yǎng)分高效地轉(zhuǎn)化為生物有機(jī)肥，既可以為污泥資源化和產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持，又能夠達(dá)到同步處理兩種廢棄物的目的，對建設(shè)有生態(tài)濕地的中小型城鎮(zhèn)污水廠來說，是一種理想的處理方法.但污泥與狐尾藻的含水量較高，同時(shí)污泥過細(xì)的顆粒組分也不利于蚯蚓的生存，需要外源添加一些物質(zhì)來改善其結(jié)構(gòu)，提高蚯蚓堆肥的處理效率.

　　作為一種常用的物理填料，珍珠巖具有價(jià)格便宜，孔隙度大等特點(diǎn)，其顆粒表面的許多空洞為保持水分和營養(yǎng)成分提供了豐富的表面積，能夠有效地改善污泥顆粒組分過細(xì)等問題，改善污泥及其混合物中蚯蚓的生存環(huán)境.因此，本研究以脫水污泥-狐尾藻為處理對象，通過添加珍珠巖來改善混合物的物理性狀，利用蚯蚓反應(yīng)器對兩種廢棄物進(jìn)行同步處理，作為對污泥-濕地植物資源化模式的一種嘗試.

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗(yàn)材料

　　供試污泥樣品為浙江省臨安污水處理廠脫水污泥，其理化性質(zhì)見表 1.供試植物為狐尾藻，采自臨安污水廠尾水生態(tài)濕地，其含水量為89.62%.珍珠巖購自杭州市園藝市場，其含水量為1.23%，容重0.12 g · cm-3.供試蚯蚓為“太平二號(hào)”，取自揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)場，引種后室內(nèi)馴化繁育3個(gè)月以上.

　　表1 試供污泥理化性質(zhì)

　　2.2 試驗(yàn)方法

　　采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同的珍珠巖添加比例，分別為2%、4%、8%、12%和16%，同時(shí)以未添加珍珠巖的處理作為對照(CK)，各處理重復(fù)3次.反應(yīng)容器規(guī)格為上直徑13.5 cm、下直徑9.5 cm、高11 cm的塑料盆，底部有透水孔并墊有濾紙，防止蚯蚓逃逸.

　　試驗(yàn)前處理：將狐尾藻粉碎成0.5~1.0 cm小塊，以m(污泥)∶ m(狐尾藻)=70 ∶ 30混合均勻，再將其與不同比例的珍珠巖混合均勻后裝入反應(yīng)容器內(nèi)，保持每個(gè)樣品在自然壘結(jié)狀態(tài)下體積一致，保持在反應(yīng)容器內(nèi)標(biāo)簽對應(yīng)的刻度“7.5(相對體積)”，容器中加入20條生長情況基本一致的太平二號(hào)蚯蚓.各處理均在常溫、陰暗處進(jìn)行，試驗(yàn)周期為15 d.

　　試驗(yàn)觀測并記錄反應(yīng)器中混合物體積和質(zhì)量變化情況;測定收獲前后鮮樣pH和EC值，風(fēng)干樣測定有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和重金屬，試驗(yàn)結(jié)束后測定蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量.

　　理化性質(zhì)測定參考土壤農(nóng)化分析相關(guān)方法：pH和EC值采用Mettler-Toledo型pH計(jì)測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定;速效磷采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定;重金屬以HNO3-HClO3-HF(5 ∶ 1 ∶ 1)消煮后采用ICP-MS進(jìn)行測定.

　　2.3 數(shù)據(jù)處理

　　采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05).

　　3 結(jié)果與分析(Results and analysis) 3.1 蚯蚓生物反應(yīng)器處理前后混合物的減量化情況

　　如圖 1a所示，與反應(yīng)前各試驗(yàn)組相比，混合物質(zhì)量在處理后均呈不同程度的下降，降幅在32.14%~40.42%之間，但組間差異不明顯.各試驗(yàn)組混合物體積在處理后呈顯著下降的趨勢(圖 1b).其中，最大降幅為2%珍珠巖組的48.67%，其次為CK處理的41.33%和4%珍珠巖組的35.34%，其余3組降幅在20.00%~22.00%之間，組間差異不明顯.此變化趨勢可總結(jié)為：隨珍珠巖添加比例的增大，處理后混合物體積降幅呈減小的趨勢，最終當(dāng)珍珠巖比例上升到一定值后，混合物體積降幅趨于一個(gè)相對穩(wěn)定的水平.

