王富強(qiáng)++王?；?+張禹

摘要：通過蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用與單一蚯蚓作用處理熱帶城市污泥試驗(yàn)，比較研究了蚯蚓生物量、污泥理化性質(zhì)及重金屬含量變化情況，并對(duì)污泥農(nóng)用做了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，比較2種處理方式對(duì)污泥的處理效果。結(jié)果表明：蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用不僅能夠同時(shí)處理2種熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物，而且在增加蚯蚓生物量、降低污泥重金屬含量及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的效果優(yōu)于單一蚯蚓作用。聯(lián)合組蚯蚓個(gè)體平均質(zhì)量增幅115.33%，高于單一組的106.33%，總產(chǎn)繭量85.33個(gè)也高于單一組的76.33個(gè)。pH值分別下降0.47、0.80，電導(dǎo)率分別增加793、1 668 μS/cm，有機(jī)質(zhì)分別降低15.5%、13.52%，聯(lián)合組全氮含量顯著下降20.18%，單一組降低不明顯。聯(lián)合組與單一組污泥中重金屬含量降低次序分別為Pb、Cr、Zn、Ni、Cu和Pb、Zn、Cr、Ni、Cu，聯(lián)合組在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優(yōu)于單一組，處理后污泥重金屬總量相對(duì)更低；蚯蚓體內(nèi)重金屬富集次序分別為Cr、Ni、Pb、Cu、Zn和Ni、Cr、Cu、Pb、Zn，聯(lián)合組蚯蚓對(duì)Cr、Pb、Zn、Ni 4種重金屬的富集效果優(yōu)于單一組，富集重金屬總量也高于單一組。通過Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，聯(lián)合作用污泥處理后由中等風(fēng)險(xiǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)險(xiǎn)，單一蚯蚓作用處理前后均為中等風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：熱帶地區(qū)；城市污泥；赤子愛勝蚓；木薯渣；重金屬

中圖分類號(hào)： X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0437-05

城市污泥是污水處理的必然產(chǎn)物，隨著中國(guó)城市化的迅速發(fā)展，污水處理廠的數(shù)量日益增長(zhǎng)，大量的城市污泥也隨之產(chǎn)生[1-2]。由于城市污泥中含有各種有機(jī)污染物、重金屬、病原體等，不經(jīng)過恰當(dāng)?shù)奶幚頃?huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[3]。

污泥的常規(guī)處理手段，如露天堆置、衛(wèi)生填埋、好氧和厭氧消化以及焚燒會(huì)造成更加嚴(yán)重的環(huán)境問題，例如土壤和植物中毒，地表和地下水污染及空氣污染等等。一種新的人工濕地技術(shù)是基于人工濕地對(duì)污泥的可持續(xù)處理技術(shù)[4-6]，但這種方法由于占用土地面積大、對(duì)氣候要求高以及后續(xù)仍需凈化處理而受到限制[7]；污泥堆肥是另一個(gè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的處理技術(shù)，多年來應(yīng)用較廣[8-10]，但它存在耗時(shí)長(zhǎng)、翻堆頻繁、營(yíng)養(yǎng)元素?fù)p失等問題[11]，仍有所制約。

蚯蚓堆肥處理[12]是在蚯蚓和微生物的共同作用下對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行生物降解的復(fù)雜過程，它可以將有機(jī)廢棄物快速、高效地轉(zhuǎn)換成對(duì)植物和土壤有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)還可以收獲大量蚯蚓，目前在世界各地已經(jīng)成功用于處理各種類型的工業(yè)污泥與城市污泥[13-16]。

目前污泥農(nóng)用仍然受到重金屬難遷移、易富集、危害大等特點(diǎn)的制約[17]。以前的研究認(rèn)為新鮮的城市污泥必須經(jīng)過預(yù)處理后蚯蚓才能利用[12]，蚯蚓直接處理熱帶城市污泥的研究鮮有報(bào)道，而木薯渣由于含有氫氰酸、單寧和植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子，再利用一直受到限制。本研究通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，比較研究了蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用與單一蚯蚓作用處理對(duì)熱帶城市污泥重金屬含量的影響，并運(yùn)用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)處理前后污泥農(nóng)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為熱帶地區(qū)同時(shí)處理2種有機(jī)廢棄物提出新思路，為熱帶地區(qū)開展城市污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物共同資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗(yàn)選用蚯蚓品種為赤子愛勝蚓（Eisenia foetida），飼養(yǎng)原料為牛糞，取自海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院蚯蚓養(yǎng)殖基地，選擇環(huán)帶明顯、體質(zhì)量在300 mg左右的成熟蚯蚓。污泥為取自?？诎咨抽T污水處理廠二期的脫水污泥，呈灰黑色黏稠狀，有異味，含水率約為85%左右。木薯渣取自瓊中縣某淀粉廠，自然風(fēng)干，經(jīng)粉碎器研磨過2 mm尼龍篩備用。

