赤子爱胜蚓处理农村生活污水污泥的技术研究

2014-06-16李雄勇常文越张帆

科技创新导报 2014年4期

李雄勇　常文越　张帆

摘要：用赤子爱胜蚓直接处理农村生活污水处理厂产生的剩余污泥。首先，研究了污泥的减量化效果与蚯蚓生物量的变化规律；其次，设计不同的蚯蚓密度条件，研究了蚯蚓处理对污泥理化性质（pH、EC、综合毒性）、重金属以及微观结构上的变化。结果表明：蚯蚓处理污泥的减量化效果显著，达到30%以上，而蚯蚓的重量表现出先涨后降的规律；接种蚯蚓的污泥理化性质、重金属浓度以及微观结构均有显著的变化，污泥的pH值从7.8～7.9降至6.8～7.1；EC由430～450μs/cm增至1857～2136μs/cm；综合毒性抑制率从99%～100%降至30%～36%；降低了污泥中的重金属含量，其中Zn、Pb的浓度降低了30%以上；蚯蚓处理对污泥中苯并（a）芘也有去除的作用；与未处理的污泥相比，蚯蚓粪的粒径更低、结构更松散，呈疏松的粒状结构。

关键词：赤子爱胜蚓污泥重金属

中图分类号：X5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0035-04

随着我国农村污水处理技术的快速发展以及农村污水处理率的快速提高，污水处理厂产生的剩余污泥量将日益增加。而剩余污泥尚未得到有效、安全地处理和处置，已成为影响农村污水处理厂正常运行和发展的瓶颈，直接影响污水节能减排目标的实现和污水处理效益的发挥，是一个不容忽视的重大环境问题。

到目前为止，沈阳市已经建设农村污水处理设施一百余座，农村水环境的治理取得显著成效。然而，污水处理过程中产生的污泥却未得到有效的处理处置，基本处于未处理处置的状态。这些污泥中含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，极易对地下水、土壤、空气等环境造成二次污染，直接威胁环境安全和公众健康，使污水处理设施的环境效益大大降低。沈阳市农村地区的污水处理设施比较分散，产生的污泥量相对较少，因此在农村地区实行污泥集中收集和处理处置是十分困难且不经济的。另外，传统的污泥处理方法不适合应用在缺乏资金的专业技术人员的农村地区，因此寻找投资少、运行成本低、操作简单、具有一定环境、经济效益的污泥处理处置技术，切实推进污泥减量化、稳定化、无害化、资源化技术和工程措施的改进和落实，是解决沈阳市农村环境问题的重中之重。

污泥的蚯蚓分解处理技术是一种新兴的污泥处理技术，被广大研究者认为是一种安全、环保、生态和经济的有效技术手段之一[1]。本文以赤子爱胜蚓（Eiseniafoetida）作为供试蚯蚓，直接处理沈阳市农村地区较为典型的生活污水处理设施产生的剩余污泥，研究污泥的减量化效果、蚯蚓的生物量变化、污泥的理化性质、重金属浓度以及微观结构上的变化，旨在为沈阳市农村地区的污水污泥处理处置寻求简单、经济的技术途径，为蚯蚓直接处理污泥技术提供一定的基础数据和科学依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

供试污泥取自沈阳市于洪区平罗街道污水处理工程的新鲜剩余污泥。工程接纳平罗街道政府所在地产生的生活污水，建设规模为2000 t/d，采用调节池预曝气、水解酸化与人工湿地组合处理工艺。污水经组合工艺处理后达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级A标准，处理水直接排放到蒲河。通过对蚯蚓品种及其生理特性的了解基础上，结合国内外相关研究者的研究成果，供试蚯蚓选择耐寒、耐水、易繁殖、耐污能力强的赤子爱胜蚓，属表居型蚯蚓，均采自本地，选用无环带、健康、活性好，体长约3～9 cm，个体重在0.1～0.4 g的蚯蚓作为实验用蚯蚓。

1.2 实验设计

（1）污泥减量化实验。

取1个长×宽×高为36 cm×27 cm× 12 cm的塑料箱，塑料箱内装入2.1 kg污泥后，接种100条、19.9 g的蚯蚓，然后将塑料箱放置在实验室内，室温在22～30 ℃，从接种蚯蚓到实验结束共计30 d，期间只对塑料箱做一些调节水分的处理。实验过程中每10d对污泥干重、蚯蚓数量与重量进行测试。

（2）污泥稳定化实验

取3个长×宽×高为54 cm×37 cm× 20 cm的塑料箱，每个塑料箱装入10.0 kg的污泥后，分别接种0.15 kg（A组）、0.2 kg（B组）、0.25 kg（C组）的蚯蚓，上覆盖一些树叶遮光用，然后将塑料箱放置在实验室内，室温在22～30 ℃，从接种蚯蚓到实验结束共计40d，期间只对塑料箱做一些调节水分的处理。实验过程中每10 d对污泥pH值、EC、综合毒性进行测试，实验开始前与实验结束后对重金属进行测试。