　　圖 1 不同比例珍珠巖處理混合物質(zhì)量減量化(a)和體積減量化(b)情況

　　3.2 蚯蚓生物反應(yīng)器處理前后混合物中有機(jī)質(zhì)含量的變化

　　如圖 2所示，混合物中有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為顯著降低，降幅在28.76%~45.40%之間，最大降幅為4%珍珠巖組.

　　圖 2 不同比例珍珠巖處理混合物有機(jī)質(zhì)減量化情況

　　3.3 蚯蚓生物反應(yīng)器處理前后混合物中堿解氮和速效磷含量的變化

　　經(jīng)蚯蚓生物反應(yīng)器處理后，混合物中堿解氮與速效磷的含量發(fā)生了顯著變化.與純污泥(表 1)相比，各試驗(yàn)組中堿解氮均呈不同程度的下降(圖 3)，降幅在6.05%~13.08%之間.混合物中速效磷的含量均表現(xiàn)為顯著增加，平均增幅為22.45%，其中，增幅最大的為4%珍珠巖組，達(dá)到38.09%，其次為8%珍珠巖組，達(dá)33.29%.

　　圖 3 不同處理?xiàng)l件下化合物中堿解氮(a)和速效磷(b)含量的變化情況

　　3.4 蚯蚓生物反應(yīng)器處理前后混合物pH和EC值的變化

　　處理前后各試驗(yàn)組混合物的pH均呈不同程度的降低，總體表現(xiàn)為由弱堿性向弱酸性轉(zhuǎn)變.進(jìn)一步分析可得，隨著珍珠巖添加比例的增加，處理前后混合物的pH呈先減小后增大的趨勢.其中，以8% 珍珠巖試驗(yàn)組的降幅最大，為9.18%.各試驗(yàn)組的EC值在處理后均顯著升高，處理后的EC值在2.75~5.25 mS · cm-1之間，呈隨珍珠巖添加比例增加而增加的趨勢，平均增幅達(dá)到27.34%.

　　表2 處理前后混合物pH和EC值的變化

　　3.5 蚯蚓生物反應(yīng)器處理前后混合物和蚯蚓體內(nèi)重金屬含量的變化

　　經(jīng)反應(yīng)器處理后，混合物和蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量發(fā)生了一定的變化.如表 3所示，當(dāng)珍珠巖添加比例在8%以上時(shí)，處理后重金屬Cu、Pb和Cr含量均表現(xiàn)為降低;處理后Cd和As含量有所升高，但變化不明顯.此外，從表 3中的數(shù)據(jù)分析可知，珍珠巖添加比例對混合物中重金屬含量的減少也有一定的影響，大致可概括為隨著珍珠巖比例的增加，污泥中重金屬含量的減幅也越大，其原因同樣可能是因?yàn)槲勰辔锢斫Y(jié)構(gòu)的改變改善了蚯蚓的生長環(huán)境，繼而促進(jìn)了蚯蚓對重金屬降低的直接和間接作用.

　　表3 處理前后混合物中重金屬的含量

　　反應(yīng)后蚯蚓體內(nèi)的Cu、Pb、Cr含量均呈一定程度的升高，而Cd和As則表現(xiàn)為明顯降低(表 4)，這表明蚯蚓對重金屬的積累具有一定的選擇性.

