污泥蚯蚓堆肥过程中蚯蚓对污泥的适应性及重金属消减的影响

摘要：通过研究污泥理化性质对蚯蚓生长的影响和不同比例的污泥和调理剂（牛粪）对堆肥产品中重金属含量的影响，以及蚯蚓对污泥中重金属的消减作用，为污泥的资源化利用提供参考依据。结果表明，新鲜污泥处理和混合污泥处理的蚯蚓数量显著高于久置污泥；70%含水量处理的蚯蚓数最多，显著高于90%和40%含水量处理，其中40%含水量处理的蚯蚓全部死亡；pH 7.82时蚯蚓数最多，与pH 5.43和pH 9.24处理时的差异达显著水平。污泥与牛粪混合培养蚯蚓的试验中，各处理间蚯蚓数量差异不显著，但纯污泥处理的蚯蚓总重和平均单条重显著高于其他处理，且各重金属含量均高于其他各处理，其中Cd、Pb、B、Cu、Zn含量与其他各处理间差异均达显著水平。试验结束后，纯污泥处理的蚯蚓体内各重金属含量是未处理蚯蚓的2.84～116.80倍，重金属去除率为0.46%～2.64%，吸收系数为0.06～0.38。

关键词：污泥；蚯蚓；重金属

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）01-0062-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.01.018

污泥中含有一定量的重金属元素和病毒、病原体、寄生虫卵等有害物质[1]。重金属含量较高的污泥施于农田，会对植物和动物产生危害，并通过食物链的传递最终对人类产生毒害作用[2]。《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284-84）对污泥的有害物质含量和施用做了严格的规定。

蚯蚓堆肥处理法是在有机物料中放养蚯蚓，在微生物和蚯蚓的共同作用下，有机物质变为稳定的腐殖质[3，4]。蚯蚓可以通过被动扩散作用和摄食作用吸收污泥中的重金属。影响蚯蚓对污泥中重金属的消减效果的因素包括温度、湿度、污泥中重金属含量、C/N、有机质含量、pH、投放密度、培养时间等[5，6]。陈学民等[7]利用微小双胸蚓处理污泥的试验表明，在培养蚯蚓30 d后污泥中重金属明显减少；刘鸿雁等[8]研究发现，蚯蚓能富集造纸污泥中的重金属，处理后的污泥中Zn和Cu的去除率平均为19.6%和39.7%。

然而已有的污泥蚯蚓堆肥试验采用的是成熟的蚯蚓，试验结束时培养料中包含投加的蚯蚓、繁殖的蚯蚓（包括蚓茧、未成熟和成熟的蚯蚓），因此在试验结束后，蚯蚓的数量显著增加。而这4类蚯蚓对重金属的富集能力不一样，因此本试验采用未成熟的蚯蚓。通过研究污泥理化性质对蚯蚓生长的影响和不同比例的污泥和调理剂（牛粪）对堆肥中重金属含量的影响，以及蚯蚓对污泥中重金属的富集作用，为污泥的资源化利用，尤其是土地利用和肥料利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

材料：污泥取自山东省烟台市辛安河污水处理厂，牛粪取自烟台市牟平区养牛场。污泥和牛粪理化性质见表1。秸秆购自烟台市牟平区养牛场，为粉碎后的花生蔓。蚯蚓为赤子爱胜蚓。

仪器：美国PERKIN ELMER OPTIMA 3300 DV型电感耦合等离子体发射光谱仪。

1.2 试验方法

1.2.1 污泥理化性质对蚯蚓的影响研究 按照表2的试验设计，将500 g（干重）培养料装入相同规格的塑料花盆中，每盆放入环带不明显的未成熟蚯蚓100条。蚯蚓先用发酵腐熟的污泥饲养。装盆时，先将混合培养料平铺，然后将蚯蚓和少量原培养料放在混合培养料上的一角。在自然条件下，按照常规方法管理，饲养2周。1周后调节S1-S3处理的含水量至初始水平，调节P1-P3的pH至初始水平。表2中久置污泥为自然堆放发臭的污泥；混合污泥为久置污泥放味后与秸秆按照干物质量1∶1混合。含水量和pH处理是在将污泥晾晒后与秸秆按照干物质量1∶1混合的基础上进行的，含水量采用称重法调节至表2的3个水平；污泥和秸秆混合后其pH为7.82，然后分别用醋酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH为5.43和9.24，共3个水平。

