蚯蚓對城市污水污泥中重金屬的富集特征

魏明蓉，劉康懷，，李艷紅，馬邦定

(1.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林541004;2.廣西融譽(yù)建設(shè)項(xiàng)目科技咨詢有限公司，廣西桂林541004)

蚯蚓在土壤中生活，能改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水持肥能力，增強(qiáng)植物對土壤中營養(yǎng)物的吸收，可作為土壤環(huán)境污染狀況的指示生物。蚯蚓還能對有機(jī)物、重金屬等進(jìn)行分解或轉(zhuǎn)化，用于處理農(nóng)業(yè)廢棄物、垃圾以及污泥[1－4]。蚯蚓對污泥重金屬富集方面研究目前還不多，報(bào)道也多限于單種重金屬元素，對于多種重金屬元素的富集研究很少。本文采用城市污水處理廠剩余污泥(下文簡稱“污泥”)養(yǎng)殖蚯蚓，研究其對污泥中常見重金屬元素的富集情況，并對試驗(yàn)后蚯蚓及混合物的再利用進(jìn)行探討。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的蚯蚓品種為大平二號，即赤子愛勝蚓。這種蚯蚓由美國紅蚓和日本花蚯蚓雜交而成，有較強(qiáng)吞食有機(jī)廢物的能力，體長在80～130 mm，體重在0.2～0.5 g。試驗(yàn)用原始污泥取自桂林市某污水處理廠，該廠采用的是氧化溝工藝，污泥經(jīng)濃縮及壓濾后含水率約為80%。原始污泥及蚯蚓中的重金屬含量如表1所示。

與廣西土壤背景值[5]相比，原始污泥中除Pb的含量與背景值差別較小以外，其余各項(xiàng)重金屬元素的含量均高于背景值，說明污泥存在重金屬污染。污泥中Cd含量遠(yuǎn)超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)[6]，Zn含量也略有超標(biāo)，Cu、Pb、Cr含量均未超過二級標(biāo)準(zhǔn)。所用污泥各項(xiàng)重金屬遠(yuǎn)小于農(nóng)用污泥污染物的限值[7]，農(nóng)用前可以不經(jīng)處理。

表1 試驗(yàn)前污泥及蚯蚓的重金屬含量及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Content of heavy metal in sewage sludge and earthworm before testmg/kg

1.2 飼養(yǎng)方法

采用50 cm×35 cm×30 cm的塑料筐作為蚯蚓養(yǎng)殖床，將其設(shè)在塑料大棚內(nèi)，棚頂蓋上遮陽網(wǎng)，試驗(yàn)期間，棚內(nèi)溫度為15～30℃。筐底鋪上紗布防止蚯蚓鉆出，筐內(nèi)放置污泥和某些動(dòng)物糞便的拌合物。飼養(yǎng)期間定期噴水保持一定濕度。

1.3 試驗(yàn)方法

向試驗(yàn)筐中投加污泥和動(dòng)物糞便的拌合物(下文簡稱“泥糞”)共20 kg，每筐中污泥和動(dòng)物糞便所占的比例不同，污泥投加比分別為40%、50%、60%、70%、80%等5種，向每筐中投加蚯蚓500條。飼養(yǎng)3周后分別測定蚯蚓及剩余混合物中的重金屬含量。

1.4 測定方法

將蚯蚓從筐內(nèi)取出，放入培養(yǎng)皿內(nèi)餓置3天讓其吐泥，洗凈后將其冷凍致死，再置于105℃的烘箱內(nèi)烘4 h，冷卻后研磨過0.9 mm(20目)篩備用。將除蚯蚓外的所有物質(zhì)(下文簡稱“混合物”)研磨后過0.15 mm(100目)篩備用。所有樣品送桂林市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所進(jìn)行分析測試，分析元素包括Cd、Zn、Cu、Pb、Cr。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 蚯蚓生物量變化

加入泥糞前后蚯蚓生物量變化情況見表2。加入泥糞后除60%、80%污泥投加比時(shí)蚯蚓數(shù)量略有減少外，其他污泥投加比下蚯蚓數(shù)量均出現(xiàn)了增加。加入泥糞后蚯蚓體重全部都有增加，平均增重率在4.76～10.76 g/d。采用單因素方差分析(ANOVA)可知，與投加泥糞前相比，體重增長極其顯著(P＜0.01)。蚯蚓體重顯著增加說明，泥糞中所含有的物質(zhì)適合蚯蚓生長。在污泥投加比達(dá)到80%時(shí)雖然蚯蚓數(shù)量略有降低，但蚯蚓體重與未投加前相比仍出現(xiàn)了顯著增長，說明蚯蚓對污泥有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

