不同生活型蚯蚓对污泥处理的效果研究

龚国勇, 罗天相,*, 郑萍, 杨东, 赵志刚



不同生活型蚯蚓对污泥处理的效果研究

龚国勇1, 罗天相1,*, 郑萍1, 杨东2, 赵志刚1

1. 宜春学院生命科学与资源环境学院, 江西 宜春 336000 2. 宜春市方科污水处理厂, 江西 宜春 336000

研究报道了三种不同种蚯蚓接种后污泥的处理效果。28天的培养实验表明: 接种蚯蚓, 特别是体型较大的威廉环毛蚓和杜拉蚓能提高污泥的pH值, 减少污泥中有机物的含量。接种蚯蚓减少了污泥中全氮、全磷、全钾的含量, 深层种杜拉蚓显著降低了污泥中全氮和全磷含量, 较对照处理分别减少了14.3%和10.3%。接种威廉环毛蚓的处理较对照处理能显著增加水解性氮和速效钾的含量。接种杜拉蚓的处理吸收重金属的效果最佳, Cr和Cu含量均显著低于对照处理, 威廉环毛蚓次之, 但优于赤子爱胜蚓。结果显示, 在大部分项目中, 杜拉蚓和威廉环毛蚓的作用效果是要优于赤子爱胜蚓, 不同生活习性的蚯蚓对污泥净化效果会有着一定的不同。

污泥; 理化性质; 威廉环毛蚓; 杜拉蚓; 赤子爱胜蚓

1 前言

随着经济的快速发展和城市人口的增加, 市政污水处理厂的处置能力和建设规模也得以快速的发展, 城市污泥的产生量日渐增加并逐渐成为各污水处理厂的一个重点问题。污泥中拥有大量的氮、磷等元素和有机物质, 如果利用得当, 可以成为有机肥的重要来源。但因剩余污泥中往往含有过量无机元素及超标重金属物质, 阻碍了污泥在农业中的应用前景。而市政污泥往往重金属含量不高, 经过预处理后是蚯蚓理想的取食材料, 越来越多的研究表明接种蚯蚓并堆肥处理后, 能增加污泥中的活性成分, 并有效减少污泥中的有害成分、降低污泥中的重金属含量, 接种蚯蚓处理市政污泥对于解决剩余污泥的二次污染并实现资源化利用是一个现实的选择。

蚯蚓种类繁多, 全世界已知超过3000种。黄健等报道中国已知的陆栖蚯蚓来自于后孔寡毛目中的9个科, 28个属, 共有306种[1]。来自于不同科、属的蚯蚓个体大小、取食习性及生理特点等差别很大, 为了提高蚯蚓对城市污泥的处理及净化效果, 选择恰当的蚓种来处理污泥、利用蚓粪和分析蚓触圈的微生境以应用于不同种类的废弃物处置已越来越重要[2]。按照功能划分, 蚯蚓可以划分为不同生活型蚯蚓(表层种epigeic, 内层种endogeic和深栖种anecic), Khwairakpam等研究了3种蚯蚓品种(赤子爱胜蚓、和掘穴环爪蚓)处理污泥的情况。实验表明, 多蚓种混合接种后, 进行堆肥处理的污泥指标如总有机碳、矿物质氮、BOD、COD和大肠菌群数量等方面获得较好结果, 而单独接种某一种蚯蚓, 则更有利于提高污泥中的TP、TK、Na、Ca和碳氮比[3]。通过对上述几种蚯蚓处理污泥的对比效果研究, Sinha等认为表居型是这些蚯蚓中降解有机废物和实现污泥资源化的适宜蚓种[4]。国内对于表居型蚓种的研究较多, 一般认为表居型蚯蚓具有很好的污泥适应性、强大的降解矿化污泥功能, 有助于实现污泥的减量化, 是城市生活污泥处置的合适蚓种[5]。李秀启等通过短期的培养实验, 进一步研究了两种表居型蚯蚓(赤子爱胜蚓、大平2 号)和一种深栖种威廉环毛蚓对城市污泥的处理效果[6]。在矿化污泥和降解污泥有机物方面, 蚯蚓作用显著, 但在pH值与污泥重金属降解方面, 不同生活型的蚯蚓差异显著。尽管许多学者通过利用赤子爱胜蚓等表居型蚯蚓来进行城市污泥处置及资源化研究, 但接种其他蚯蚓种类, 特别是不同生活型蚯蚓用于污泥实验研究却报道不多。由于不同生活型的蚯蚓取食习性和生活习性差异很大[7], 所以, 它们在污泥的净化和处置过程中可能会产生不同的效果。