1.2.2 污泥与调理剂（牛粪）配比对堆肥中重金属的消减效果 将放味后的污泥与牛粪分别按干重0∶1、1∶2、1∶1、2∶1、1∶0进行配比，放入塑料盆中，每盆盛物料干重500 g。重复3次。将体长约3～5 cm、体重约0.25～0.30 g、环带不明显的未成熟赤子爱胜蚓100条洗净、擦干放入塑料盆中，控制湿度为60%～70%，在室温下培养4周。试验结束后取堆肥产物风干，用玛瑙研钵研细过100目尼龙筛，待用。

1.3 测定项目与方法

蚯蚓生长量测定：试验结束后，将每盆蚯蚓捡出计数，洗净、擦干后称重。

重金属测定样品的前处理：精确称取样品0.100 0 g，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL浓硝酸，2 mL高氯酸，混合均匀，拧紧消解罐， 按程序升温进行微波消解。消解完毕后冷却至室温，将消解液转移并定容到50 mL容量瓶中。同时做平行样和空白。

样品的等离子体质谱分析：波长范围为165～872 nm；射频功率为1 300 W；入射夹缝为18 mill；出射夹缝为79 mill；雾化气流量为0.8 L/min；辅助气流量为0.5 L/min；冷却气流量为15 L/min；载气压力为0.6 MPa；观测模式为水平垂直。 美国Mill-Qs超纯水器。

Hg、As的测定采用冷原子吸收法。

处理前新鲜污泥与牛粪中各重金属含量的测定结果（均为干重测定值）见表3。

1.4 数据处理

所测数据均采用SAS、Excel软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理的蚯蚓入料床表现

相对于新鲜污泥，久置污泥堆放腐烂后有明显的臭味，具有一定的毒性，因此蚯蚓入床慢，3 d后可明显见到蚯蚓死亡解体后留下的黄色液体。相对于紧实新鲜污泥，混合污泥松散，透气性好，蚯蚓入床快。试验结束后，新鲜污泥和混合污泥的蚯蚓数量上差异不显著，二者是久置污泥的2倍多（表4）。

相对于70%含水量的培养料，90%含水量的培养料紧实、透气性差，因此蚯蚓只在中上层活动。而40%含水量的培养料，由于含水量不足，部分蚯蚓死亡后变得干硬，由于培养料下方含水量高于上方，因此只在中下层活动。试验结束后，70%含水量处理的蚯蚓数量是90%含水量处理的1.56倍，而40%含水量处理的蚯蚓全部死亡。

赤子爱胜蚓适宜的pH为6～8，pH过高或过低都有不良反应，如体变形、体节成链珠状、皮肤变色、脱水萎缩或感觉迟钝等。试验中pH为9.24和5.43处理均出现蚯蚓入床慢和死亡的现象；试验结束后，pH 7.82处理的蚯蚓数显著高于其他两个处理，分别是pH 9.24和5.43处理的4.01、1.79倍。

2.2 污泥与牛粪配比对蚯蚓生长的影响

蚯蚓体重和条数的变化反映了蚯蚓对环境的适应能力。本试验选用环带不明显的未成熟蚯蚓，堆肥结束后各处理未发现蚓茧。试验结束后，各处理蚯蚓数差异不显著（表5），但各处理蚯蚓总重、平均单条重、个体平均增重差异显著，经多重比较分析，污泥与牛粪配比为1∶0处理（纯污泥处理）的蚯蚓总重量和平均单条重量最高，显著高于其他4个处理，而其他4个处理间无显著差异；且纯污泥处理的个体平均增重也处于最高值，显著高于污泥与牛粪配比为1∶1的处理，但与污泥与牛粪配比为0∶1、1∶2、2∶1的处理间差异不显著。污泥蚯蚓堆肥试验通常选用环带明显的成熟蚯蚓，这样随着蚓茧的产出、孵化就会产生新老蚯蚓的混合、蚯蚓与蚓茧的混合。而新老蚯蚓、蚯蚓与蚓茧对重金属的吸收富集能力不同，这样给蚯蚓对重金属富集能力评价带来不确定性和不可比性。