表2 蚯蚓生物量變化Table 2 Biomass variation of earthworm

2.2 蚯蚓體內(nèi)及混合物中重金屬含量特征

分別測定蚯蚓體內(nèi)及混合物中Cd、Zn、Cu、Pb和Cr的含量。試驗(yàn)前蚯蚓的Cd、Zn、Cu、Pb和Cr含量分別為0.02、3.0、0.8、0.2、0 mg/kg。在不同污泥投加比下(40%、50%、60%、70%、80%)，混合物中Cr的含量分別為19.6、16.6、16.8、15.9、14.9 mg/kg，但在蚯蚓中均未檢出Cr。Cd、Zn、Cu、Pb的測試結(jié)果見圖1～圖4

圖1 蚯蚓和混合物中Cd含量Fig.1 Content of cadmium in earthworm and mixture

圖2 蚯蚓和混合物中Zn含量Fig.2 Content of zinc in earthworm and mixture

圖3 蚯蚓和混合物中Cu含量Fig.3 Content of cuprum in earthworm and mixture

圖4 蚯蚓和混合物中Pb含量Fig.4 Content of plumbum in earthworm and mixture

結(jié)合圖1～圖4及單因素方差分析，從不同污泥投加比下蚯蚓體內(nèi)與混合物中重金屬含量對比來進(jìn)行分析。

不同污泥投加比下，Cd、Pb在混合物和蚯蚓體中均出現(xiàn)了降—升—降—升的規(guī)律，Cu在混合物中的含量呈現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。Cd和Cu在蚯蚓和混合物中的含量與Pb在蚯蚓體內(nèi)含量為污泥投加比最低(40%)時(shí)最大，即所用的污泥量低時(shí)，蚯蚓體內(nèi)富集的重金屬較多，或者說此時(shí)蚯蚓更喜歡食用污泥。而Pb在混合物中、Zn在蚯蚓和混合物中的含量最大值出現(xiàn)在污泥投加比為60%～70%時(shí)。ANOVA分析顯示，不同污泥投加比下蚯蚓體內(nèi)Cd含量均差異顯著，Cu和Pb各投加比間差異也比較顯著，Zn各投加比間差異不太明顯。不同污泥投加比下混合物中Cd含量差異顯著，Zn、Cu、Pb各投加比間差異大部分不顯著。

單位質(zhì)量下，蚯蚓體內(nèi)重金屬含量比混合物中重金屬含量低。進(jìn)行ANOVA分析可知，Cd、Zn、Cu、Pb在蚯蚓體內(nèi)和混合物中的含量差異極其顯著(P＜0.01)。混合物中的Cd含量高時(shí)，蚯蚓體內(nèi)的Cd含量也高;Pb的變化規(guī)律與Cd類似，Cu和Zn的規(guī)律則有所不同;與Cd相比，Zn、Cu和Pb在蚯蚓體內(nèi)的含量比混合物中低得多。

進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)分析，從表3可知:蚯蚓體內(nèi)與混合物中的Cd、Cu、Pb均為正相關(guān)，其中Cd是顯著相關(guān)的，Cu、Pb相關(guān)性不顯著;而Zn則為負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著。

表3 蚯蚓體內(nèi)與混合物中重金屬的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of heavy metals in earthworm and mixture

2.3 重金屬富集特征

富集是指生物體通過對環(huán)境中某些元素或難以分解的化合物的積累，使這些物質(zhì)在生物體內(nèi)的濃度超過環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。有研究認(rèn)為[8]，蚯蚓體內(nèi)的黃色細(xì)胞能分泌大量的膠粘物質(zhì)，還含有羧基、氨基等活性基團(tuán)，能夠螯合、絡(luò)合重金屬，從而達(dá)到對重金屬的富集。

蚯蚓體內(nèi)重金屬含量與泥糞中重金屬含量的比值即為富集系數(shù)，計(jì)算得到Cd的富集系數(shù)為0.58，Zn的富集系數(shù)為0.22，Cu的富集系數(shù)為0.09，Pb的富集系數(shù)為0.04，即富集系數(shù)Cd＞Zn＞Cu＞Pb。伏小勇等[9]的研究表明，蚯蚓對重金屬的吸收順序?yàn)閆n＞Cu＞Pb;王振中等[10]的研究中蚯蚓對重金屬的吸收順序?yàn)镃d＞Pb＞Zn＞Cu;陳學(xué)民等[11]研究中蚯蚓對重金屬的吸收順序?yàn)镃u＞Zn＞Pb。本研究重金屬的選擇順序與文獻(xiàn)結(jié)論較相似，但富集系數(shù)值較小。在金屬元素含量的Spearman秩相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對各元素的富集系數(shù)K值排序?yàn)镃d＞Hg＞As＞Zn＞Cu＞Pb[12]，本研究中的富集順序與之吻合。