据此, 本研究将应用三种不同生活型蚯蚓(表层种, 内层种和深栖种)处置生活污泥, 通过小型培养实验, 了解接种不同生活型蚯蚓后, 污泥理化性质、重金属含量等的变化, 并考察不同蚓种在污泥中的生活状况, 以期为城市生活污泥处理筛选合适的蚓种。

2 材料与方法

2.1 实验材料

供试蚯蚓为不同生活型蚯蚓。其中, 表层种接种赤子爱胜蚓(); 深栖种亦即上食下居型, 接种威廉环毛蚓(); 偏内层种杜拉蚓(sp.)采自本地; 同时设置不接种蚯蚓的对照处理(CK)。接种用蚯蚓均在原污泥中培养一段时间后, 选择具有良好活性、同一品种个体大小基本一致的健康蚯蚓进行实验。供试污泥: 取自宜春市方科污水处理厂, 经过浓缩和压滤工艺, 剩余污泥的含水率约为80%, pH值5.68, 污泥本底重金属含量低于农田施用污泥中污染物的最高容许含量。

2.2 实验方法

蚯蚓饲养盆设在阴凉的室内, 自然环境温度条件下培养, 温度基本保持在16—24 ℃的蚯蚓适合温度。培养实验用的塑料容器为口径24 cm、深20 cm, 底部设置透气孔, 为防止蚯蚓从透气孔逃逸, 容器底部放置无纺布。每个盆钵均装入2 kg污泥, 放置一天后, 每个盆钵内接种100 条赤子爱胜蚓(单条约重0.4 g)或20条威廉环毛蚓(单条约重2.0 g)或30条杜拉蚓(单条约重1.4 g), 使各盆钵中所接种的蚯蚓总重量基本相当。单个处理均设3重复, 放置在室内阴凉处, 盆钵均进行遮光处理, 钵内污泥湿度大致控制在80%, 28天后, 接种蚯蚓处理污泥实验结束, 捡出蚯蚓, 计算活体蚯蚓数量并称重。

2.3 测试方法

全氮测定采用凯氏定氮法; 土壤水解性氮含量采用碱解扩散法进行测定; 全磷和有效磷测定采用钼锑抗比色法测定; 全钾和速效钾测定采用火焰光度法测定; TOC 测定采用重铬酸钾容量法-外加热法; 重金属测定采用BCR 法, 用ICP-MS测定提取液中各重金属元素的含量。

2.4 数据分析

数据分析采用SPSS 11.0统计软件, 蚯蚓生活型与污泥理化性状及重金属含量变化间的关系采用单因素方差分析(ANOVA), 多重比较用最小显著性差异(LSD)法,<0. 05。

3 结果与分析

3.1 蚯蚓处理污泥后理化性状的改变

如表1 所示, 接种蚯蚓后, 污泥的pH 均略有增加(> 0.05)。污泥中pH值的高低会影响蚯蚓的生活与取食。蚓触圈的pH值一般为6-8, 中性环境下适宜蚯蚓生活。培养实验后, 接种威廉环毛蚓的污泥pH最高上升至5.90, 较对照处理增加了3.9%, 其次为杜拉蚓, 污泥pH上升至5.87, 接种赤子爱胜蚓后污泥pH升高至5.81, 均高于不接种蚯蚓的对照处理5.68。蚯蚓处理后污泥pH升高, 一般认为, 通过排泄蚓粪和蚓触圈等微域, 以及分泌多余的碳酸盐或钙质, 蚯蚓食道内的钙腺能调节取食和改变外部微环境, 从而有助于形成最有利于生长的pH值[8]。在不同类型土壤环境背景下, 通过测定蚯蚓形成的土壤团聚体pH值, 黄福珍发现蚯蚓有助于改善环境pH值, 蚯蚓通过取食及活动, 能降低微碱性或碱性土壤的pH值, 另一方面提高酸性土壤的pH值[9]。

实验过程中, 蚯蚓体重有所增加(>0.05), 蚯蚓吞食了污泥中的有机质, 接种蚯蚓后, 污泥的有机物含量普遍减少, 特别是体型较大的威廉环毛蚓和杜拉蚓, 尽管接种赤子爱胜蚓后污泥有机质含量略有增加, 但均没有达到显著水平(> 0.05)。蚯蚓是土壤中有机质降解的重要驱动因素[7], 不同生活型蚯蚓对于污泥有机质含量的影响不尽相同, 深栖种和内层种蚯蚓对污泥有机物消减量的能力基本一致,这两种生活型蚯蚓摄食习性比较一致, 在肠道作用、排放蚓粪和土壤发育的协同作用下, 蚯蚓分解、破碎和混合有机质, 从而达到削减污泥中过量有机物的目的[10]。