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用（80%污泥+20%木薯渣）與單一蚯蚓作用（100%污泥）2組，根據(jù)污泥與木薯渣含水率按干物質(zhì)質(zhì)量150.0 g 配比（濕質(zhì)量大于500 g），每個(gè)處理稱量后混合均勻再分裝入盒。調(diào)整含水率至70%左右，放入規(guī)格為：上口16.5 cm×10.0 cm，下底13.5 cm×8.0 cm，高 6.5 cm 的PVC塑料盒中，每盒接種15條個(gè)體質(zhì)量在300 mg左右、環(huán)帶明顯的赤子愛勝蚓。試驗(yàn)于室內(nèi)自然條件下進(jìn)行，試驗(yàn)期間不再補(bǔ)充水分。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，35 d后處理結(jié)束，將蚯蚓及蚓繭用手全部取出。

1.3分析方法

試驗(yàn)結(jié)束后用手將蚯蚓與蚓繭挑出計(jì)數(shù)，蚯蚓用去離子水洗凈后濾紙擦干稱質(zhì)量。部分鮮樣用于測(cè)定含水率、pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)，其余部分冷凍干燥后研磨過100目篩，留作其他指標(biāo)測(cè)定用；蚯蚓放入搪瓷盆中吐泥2 d后用蒸餾水洗凈，液氮冷凍致死，于烘箱中60 ℃烘干，取出后冷卻研磨過100目篩待測(cè)重金屬。

pH值和電導(dǎo)率按干物質(zhì)和水1 ∶10混合后分別用pH值酸度計(jì)、電導(dǎo)率儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)在550 ℃馬弗爐中灼燒60 min測(cè)定[18]；全氮測(cè)定采用凱氏定氮法（GB 11891—1989）；污泥與蚯蚓體內(nèi)重金屬含量采用USEPA 3050B方法消解[19]，電感耦合等離子發(fā)射儀（美國(guó) Thermo Elemental）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差（x±s），數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0完成，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，通過t檢驗(yàn)分析組間的差異性，顯著性水平為P<0.05。

2結(jié)果與討論

2.1不同處理方式對(duì)蚯蚓生物量的影響

由表1可以看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)2種處理方式蚯蚓存活率相同且均高于80%，表明蚯蚓能夠適應(yīng)熱帶城市污泥的環(huán)境，直接處理可行。試驗(yàn)結(jié)束蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用處理組（簡(jiǎn)稱聯(lián)合組）與單一蚯蚓作用處理組（簡(jiǎn)稱單一組）蚯蚓個(gè)體凈增質(zhì)量分別為349.65、356.24 mg，聯(lián)合組增幅11533%，高于單一組的106.33%，總產(chǎn)繭量85.33個(gè)也高于單一組的76.33個(gè)，表明蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用更有利于污泥處理過程中蚯蚓生物量的增加，效果更好。

2.2不同處理方式對(duì)污泥理化性質(zhì)的影響

由表2可見，2種方式處理后城市污泥理化性質(zhì)均發(fā)生了顯著的變化，pH值、有機(jī)質(zhì)均有不同程度降低，電導(dǎo)率（EC）都有提高，單因素方差分析表明處理前后均出現(xiàn)顯著性差異（P<0.05）。聯(lián)合組pH值由6.27降低至5.78，EC值增加793 μS/cm，有機(jī)質(zhì)降低了15.5%，全氮含量降低20.18%而且表現(xiàn)出極顯著差異（P<0.001）；單一組pH值由6.46降低至5.66，EC值增加1 668 μS/cm，有機(jī)質(zhì)降低了13.52%，全氮含量降低不明顯。聯(lián)合組處理前有機(jī)質(zhì)含量75.05%顯著高于對(duì)照的59.61%是由于添加了植物殘?bào)w木薯渣引起的。

pH值下降可能是由于在蚯蚓轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生了CO2及有機(jī)酸，以及有機(jī)態(tài)的氮和磷在微生物作用下被礦化成硝酸鹽、亞硝酸鹽和磷酸鹽引起的[11]，處理前后pH值都在最適宜植物生長(zhǎng)的56.5之間[20]，適于農(nóng)用；EC增加可能是由于有機(jī)質(zhì)的損失以及蚯蚓處理可以將無機(jī)離子和礦物鹽（如磷酸鹽、銨鹽、鉀離子）從污泥中釋放出來所引起的[21]。前人的研究已經(jīng)證明蚯蚓能夠加速不溶有機(jī)物質(zhì)向可利用形態(tài)轉(zhuǎn)變[22]，而且處理后EC值均未超過3.0 mS/cm，均滿足污泥農(nóng)用EC值要求。pH值的降低和EC值的增加與其他人研究蚯蚓處理污泥時(shí)的結(jié)論[12，15，23]一致。