2.3 污泥与牛粪配比对蚯蚓堆肥产物（干重）中重金属含量的影响

与未处理的新鲜污泥相比，加入蚯蚓的纯污泥处理堆肥后产物中Cd、Hg、Pb、B、Ni含量稍微下降，变化幅度为2.68%～5.01%；而Cr、As、Cu、Zn含量上升幅度分别为15.42%、6.16%、3.92%、1.87%。纯牛粪处理即污泥与牛粪配比为0∶1处理堆肥后产物中各种重金属含量都高于新鲜牛粪（表6）。经蚯蚓处理前，新鲜污泥中重金属含量显著高于新鲜牛粪，虽然发酵过程中纯污泥处理的某些重金属含量下降、纯牛粪处理的重金属含量上升，但堆肥后纯污泥处理的各种重金属含量仍然显著高于纯牛粪处理。

除B外，添加污泥处理的各种重金含量显著高于纯牛粪处理。纯污泥处理的各种重金属含量均高于其他各处理，其中Cd、Pb、B、Cu、Zn含量与其他各处理间差异均达到显著水平。

添加污泥的4个处理的Cd、Hg含量都超过NY 525-2012《有机肥料》标准，污泥与牛粪配比为1∶0、1∶1处理的Pb含量超标，各处理的Cr、As含量都未超标。与GB 4284-84（pH≤6.5）相比，污泥与牛粪配比为1∶2、0∶1处理的Cd含量未超标；污泥与牛粪配比为1∶1、1∶2、0∶1处理的Hg、Zn含量未超标；污泥与牛粪配比为2∶1、1∶1、1∶2、0∶1处理的Cu含量未超标；5个处理的Pb、Cr、As、B、Ni含量都未超标。与GB 4284-84（pH≥6.5）相比，所有处理的各重金属含量都未超标。

2.4 蚯蚓对污泥中重金属的富集

试验结束后，纯污泥处理的蚯蚓体内的重金属含量显著增加（P

重金属去除率为蚯蚓吸收的重金属量与原污泥中重金属总量的比值，反映了污泥中重金属的去除效果。由表7可知，各重金属的去除率由高到低依次为Cr、Zn、Cd、Ni、Pb与Cu。但是，即使是重金属去除率最高的Cr，其去除率也仅为2.64%，蚯蚓对污泥中重金属的去除效果不理想。试验蚯蚓对重金属去除效率低的原因可能是由于试验中蚯蚓的投放量小，每条蚯蚓对重金属的吸收有限，因此蚯蚓吸收的重金属总量有限，从而导致污泥中重金属的去除率低。如果要提高重金属的去除率，最有效的途径是增加蚯蚓投放量。但过高的投放量会影响蚯蚓的生长，因此蚯蚓的投放量与污泥的比例有待于进一步研究。

为了反映蚯蚓对重金属的吸收和富集情况，往往根据蚯蚓体内重金属浓度与试样中重金属浓度的比值（K）大小来判定，当K1时称为富集系数，说明蚯蚓不仅可吸收该重金属离子并能通过消化过程进行富集。由表7可知，蚯蚓对Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni的吸收系数K分别为0.06、0.38、0.19、0.35、0.29、0.22，吸收系数的次序为Zn>Cr>Cd>Ni>Pb>Cu。徐轶群等[9]的试验表明，蚯蚓对重金属Cr、Zn、Pb、Cu、Ni的吸收系数分别为0.02、0.10、0.06、0.05，0.19，而对Cd的富集系数为1.18，对Cd有较强的富集能力，而对其他重金属的富集能力相对较弱。但冯春[10]的污泥蚯蚓堆肥试验中，K为0.3～0.7，未表现出富集作用。本试验中6种重金属的K为0.06～0.38，与已有文献报道相近。蚯蚓对重金属的吸收和富集受到蚯蚓的品种和类型、污泥的理化性质等多种因素的影响，因此不同研究的K有所差异。刘小丽[11]的研究表明，污泥中Cd含量低于2 mg/kg时，在蚯蚓处理60 d后，蚯蚓对Cd有富集作用，其K为1.68，而含量高于2 mg/kg时对Cd就只有吸收作用。本试验未处理的污泥中Cd达到11.19 mg/kg，即使处理后也为10.89 mg/kg，因此Cd没有出现富集作用。