　　表4 處理前后蚯蚓中重金屬的含量

　　4 討論

 　　4.1 處理前后混合物減量化效果比較

　　處理前后混合物質(zhì)量呈減小的趨勢，這與反應(yīng)體系中水分和有機(jī)質(zhì)的消耗有關(guān)，體積減量化趨勢在4%以上比例珍珠巖處理中表現(xiàn)不明顯.前人研究中鮮有涉及污泥-狐尾藻混合物處理后減量化的數(shù)據(jù)和結(jié)論，針對本試驗(yàn)中添加4%以上比例珍珠巖組間體積減少趨勢不明顯的結(jié)論，推測可能是珍珠巖改變了混合物原有的物理結(jié)構(gòu)，雖然在處理過程中混合物質(zhì)量呈減少的趨勢，但因?yàn)槲勰嘀刑砑拥恼渲閹r對混合物結(jié)構(gòu)體系起到了一定的支撐作用，相當(dāng)于增加了混合物的孔隙度，而試驗(yàn)過程中又未涉及翻堆、壓實(shí)等操作，因而減緩了混合物體積的減少.

　　4.2 處理前后混合物有機(jī)質(zhì)和氮磷變化規(guī)律

　　混合物中有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為顯著降低，前人在研究中也得到了蚯蚓堆肥后有機(jī)質(zhì)降低的結(jié)論.在實(shí)驗(yàn)中得出有機(jī)質(zhì)含量減少的原因?yàn)椋候球径逊侍幚砑铀倭宋⑸�物的分解作用和有機(jī)殘余物的同化.同時(shí)，前人在研究中也鮮有提及利用蚯蚓堆肥技術(shù)同步處理污泥和水生植物過程中混合物有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，處理過程中有機(jī)質(zhì)含量呈先稍有增高后顯著降低的趨勢，猜測出現(xiàn)的原因可能為：部分蚯蚓在處理前期因無法適應(yīng)混合物的環(huán)境致死并被降解，從而導(dǎo)致了體系中有機(jī)質(zhì)含量的增加.但隨著處理時(shí)間的延長，這些額外帶入反應(yīng)器中的有機(jī)質(zhì)與體系中固有的有機(jī)質(zhì)均被存活下來的蚯蚓分解，進(jìn)而使得體系中有機(jī)質(zhì)的含量下降，并最終呈顯著降低的趨勢.

　　處理前后混合物堿解氮表現(xiàn)為明顯降低，速效磷含量增加.前人的研究多集中在對全氮含量的變化而對堿解氮的變化提及較少，但從原理上分析可達(dá)一致在研究中提到，全氮含量降低可能是在蚯蚓堆肥處理前期，大量氨態(tài)氮釋放到環(huán)境中造成了氮的損失.因此可推測，導(dǎo)致本試驗(yàn)中堿解氮下降的主要原因同樣是體系中的氨態(tài)氮在處理過程中的揮發(fā).速效磷增加的趨勢與現(xiàn)階段國內(nèi)外研究結(jié)論一致.認(rèn)為，蚯蚓堆肥技術(shù)是一種使不易被植物直接利用的磷轉(zhuǎn)化為易被植物直接吸收利用磷的有效技術(shù)，堆肥后產(chǎn)物中磷的增加主要是由于蚯蚓體內(nèi)酶對物料的直接作用及微生物的間接刺激作用.

　　4.3 處理前后混合物pH和EC值變化規(guī)律

　　處理前后各試驗(yàn)組混合物的pH均呈不同程度的降低，其變化趨勢與前人的研究結(jié)果一致.經(jīng)分析可得，在蚯蚓和微生物的作用下，混合物中有機(jī)質(zhì)分解所產(chǎn)生的大量有機(jī)酸是導(dǎo)致反應(yīng)體系pH值降低的主要原因.同時(shí)，污泥中氮磷礦化所生成的亞硝酸鹽/硝酸鹽和正磷酸鹽同樣會(huì)導(dǎo)致體系中pH的下降.處理后EC值表現(xiàn)為顯著升高，作為衡量水溶性鹽的一個(gè)重要指標(biāo)，混合物EC值升高的原因可能是有機(jī)質(zhì)的降解損失和各種礦質(zhì)鹽份(如磷酸鹽、銨鹽和鉀鹽等)的釋放.