楊文霞等發(fā)現(xiàn)蚯蚓加速有機(jī)質(zhì)的礦化導(dǎo)致其含量降低[24]，根據(jù)前人的研究，轉(zhuǎn)化過程中蚯蚓和微生物活動(dòng)引起的C元素?fù)p失也會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降低[25]，而新陳代謝與礦化作用產(chǎn)生CO2[26]與CH4[27]是C元素?fù)p失的形式之一，蚯蚓處理過程中將污泥中的有機(jī)物質(zhì)同化用于自身生長(zhǎng)繁殖也會(huì)降低有機(jī)質(zhì)含量[28]。聯(lián)合組較單一組全氮含量降低顯著可能與表2不同處理污泥pH值、EC、有機(jī)質(zhì)和全氮變化木薯渣促進(jìn)了蚯蚓的吸收利用有關(guān)[29]，Hobson曾報(bào)道氮含量的減少與蚯蚓消化道內(nèi)的脫氮作用有關(guān)，國(guó)內(nèi)也有研究發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)蚯蚓處理后全氮含量下降可能是蚯蚓在處理過程中利用污泥中的有機(jī)質(zhì)用于自身生長(zhǎng)繁殖[30]，這與有機(jī)質(zhì)含量變化結(jié)果相符。

2.3不同處理方式對(duì)污泥中重金屬含量的影響

由表3可見，聯(lián)合組重金屬Cr、Pb、Cu、Zn、Ni含量分別減少了25.56%、31.52%、6.03%、19.23%和18.54%，單一組分別減少17.12%、38.75%、5.39%、34.80%和15.72%，聯(lián)合組重金屬含量降低次序?yàn)椋?Pb、Cr、Zn、Ni、Cu，單一組為：Pb、Zn、Cr、Ni、Cu。2種處理方式單因素方差分析結(jié)果表明Pb、Zn、Ni 3種重金屬元素含量均顯著下降（P<0.05），聯(lián)合組Cr含量極顯著降低（P<0.01）而單一降低不顯著（P>005），2組Cu含量處理前后差異均不顯著（P>0.05）。聯(lián)合組在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優(yōu)于單一組，處理后污泥重金屬總量相對(duì)更低，更適合農(nóng)用。表3不同處理污泥重金屬含量的變化微量元素在較低含量可能會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但含量過高則會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[31]，同時(shí)還容易引起環(huán)境污染，這也是限制污泥農(nóng)用的主要因素之一。前人研究中重金屬含量既有上升的結(jié)果[26]，也會(huì)出現(xiàn)下降的結(jié)論[25]，這是由于有機(jī)質(zhì)的降低會(huì)導(dǎo)致相對(duì)質(zhì)量減少引起重金屬含量上升，蚯蚓對(duì)重金屬元素的富集作用[32]與間接作用（分泌物對(duì)pH值和重金屬產(chǎn)生作用）[33-34]則會(huì)導(dǎo)致其含量下降，本試驗(yàn)中2種方式重金屬含量均出現(xiàn)下降，表明蚯蚓對(duì)重金屬元素的生物積累與間接作用效果大于其相對(duì)質(zhì)量損失的效果，與Suthar的研究結(jié)果[35]相似。聯(lián)合組中的木薯渣對(duì)蚯蚓的攝食及腸道微環(huán)境必然會(huì)產(chǎn)生影響，而蚯蚓對(duì)重金屬的富集與蚯蚓黃色細(xì)胞和腸道中的酶密切相關(guān)[36-37]，因此可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)中降低次序不同的結(jié)果出現(xiàn)。

根據(jù)海南省土壤背景pH值[38]，2種方式處理后污泥蚓糞中除了Zn其余元素含量均低于國(guó)家污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)（GB 4284—1984）[39]，Zn含量聯(lián)合組更低，均略微高于標(biāo)準(zhǔn)值，考慮到Zn是植物生長(zhǎng)普遍需要的微量元素之一，而且?？谑型寥乐衂n含量較低[38]，因此熱帶城市污泥經(jīng)處理后可以作為含Zn的緩釋肥[40]。

