蚯蚓—木薯渣聯合作用對熱帶城市污泥中重金屬含量的影響

王富強++王?；?+張禹

摘要：通過蚯蚓-木薯渣聯合作用與單一蚯蚓作用處理熱帶城市污泥試驗，比較研究了蚯蚓生物量、污泥理化性質及重金屬含量變化情況，并對污泥農用做了潛在生態風險評價，比較2種處理方式對污泥的處理效果。結果表明：蚯蚓-木薯渣聯合作用不僅能夠同時處理2種熱帶農業廢棄物，而且在增加蚯蚓生物量、降低污泥重金屬含量及潛在生態風險方面的效果優于單一蚯蚓作用。聯合組蚯蚓個體平均質量增幅115.33%，高于單一組的106.33%，總產繭量85.33個也高于單一組的76.33個。pH值分別下降0.47、0.80，電導率分別增加793、1 668 μS/cm，有機質分別降低15.5%、13.52%，聯合組全氮含量顯著下降20.18%，單一組降低不明顯。聯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，聯合組在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優于單一組，處理后污泥重金屬總量相對更低；蚯蚓體內重金屬富集次序分別為Cr、Ni、Pb、Cu、Zn和Ni、Cr、Cu、Pb、Zn，聯合組蚯蚓對Cr、Pb、Zn、Ni 4種重金屬的富集效果優于單一組，富集重金屬總量也高于單一組。通過Hakanson生態風險評估，聯合作用污泥處理后由中等風險變為低風險，單一蚯蚓作用處理前后均為中等風險。

關鍵詞：熱帶地區；城市污泥；赤子愛勝蚓；木薯渣；重金屬

中圖分類號： X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0437-05

城市污泥是污水處理的必然產物，隨著中國城市化的迅速發展，污水處理廠的數量日益增長，大量的城市污泥也隨之產生[1-2]。由于城市污泥中含有各種有機污染物、重金屬、病原體等，不經過恰當的處理會對環境造成嚴重污染[3]。

污泥的常規處理手段，如露天堆置、衛生填埋、好氧和厭氧消化以及焚燒會造成更加嚴重的環境問題，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是基于人工濕地對污泥的可持續處理技術[4-6]，但這種方法由于占用土地面積大、對氣候要求高以及后續仍需凈化處理而受到限制[7]；污泥堆肥是另一個生態和經濟可持續發展的處理技術，多年來應用較廣[8-10]，但它存在耗時長、翻堆頻繁、營養元素損失等問題[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有機物質進行生物降解的復雜過程，它可以將有機廢棄物快速、高效地轉換成對植物和土壤有營養價值的產品，同時還可以收獲大量蚯蚓，目前在世界各地已經成功用于處理各種類型的工業污泥與城市污泥[13-16]。

目前污泥農用仍然受到重金屬難遷移、易富集、危害大等特點的制約[17]。以前的研究認為新鮮的城市污泥必須經過預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道，而木薯渣由于含有氫氰酸、單寧和植酸等抗營養因子，再利用一直受到限制。本研究通過室內模擬試驗，比較研究了蚯蚓-木薯渣聯合作用與單一蚯蚓作用處理對熱帶城市污泥重金屬含量的影響，并運用Hakanson潛在生態危害指數法對處理前后污泥農用潛在生態風險進行評價，旨在為熱帶地區同時處理2種有機廢棄物提出新思路，為熱帶地區開展城市污泥與農業廢棄物共同資源化利用提供基礎數據。

1材料與方法

1.1供試材料

試驗選用蚯蚓品種為赤子愛勝蚓（Eisenia foetida），飼養原料為牛糞，取自海南大學農學院蚯蚓養殖基地，選擇環帶明顯、體質量在300 mg左右的成熟蚯蚓。污泥為取自海口白沙門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，自然風干，經粉碎器研磨過2 mm尼龍篩備用。

1.2試驗方法

本試驗設蚯蚓-木薯渣聯合作用（80%污泥+20%木薯渣）與單一蚯蚓作用（100%污泥）2組，根據污泥與木薯渣含水率按干物質質量150.0 g 配比（濕質量大于500 g），每個處理稱量后混合均勻再分裝入盒。調整含水率至70%左右，放入規格為：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條個體質量在300 mg左右、環帶明顯的赤子愛勝蚓。試驗于室內自然條件下進行，試驗期間不再補充水分。每個處理設3個重復，35 d后處理結束，將蚯蚓及蚓繭用手全部取出。

1.3分析方法

試驗結束后用手將蚯蚓與蚓繭挑出計數，蚯蚓用去離子水洗凈后濾紙擦干稱質量。部分鮮樣用于測定含水率、pH值、電導率、有機質，其余部分冷凍干燥后研磨過100目篩，留作其他指標測定用；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目篩待測重金屬。

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

1.4 數據處理與分析

試驗結果表示為平均數±標準偏差（x±s），數據分析采用SPSS 20.0完成，對試驗數據進行單因素方差分析，通過t檢驗分析組間的差異性，顯著性水平為P<0.05。

2結果與討論

2.1不同處理方式對蚯蚓生物量的影響

由表1可以看出，試驗結束時2種處理方式蚯蚓存活率相同且均高于80%，表明蚯蚓能夠適應熱帶城市污泥的環境，直接處理可行。試驗結束蚯蚓-木薯渣聯合作用處理組（簡稱聯合組）與單一蚯蚓作用處理組（簡稱單一組）蚯蚓個體凈增質量分別為349.65、356.24 mg，聯合組增幅11533%，高于單一組的106.33%，總產繭量85.33個也高于單一組的76.33個，表明蚯蚓-木薯渣聯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不同處理方式對污泥理化性質的影響