氮磷钾等营养元素的含量与植物生长关系密切, 并决定着土壤的持续供肥能力, 但城市污水处理过程中容易产生出富含氮磷等元素的污泥, 过量的氮磷如果直接应用于农业, 容易流失并加剧水体富营养化态势。接种蚯蚓后, 与对照处理相比, 污泥中全氮、全磷、全钾的含量总体有减少的趋势。由表1可知, 接种杜拉蚓后, 相比对照污泥之间全氮和全磷含量有显著的降低(<0. 05), 全氮含量为1.14%, 较对照处理减少了14.3%, 全磷含量为1.65%, 较对照处理减少了10.3%。接种威廉环毛蚓和赤子爱胜蚓的污泥则与对照处理差异不显著。接种赤子爱胜蚓污泥中全氮含量显著高于接种杜拉蚓的处理, 显示深层种蚯蚓更易导致污泥中氮素的流失。如果没有外源氮素的施入由于大型蚯蚓取食量大, 消费了大量污泥中的微生物, 使微生物群落的矿化和周转加速, 提高了污泥氮素的矿化率, 从而导致了氮的流失[11]。蚯蚓新陈代谢产物如蚓粪等与个体生物量密切相关, 实验中体型最大的威廉环毛蚓即取食消耗微生物使氮流失, 又通过大量排放蚓粪等产物将更多的氮素返回到污泥中, 全氮含量并未显著降低。杜拉蚓降低了污泥中全磷含量, 或许与杜拉蚓在生长过程中对P的需求差异有关。有研究认为, 表居型蚯蚓处理后, 污泥的P 含量是增加的[5], 但考虑到深栖类蚯蚓上下掘洞与取食的行为习性, 导致P向下移动, 并在蚓粪和蚓触圈等热点区域出现斑块化分布[12], 所以不同生活型蚯蚓可能导致实验结果的分异。

表1 三种不同蚯蚓处理污泥 pH值、有机质和氮、磷、钾的变化

Tab.1 Variation in pH, TOC, TN, TP and TK of vermico­mposting of sewage sludge

注: 表中数据为 Mean ± SD,= 3; 同列中不同字母表明不同组间存在显著性差异(<0.05)。

3.2 蚯蚓处理污泥水解性氮、有效磷、速效钾的变化

由于包含植物可利用和不可利用的氮、磷、钾元素, 全氮、全磷、全钾并不直接决定着污泥肥力的大小。而速效氮、速效磷、速效钾能被植物直接迅速利用, 或简单转化后被植物利用, 对于污泥的资源化和减量化有重要的意义, 也是污泥应用于农业, 进行肥力评价的一种重要强度指标。蚯蚓能提高土壤中可利用氮、磷和钾的水平[11]。

接种不同种蚯蚓后, 如图1所示, 污泥中的水解性氮、有效磷、速效钾均有所增加。蚯蚓肠道内、蚓触圈微生物群落及各种酶类丰富, 对于有机质具有特殊的改造和转化能力, 通过破碎、取食及分解排泄过程, 使污泥中的矿物发生转化, 形成植物能够吸收利用的有效态如矿物质氮、速效性磷和钾等养分物质[13]。与此同时, 蚯蚓取食后排出的蚓粪中也富含可溶性氮、磷、钾元素, 能促使污泥中肥力的提升。本实验中, 接种蚯蚓显著增加了土壤速效钾的含量, 尽管全钾含量并没有增加。蚯蚓即可通过新陈代谢释放养分, 又可通过微生物发酵产酸过程产生较多的碳酸和硝酸等, 这些酸能转化污泥中的不溶性钾, 使之成为可溶性钾, 从而增加污泥中的速效钾含量[14]。

在改变污泥水解性氮、有效磷、速效钾含量方面, 不同生活型的蚯蚓具有不同的效应。其中, 接种威廉环毛蚓的处理较对照处理能显著增加水解性氮和速效钾的含量(<0.05), 水解性氮含量高达1.103 mg·g-1, 比对照处理增加了37%; 接种赤子爱胜蚓处理也显著增加了污泥中速效钾的含量, 较对照处理增加了6.9%; 杜拉蚓则没有显著增加这些可利用性物质的含量(>0.05)。即使接种蚯蚓在相同的生物重量和培养环境条件下, 由于种类的差异和生活型的分化[15], 蚯蚓取食习惯和排泄的蚓粪也具有不同的化学组成和差异性性状[16], 都可能导致水解性氮、有效磷、速效钾含量出现分异。