2.4不同處理方式蚯蚓體內(nèi)重金屬水平的變化

2種處理方式處理結(jié)束后蚯蚓體內(nèi)重金屬含量變化如表4所示，聯(lián)合組與單一組蚯蚓體內(nèi)Cr、Pb、Cu、Ni含量均極顯著增加（P<0.01），Zn含量增加均不顯著（P>0.05）。聯(lián)合組蚯蚓富集次序?yàn)椋篊r 、Ni、Pb、Cu、Zn，單一組富集次序?yàn)椋篘i、Cr、Cu、Pb、Zn。聯(lián)合組蚯蚓對(duì)Cr、Pb、Zn、Ni這4種重金屬的富集效果優(yōu)于單一組，富集重金屬總量也高于單一組。

蚯蚓體內(nèi)重金屬含量的上升可能是由于蚯蚓表皮對(duì)可溶性元素的吸附作用及腸道的消化作用導(dǎo)致的[41]，之前的研究已經(jīng)證實(shí)蚯蚓能夠富集受污染的有機(jī)廢棄物但與其物種特異性和攝取物料不同有關(guān)系[42]，本試驗(yàn)中聯(lián)合組與單一組蚯蚓體內(nèi)富集重金屬含量的大小和次序不同的結(jié)果與之一致。

重金屬含量在蚯蚓體內(nèi)的上升與在污泥中的降低結(jié)果表明蚯蚓的生物積累是降低污泥中重金屬含量的主要原因，而且聯(lián)合組富集效果更好。

2.5污泥處理前后重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

熱帶城市污泥經(jīng)過蚯蚓堆肥處理的最終目的是實(shí)現(xiàn)安全農(nóng)用，考慮到施用后不同重金屬污染的復(fù)合效應(yīng)及其對(duì)土壤、農(nóng)作物及人體健康的危害不同，在多種重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中選擇了Hakanson于1980年提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[43]，此法能夠綜合考慮土壤重金屬背景值、污泥重金屬污染程度與環(huán)境效應(yīng)，比單一的含量評(píng)價(jià)更能客觀反映污泥重金屬潛在危害。其計(jì)算公式如（1）所示：

RI=∑ni=1Eir=∑ni=1Tir（Cis/Cin）。（1）表4不同處理蚯蚓體內(nèi)重金屬含量的變化

組別蚯蚓體內(nèi)重金屬含量（mg/kg）CrPbCuZnNi處理前1.85±0.06aA0.72±0.01aA10.50±0.58aA102.33±1.89aA1.52±0.03aA聯(lián)合組處理后式中：Cis為污泥中重金屬i的實(shí)測(cè)值；Cin為重金屬i的參比值，本研究考慮實(shí)際情況及其他參考文獻(xiàn)選取了我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值[44]（表5）；Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，根據(jù) Hakanson 的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)（表5）；Eir為單因子i的潛在生態(tài)危害指數(shù)。RI為多種重金屬?gòu)?fù)合生態(tài)危害指數(shù)。污泥潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

蚯蚓處理前后熱帶城市污泥重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示，5種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）大小順序均為：Cu、Zn、Pb、Cr、Ni，毒性危害最強(qiáng)的是Cu，最大危害指數(shù)達(dá)到144.2（單一組處理前）。蚯蚓處理后5種重金屬元素危害指數(shù)均下降，聯(lián)合組復(fù)合生態(tài)危害指數(shù)（RI）處理后風(fēng)險(xiǎn)程度由中等風(fēng)險(xiǎn)降低至低風(fēng)險(xiǎn)，單一組處理前后均為中等風(fēng)險(xiǎn)。因此，在熱帶地區(qū)蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用處理城市污泥較蚯蚓單一蚯蚓處理更能降低處理后污泥農(nóng)用的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)論

2種處理方式蚯蚓均能適應(yīng)熱帶城市污泥的環(huán)境，蚯蚓-木薯渣聯(lián)合作用更能促進(jìn)蚯蚓生物量增加。

聯(lián)合作用與單一蚯蚓作用在對(duì)熱帶城市污泥的礦化能力和有機(jī)物降解能力上基本一致，pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量均有不同程度降低，EC值均顯著增加，聯(lián)合作用對(duì)污泥全氮礦化作用更好。

蚯蚓處理使污泥中重金屬含量均有所下降，聯(lián)合作用在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優(yōu)于單一蚯蚓作用，處理后污泥重金屬總量相對(duì)更低；聯(lián)合作用蚯蚓對(duì)Cr、Pb、Zn、Ni這4種重金屬的富集效果優(yōu)于單一蚯蚓作用，富集重金屬總量也較高，生物積累是污泥中金屬含量降低的主要原因。

聯(lián)合作用能夠降低污泥農(nóng)用的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，處理后污泥重金屬潛在生態(tài)危害程度由中等風(fēng)險(xiǎn)降低至低風(fēng)險(xiǎn)，而單一蚯蚓作用則仍屬于中等風(fēng)險(xiǎn)。

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