1.3 分析方法

取30 g试样经10倍蒸馏水溶解，在快速搅拌器搅拌0.5 h后，静置24 h，取上层清液直接测定pH值和EC；综合毒性的测定采用化学发光法；Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、Cd、Hg、As的测定采用常压消解后电感耦合等离子体发射光谱法；苯并（a）芘测定采用热提取气相色谱质谱法；污泥及蚓粪的微观结构的观察采用环境扫描电镜（FEI Quanta 250 ESEM）。

蚯蚓处理污泥的实验中，污泥含水率的控制采用FD-T1型高频波数字水分仪进行控制。而对污泥干重减量化的实验中，污泥含水率的测定采用烘箱烘干法，在105 ℃下烘干至恒定。

2 结果与讨论

2.1 污泥减量化实验效果

实验过程中污泥干重的减量化效果与蚯蚓的重量变化分别见图1、图2。

实验所测污泥质量为污泥干质重量，从图1可以看出，污泥的减量化效果显著，尤其是在前20 d的变化更加显著，减量率达到了26.1%；到30 d实验结束时，减量率达到了29.2%。根据前人的研究分析，污泥减量现象可能与蚯蚓的摄食习性和发达的砂囊有关，蚯蚓对污泥的减量作用是通过微生物和蚯蚓的协同作用实现的。蚯蚓先通过砂囊对污泥研磨，然后利用蚓体分泌的多种酶和肠道内的微生物将污泥消化，最终转化为自身的增殖及排泄物—蚯蚓粪。蚯蚓肠道对微生物的群体结构及生物活性具有调节作用，提高生长快的微生物种群的繁殖速度及其呼吸代谢活性，在一定程度上也强化微生物降解有机物的作用，提高了污泥的减量率[2]。endprint

从图2可以看出，蚯蚓的重量在10～20 d时，达到最大值，此时蚯蚓个体肥大，此后蚯蚓的重量开始降低。此外，在30 d的减量化实验中，蚯蚓的数量在前20 d时没有变化，仍为100条，而在30 d时，只剩下88条。蚯蚓的平均体重从处理前的0.199 g/条，20 d时达到0.274 g/条，30 d时降到0.165 g/条。出现这种先涨后降的原因可能是因为蚯蚓处理污泥前期污泥中蚯蚓的“食物”—有机物较多，蚯蚓的重量开始增加，随着“食物”量的减少，蚯蚓的重量开始降低，到最后蚯蚓瘦小，逐渐出现逃跑和饿死的现象。

2.2 对污泥pH的影响

污泥的pH是污泥消解是否正常的重要标志，图3为不同蚯蚓密度处理实验的pH变化图。

如图3所示，在不同的处理时间内，接种蚯蚓均能使污泥的pH值显著降低。A、B、C三种不同蚯蚓密度的实验相比较，蚯蚓密度大的C污泥的pH值在相同的处理时间内降低的更为明显。相对而言，pH值在第10～20 d时，其变化率更为显著；而在实验结束时，A、B、C的pH值差别不显著，且均在7.0左右。

蚯蚓处理过程中，污泥pH的降低，这与多数学者的研究结果是一致的，pH的降低可能是由于蚯蚓的活动导致污泥中N和P矿化成NH3-N和有效磷过程中，生物转化形成中间产物有机酸所致。另外，最终产物—蚯蚓粪中较低的pH则可能与微生物的进一步活动产生的CO2和有机酸有关[3]。

2.3 对污泥EC的影响

EC是反映污泥中无机离子含量和矿化度的重要指标。图4为不同蚯蚓密度的处理实验EC变化图。

如图4所示，在不同的处理时间内，蚯蚓均能使污泥的EC显著增加。在实验初期污泥的EC相同的情况下，经过40 d的蚯蚓处理，A、B、C污泥的电导率从442±8 μS/cm分别增加到1872±10 μS/cm、2007±18 μS/cm、2057±32 μS/cm，说明蚯蚓密度越高，在相同的处理时间内EC变化更显著。污泥的EC显著增加是由于蚯蚓及其体内微生物的活动致使有机物分解，提高了污泥的矿化度，释放出的矿物盐（如P、K）和无机离子等所致[4]。