图1 三种不同蚯蚓处理污泥水解性氮、有效磷、速效钾的变化

3.3 不同蚯蚓处理污泥重金属铜、锌和铬的变化

污泥中含有一定量的重金属, 由于重金属很难在环境中降解, 限制了剩余污泥的资源化利用途径。如表2所示, 3种蚯蚓处理后, 污泥中的Cu、Zn和Cr 含量基本均有所降低。接种杜拉蚓的处理吸收重金属的效果最佳, 较对照处理Cr减少了15.7%, Cu减少了7.2%, 均达到显著水平(<0. 05)。接种威廉环毛蚓处理后重金属Cr减少了11.7%, Cu减少了6.1%, 亦达到显著水平(<0. 05)。与对照处理相比, 接种爱胜蚓污泥处理Cu、Zn和Cr均未达到显著水平(>0.05)。

上述结果表明, 接种不同生活型蚯蚓对降低污泥中的重金属含量具有不同的效应, 接种蚯蚓污泥的重金属含量降低是由于蚯蚓在降解有机质的过程中改变了土壤重金属的形态[17], 通过被动吸收或主动摄食, 不同生活型蚯蚓具有选择性的重金属富集效果, 主动摄食过程中, 蚯蚓肠背面的黄色细胞(chloragogen cell)通过取食吸收部分污泥中的重金属[18]。由于不同生活型蚯蚓体内在降解有机质上的差异, 以及蚓粪中具有差异性的酶类和黄色细胞, 这也是造成不同种蚯蚓对重金属吸收和改变污泥中重金属形态差异性的原因。

城市污泥中镉含量不高, 多以残渣形式存在, 蚯蚓能有效富集污泥中的镉素, 最高富集系数可以达到16, 随着镉素在体内的积累, 生理代谢后通过蚓粪将之排出体外[19]。牛明芬等通过接种表层种太平二号处理河流底泥及垃圾, 发现蚯蚓体内的Cd浓度随培养时间上升, 蚯蚓对重金属镉有明显的富集作用, 但接种太平二号没有表现出对其它重金属元素如Cu、Zn和Pb的富集效应[20]。或许不同蚯蚓种以及不同底物浓度都会对蚯蚓的污泥净化效果产生影响。蚯蚓通过取食破碎食物及消化过程, 转化污泥中的有机络合态金属, 并最终获得离子交换态及水溶性金属, 并被生物利用, 这些金属还能以蚓粪的形式排出体外[21]。由于本实验所用污泥是市政污泥, 重金属含量相对较低, 所以三种不同生活型蚯蚓对于Zn没有表现出富集吸收效应, 这点与牛明芬等的研究结果类似。

表2 三种不同蚯蚓处理污泥重金属铜、锌和铬的变化

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

注: 表中数据为 Mean ± SD,= 3; 同列中不同字母表明不同组间存在显著性差异(<0.05)。

4 小结与讨论

通过短期的培养实验, 三种蚯蚓都能在城市剩余污泥环境下取食、活动, 三种生活型蚯蚓体重均有所上升, 市政污水处理剩余的污泥是一种有机质丰富, 氮磷钾含量较高的基质, 重金属含量低且病原菌数量相对较少, 都有利于蚯蚓的取食和生存。

蚯蚓通过调节取食和改变外部微环境, 从而有助于形成最有利于生长的pH值。体型较大的威廉环毛蚓和杜拉蚓有助于削减市政污泥中过量有机物。深层种杜拉蚓显著降低了污泥中全氮和全磷含量, 对于净化市政富磷污泥意义更大。接种威廉环毛蚓显著增加水解性氮和速效钾的含量, 从而更有利于处理后的污泥在农业应用中肥效的发挥。接种杜拉蚓的处理吸收重金属的效果最佳, Cr和Cu含量均显著低于对照处理, 威廉环毛蚓次之, 但优于赤子爱胜蚓。

综合考虑对污泥的净化和提高可利用性元素方面, 三种生活型蚯蚓表现不尽一致, 深层种如威廉环毛蚓和杜拉蚓能更好的削减污泥中的重金属和全氮全磷等物质, 增加水解性氮和速效钾的含量, 是较赤子爱胜蚓更好的选择, 尽管当前的短期研究多针对赤子爱胜蚓等表层种展开。考虑到本次实验是短期的培养实验, 所获得的实验结果仍有许多的局限性, 实验用盆钵环境也并不适合内层种和深栖种长期的取食生活。蚯蚓处理污泥效果的影响因素很多, 不同生活型蚯蚓对污泥处理的效果研究还需要在更大尺度及更长的时间内进一步展开。

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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

国家自然科学基金(31460150); 宜春学院地方发展中心研究项目(2015DF031)

龚国勇(1971—), 男, 江西高安人, 讲师, 硕士, 主要从事环境工程研究, E-mail:jxycggy@163.com

罗天相(1973—), 男, 江西南昌人, 教授, 博士, 主要从事土壤生态学与农业生态学研究, E-mail:ltxls@139.com