　　4.4 處理前后混合物重金屬變化規(guī)律

　　處理后混合物中部分重金屬含量降低的趨勢與前人的研究結(jié)果一致.在其研究中指出，重金屬可以通過蚯蚓的吸收作用而在蚯蚓體內(nèi)富集，主要途徑包括被動(dòng)擴(kuò)散作用和攝食作用.前者是重金屬等污染物從土壤、污泥溶液穿過體表進(jìn)入蚯蚓的體內(nèi);后者則是通過吞食作用使重金屬進(jìn)入蚯蚓體內(nèi)，并在其內(nèi)臟器官中完成吸收作用.作為在反應(yīng)中起主要作用的蚯蚓，處理前后不同的重金屬在其體內(nèi)的含量有不同的變化趨勢，其中，重金屬Cu、Pb和Cr表現(xiàn)為在其體內(nèi)增加，而Cd和As則表現(xiàn)為減少，這與污泥中重金屬的變化趨勢相符.此外，有相關(guān)文獻(xiàn)表明，除了由蚯蚓的直接吸收富集作用使污泥中重金屬含量減少外，蚯蚓對重金屬還存在一定的間接作用，即蚯蚓具有很強(qiáng)的吞食能力，其消化道分泌的酶類物質(zhì)、碳酸鹽類物質(zhì)和膠粘物質(zhì)，可對部分重金屬產(chǎn)生螯合或固定，使得重金屬的有效性降低.

　　4.5 限制處理后混合物應(yīng)用的相關(guān)因素

　　限制城市污泥農(nóng)用的一個(gè)因素是污泥中病原菌等有毒有害物質(zhì)的存在.本試驗(yàn)雖未對蚯蚓生物反應(yīng)器處理后混合物中病原菌的數(shù)量進(jìn)行測定，但已經(jīng)陸續(xù)有研究表明，蚯蚓可以去除城市污泥中的有毒有害物質(zhì)，使污泥性質(zhì)穩(wěn)定、無臭、不生蛆.高紅莉等在其研究中表明，經(jīng)蚯蚓堆肥處理后，城市污泥中的病原菌等有害物質(zhì)含量能被有效降低.即使有部分病原菌在一定條件下會(huì)再生，但施入土壤后，土著微生物有阻止這些病原菌再生的作用.因此推測，經(jīng)蚯蚓生物反應(yīng)器處理的污泥施入土壤中不會(huì)引起病原菌的污染.

　　另一個(gè)限制污泥農(nóng)用的因素是污泥中重金屬的含量.我國GB4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了農(nóng)用污泥中各類污染物(主要為重金屬)的最高容許含量.對比本試驗(yàn)處理產(chǎn)物中的5種重金屬含量，均達(dá)到了在pH>6.5的中性和堿性土壤上的施用標(biāo)準(zhǔn).同樣，限制蚯蚓被用作動(dòng)物蛋白飼料的一個(gè)重要因素是其體內(nèi)重金屬的含量.由于目前我國未曾出臺(tái)關(guān)于動(dòng)物蛋白中重金屬含量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以無法判斷被用于試驗(yàn)后的蚯蚓能否作為動(dòng)物蛋白飼料的原料.但如上文分析及表 4所示，只要蚯蚓體內(nèi)重金屬的含量在合理的范圍之內(nèi)，不難相信其具有可作為一種新型動(dòng)物蛋白飼料投入使用的潛力.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結(jié)論

　　在污泥-狐尾藻體系中添加珍珠巖可以增加混合物的孔隙率和透氣性，為蚯蚓創(chuàng)造適宜的生長和繁殖環(huán)境，從而提高反應(yīng)器對混合物的處理效果，經(jīng)蚯蚓生物反應(yīng)器處理后，處理產(chǎn)物品質(zhì)均達(dá)到了在中性和堿性土壤上的施用標(biāo)準(zhǔn).綜合考慮不同比例珍珠巖對反應(yīng)體系的影響，在污泥-狐尾藻中添加4%的珍珠巖，既能保證對污泥處理的減量化效果，其對污泥中有機(jī)質(zhì)降解效果好，產(chǎn)物pH和EC適宜，速效磷含量高，處理產(chǎn)物品質(zhì)佳，處理產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率也最高.