2.4 对污泥综合毒性的影响

我们采用化学发光法对污泥进行综合毒性的测试，通常采用抑制率来描述水体的毒性情况。

如图5所示，从污泥浸出水样的抑制率变化趋势来看，在蚯蚓处理污泥前，其综合毒性很强，几乎达到100%。A、B、C三组的实验结果说明，经过20 d的蚯蚓处理，污泥的综合毒性显著降低，远低于90%的重度毒性临界值；在23.1～38.5g蚯蚓/kg干污泥密度范围内，在10d时，密度越大，其综合毒性的降低效果更显著；而处理至20～40 d时，其综合毒性趋近于稳定在30%左右，随着处理时间的延长，未表现出持续显著下降的趋势。

2.5 对污泥重金属的影响

少量的重金属含量是植物生长所必须的矿物质营养，但过量的重金属含量将对其生长起到限制性的影响。污泥中含有重金属，这是污泥在农用中受到限制的主要因素之一，所以蚯蚓处理污泥的产物能否农用取决于蚓粪中重金属的含量。表1为蚯蚓处理污泥中重金属含量的变化表。

从表1可以看出，与未处理的污泥相比，接种蚯蚓污泥的Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Hg、Ni、As浓度均显著降低，且蚯蚓密度越大，重金属浓度的降低程度更加显著些。蚯蚓活动降低污泥中的重金属浓度，表明蚯蚓对污泥中重金属有较强的富集作用。同时，实验发现蚯蚓对污泥中重金属的富集有一定的选择性，对Zn、Pb两种重金属浓度的降低幅度分别为30.0%～37.5%、32.6%～36.2%。此外，除Cd之外的其它重金属浓度的降低幅度均达到10.0%～25.5%，Cd浓度的降低率不高也有可能与Cd浓度不高有关。

与《城镇污水处理厂污泥泥质》（GB24188-2009）的污泥限值相比，平罗街道污水污泥的重金属浓度较低，这与平罗街道污水处理工程处理生活污水，未含有工业废水有关。

2.6 对苯并（a）芘的影响

表2为蚯蚓处理污泥中矿物油、苯并（a）芘含量的变化表。

相对于蚯蚓处理污泥中pH、EC、重金属的影响相比，对苯并（a）芘影响的研究鲜有报道。苯并（a）芘是一种五环多环芳香烃类（PAHs），是PAHs中毒性最大的一种强烈致癌物。从表2可以看出，蚯蚓对污泥中苯并（a）芘有显著的降解作用。蚯蚓能够降解苯并（a）芘，可能是由于蚯蚓本身能在体内富集大量的有机污染物；另一方面，蚯蚓提高了PAHs在污泥中的生物有效性，加速了污泥中的降解。

2.7 对污泥微观结构的影响

未处理污泥与A、B、C三组蚯蚓粪的微观结构如图6～图9所示。

从图6～图9可知，未处理污泥通过5000倍的观察，粒径为9.6 μm；A组蚯蚓粪通过5000倍的观察，粒径为2.749 μm；B组蚯蚓粪通过5000倍的观察，粒径为3.446 μm；C组蚯蚓粪通过5000倍的观察，粒径为3.324 μm。与未处理的污泥相比，A、B、C组蚯蚓粪的粒径更低、结构更松散、孔隙率更高，呈疏松的粒状结构。由此可见，蚯蚓处理有助于破坏污泥原有的致密结构，如施用于土地上，可有效避免土壤板结问题，并提高土壤透气性，大幅度提高蚯蚓粪的土地利用价值。

3 结语

用赤子爱胜蚓直接处理沈阳市农村生活污水污泥的实验表明，污泥减量化效果显著，达到30%以上；污泥的理化性质、重金属浓度以及微观结构均有显著的变化，污泥的pH值从7.8～7.9降至6.8～7.1；EC由430～450 μs/cm增至1857～2136 μs/cm；综合毒性抑制率从99～100%降至30～36%；降低污泥中重金属浓度，其中Zn、Pb的浓度降低了30%以上；对污泥中苯并（a）芘也有去除的作用；与未处理的污泥相比，蚯蚓粪的粒径更低、结构更松散，呈疏松的粒状结构。综上，蚯蚓分解处理技术有望实现沈阳市农村地区生活污水污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化的处理目标，具有环境部产生二次污染、投资省、运行成本低、操作简单、管理方便的特点，符合“低碳经济”的要求，为解决沈阳市乃至辽宁省农村地区的污水处理设施剩余污泥的最终处置问题提供了安全、环保、生态利用的新途径。

参考文献

[1] 徐哲，杨健，邢美燕.污泥的蚯蚓处理技术研究进展[J].四川有色金属，2011（4）：50-55.

[2] 吴敏，娄山杰，杨健，等.蚯蚓生物滤池的污泥减量化效果极其影响因素[J].同济大学学报（自然科学版），2008，6（4）：514-518.

[3] 陈学民，王惠，伏小勇，等.赤子爱胜蚓处理污泥对其性质变化的影响[J].环境工程学报，2010，4（6）：1421-1425.