蚯蚓對各種重金屬離子的富集系數(shù)有所差別，可能是由于蚯蚓的細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對不同重金屬離子的親和力不同所致，親和力大則吸收量大，富集系數(shù)也越大。

雖然蚯蚓對重金屬的富集系數(shù)值不大，但投加泥糞后，蚯蚓體內(nèi)的Cd、Zn、Cu、Pb分別是試驗(yàn)前的5～31倍、9.0～11.4倍、2.9～8.1倍及2～3.4倍，差異極其顯著(P＜0.001)，說明加入泥糞以后，蚯蚓體內(nèi)重金屬含量顯著提高，即蚯蚓對重金屬存在明顯的富集吸收作用。

2.4 試驗(yàn)產(chǎn)品再利用特征

試驗(yàn)后的蚯蚓和混合物可以再利用，混合物是一種很好的有機(jī)肥料，具有肥效高、無臭味、相對耐旱等優(yōu)點(diǎn)，還可以作為除臭劑、浮游生物培養(yǎng)劑等[12]。蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量不高時(shí)，可考慮將蚯蚓用作食品、保健品、動(dòng)物飼料，處理過城市污泥的蚯蚓也可用于處理造紙污泥、化纖污泥等。

將蚯蚓體內(nèi)重金屬含量與《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB 13078—2001)對照(表4)，該標(biāo)準(zhǔn)對Cd、Pb、Cr有明確限值，對Cu和Zn沒有限值要求。在蚯蚓體內(nèi)測得的Pb含量遠(yuǎn)小于各種飼料的限值;Cd除了在40%污泥配比時(shí)(0.62 mg/kg)稍高于雞和豬配合飼料的Cd限值(0.5 mg/kg)以外，其余各種配比均滿足各種飼料限值，說明蚯蚓可以用于飼料，但最好不要用于雞、豬配合飼料中，如果使用則需注意檢測Cd含量是否超標(biāo)。

表4 蚯蚓及混合物中重金屬含量與相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對比Table 4 Comparison of heavy metal content in earthworms and mixture by national standards

將混合物中重金屬Cd、Zn、Cu、Pb、Cr含量與《有機(jī)－無機(jī)復(fù)混肥料》、《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》、《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行對照(表4)，已測定的重金屬元素均符合前兩種標(biāo)準(zhǔn)，說明從重金屬角度來看，混合物可以用作肥料，也可以農(nóng)用。對照土壤二級標(biāo)準(zhǔn)，混合物中只有Cd超標(biāo)但超出不多，說明混合物總體接近二級土壤。

3 結(jié)論

(1)加入泥糞以后，蚯蚓體重增長極其顯著，在污泥投加比達(dá)到80%時(shí)雖然蚯蚓條數(shù)略有降低，但蚯蚓體重與未投加前相比仍出現(xiàn)了顯著增長，說明蚯蚓對污泥有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

(2)蚯蚓體內(nèi)的重金屬含量顯著低于混合物中重金屬的含量。蚯蚓體內(nèi)與混合物中的Cd、Cu、Pb均為正相關(guān)，其中Cd是顯著相關(guān)的，Cu、Pb相關(guān)性不顯著，而Zn則為負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著。

(3)蚯蚓對重金屬的富集順序?yàn)镃d＞Zn＞Cu＞Pb，富集系數(shù)值分別為0.58、0.22、0.09及0.04，富集系數(shù)值不大，但投加泥糞以后蚯蚓體內(nèi)重金屬含量提高極其顯著，說明蚯蚓對重金屬存在明顯的富集吸收作用。

(4)據(jù)已測定的重金屬來看，蚯蚓體內(nèi)的重金屬除Cd在40%污泥施用投加比時(shí)稍超出雞、豬配合飼料的標(biāo)準(zhǔn)外，其余均已達(dá)到《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的要求。試驗(yàn)后的混合物中重金屬含量能夠滿足肥料標(biāo)準(zhǔn)、污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，除Cd外其余也均達(dá)到了二級土壤標(biāo)準(zhǔn)。說明蚯蚓可以用作飼料，試驗(yàn)后混合物也可直接農(nóng)用或用作肥料。

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