3 讨论

试验结果表明，污泥类型、含水量和pH对蚯蚓的生长影响显著。在污泥与牛粪配比试验中，纯污泥处理的蚯蚓数量与纯牛粪处理的差异不显著，而纯污泥处理的蚯蚓的总重和平均单条蚯蚓重高于其他与牛粪配比的处理。纯污泥处理的蚯蚓体内各重金属含量是处理前蚯蚓体内含量的2.84～116.80倍，但未对蚯蚓生长产生不良影响。

污泥蚯蚓堆肥过程中重金属的消减，一方面要考虑添加剂的比例和蚯蚓对重金属的吸收产生的重金属相对稀释效应，另一方面还要考虑堆肥后产物总质量的下降所引起的重金属相对浓缩效应。本试验纯污泥处理试验结束后，Cd、Hg、Pb、B含量明显高于原污泥；而添加牛粪处理的其他3个处理中重金属含量明显低于原污泥。

已有的污泥蚯蚓堆肥试验采用的是成熟的蚯蚓，试验结束时培养料中包含投加的蚯蚓、繁殖的蚯蚓（包括蚓茧、未成熟和成熟的蚯蚓），因此在试验结束后，蚯蚓的数量显著增加[5，8，10]。而这几类蚯蚓对重金属的富集能力不一样，因此本试验采用未成熟的蚯蚓，试验结束时未发现繁殖的蚯蚓。蚯蚓投放量、培养时间对重金属的去除率也有显著影响。黄春等[2]利用蚯蚓处理污泥试验中，随蚯蚓投放量的增加而增加，当蚯蚓投放量为22.5 g/kg时，84 d后Mn、Cu、Zn去除率分别为28.80%、28.80%和35.34%。本试验蚯蚓的投放量为10.59 g/kg，并且控制了蚯蚓的繁殖，4周后重金属去除率最高的Cr也仅为2.64%。

参考文献：

[1] LIU J Y， SUN S Y. Total concentrations and different fraction of heavy metals in sewage sludge from Guangzhou，China[J].Trans Nonferrous Met Soc China，2013（8）：2397-2406.

[2] 黄 春，郭端华，段建军，等.植物处理污泥对华南红壤淋出液重金属的影响[J].贵州化工，2010，32（5）：5-8.

[3] 刘贤淼，江泽慧，孙本华，等.ICP-AES法测定造纸污泥中金属元素[J].光谱学与光谱分析，2010，30（1）：255-258.

[4] 蔡玉琪，蔡树美，倪圣亚，等.蚯蚓对秸秆-污泥混合物的消解转化效果[J].农业环境科学学报，2009，28（6）：1284-1287.

[5] 陆志波，邓德汉，陈巧燕，等.蚯蚓处理污泥的环境适应性[J].同济大学学报（自然科学版），2009，37（5）：646-650.

[6] 盛 倩，吴星五.蚯蚓堆肥在污泥处理中的应用[J].安徽农业科学，2011，39（4）：2149-2151.

[7] 陈学民，黄 魁，伏小勇.微小双胸蚓处理城市污泥的试验研究[J]. 安全与环境学报，2010，10（2）：61-64.

[8] 刘鸿雁，郭端华，范 敏，等.造纸污泥蚯蚓生物处理效应研究[J].贵州化工，2009，34（5）：33-35.

[9] 徐轶群，周 绿，董秀华，等.蚯蚓活动对城市生活污泥重金属的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（12）：2431-2435.

[10] 冯 春.城市污水处理厂污泥蚯蚓堆肥技术研究[D].贵阳：贵州大学，2008.

[11] 刘小丽.蚯蚓处理对城市污泥肥效及重金属生物有效性的影响[D].武汉：华中农业大学，2003.