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

pH值下降可能是由于在蚯蚓轉化過程中產生了CO2及有機酸，以及有機態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的56.5之間[20]，適于農用；EC增加可能是由于有機質的損失以及蚯蚓處理可以將無機離子和礦物鹽（如磷酸鹽、銨鹽、鉀離子）從污泥中釋放出來所引起的[21]。前人的研究已經證明蚯蚓能夠加速不溶有機物質向可利用形態轉變[22]，而且處理后EC值均未超過3.0 mS/cm，均滿足污泥農用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的結論[12，15，23]一致。

楊文霞等發現蚯蚓加速有機質的礦化導致其含量降低[24]，根據前人的研究，轉化過程中蚯蚓和微生物活動引起的C元素損失也會導致有機質降低[25]，而新陳代謝與礦化作用產生CO2[26]與CH4[27]是C元素損失的形式之一，蚯蚓處理過程中將污泥中的有機物質同化用于自身生長繁殖也會降低有機質含量[28]。聯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、有機質和全氮變化木薯渣促進了蚯蚓的吸收利用有關[29]，Hobson曾報道氮含量的減少與蚯蚓消化道內的脫氮作用有關，國內也有研究發現污泥經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質用于自身生長繁殖[30]，這與有機質含量變化結果相符。

2.3不同處理方式對污泥中重金屬含量的影響

由表3可見，聯合組重金屬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%，聯合組重金屬含量降低次序為： 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果表明Pb、Zn、Ni 3種重金屬元素含量均顯著下降（P<0.05），聯合組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）。聯合組在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優于單一組，處理后污泥重金屬總量相對更低，更適合農用。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促進植物生長，但含量過高則會對植物生長產生不利影響[31]，同時還容易引起環境污染，這也是限制污泥農用的主要因素之一。前人研究中重金屬含量既有上升的結果[26]，也會出現下降的結論[25]，這是由于有機質的降低會導致相對質量減少引起重金屬含量上升，蚯蚓對重金屬元素的富集作用[32]與間接作用（分泌物對pH值和重金屬產生作用）[33-34]則會導致其含量下降，本試驗中2種方式重金屬含量均出現下降，表明蚯蚓對重金屬元素的生物積累與間接作用效果大于其相對質量損失的效果，與Suthar的研究結果[35]相似。聯合組中的木薯渣對蚯蚓的攝食及腸道微環境必然會產生影響，而蚯蚓對重金屬的富集與蚯蚓黃色細胞和腸道中的酶密切相關[36-37]，因此可能會導致試驗中降低次序不同的結果出現。

根據海南省土壤背景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家污泥農用標準（GB 4284—1984）[39]，Zn含量聯合組更低，均略微高于標準值，考慮到Zn是植物生長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重金屬水平的變化

2種處理方式處理結束后蚯蚓體內重金屬含量變化如表4所示，聯合組與單一組蚯蚓體內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）。聯合組蚯蚓富集次序為：Cr 、Ni、Pb、Cu、Zn，單一組富集次序為：Ni、Cr、Cu、Pb、Zn。聯合組蚯蚓對Cr、Pb、Zn、Ni這4種重金屬的富集效果優于單一組，富集重金屬總量也高于單一組。

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

重金屬含量在蚯蚓體內的上升與在污泥中的降低結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，而且聯合組富集效果更好。

2.5污泥處理前后重金屬潛在生態風險評估

熱帶城市污泥經過蚯蚓堆肥處理的最終目的是實現安全農用，考慮到施用后不同重金屬污染的復合效應及其對土壤、農作物及人體健康的危害不同，在多種重金屬元素風險評估方法中選擇了Hakanson于1980年提出的潛在生態危害指數法[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境效應，比單一的含量評價更能客觀反映污泥重金屬潛在危害。其計算公式如（1）所示：

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

組別蚯蚓體內重金屬含量（mg/kg）CrPbCuZnNi處理前1.85±0.06aA0.72±0.01aA10.50±0.58aA102.33±1.89aA1.52±0.03aA聯合組處理后式中：Cis為污泥中重金屬i的實測值；Cin為重金屬i的參比值，本研究考慮實際情況及其他參考文獻選取了我國土壤環境質量一級標準值[44]（表5）；Tir為重金屬i的毒性系數，根據 Hakanson 的標準化響應系數為標準（表5）；Eir為單因子i的潛在生態危害指數。RI為多種重金屬復合生態危害指數。污泥潛在生態風險評價標準如表6所示。

蚯蚓處理前后熱帶城市污泥重金屬潛在生態危害評價結果如表7所示，5種重金屬的潛在生態危害指數（Eir）大小順序均為：Cu、Zn、Pb、Cr、Ni，毒性危害最強的是Cu，最大危害指數達到144.2（單一組處理前）。蚯蚓處理后5種重金屬元素危害指數均下降，聯合組復合生態危害指數（RI）處理后風險程度由中等風險降低至低風險，單一組處理前后均為中等風險。因此，在熱帶地區蚯蚓-木薯渣聯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用的潛在生態風險。

3結論

2種處理方式蚯蚓均能適應熱帶城市污泥的環境，蚯蚓-木薯渣聯合作用更能促進蚯蚓生物量增加。

聯合作用與單一蚯蚓作用在對熱帶城市污泥的礦化能力和有機物降解能力上基本一致，pH值、有機質、全氮含量均有不同程度降低，EC值均顯著增加，聯合作用對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，聯合作用在Cr、Cu、Ni 3種元素的降低效果中優于單一蚯蚓作用，處理后污泥重金屬總量相對更低；聯合作用蚯蚓對Cr、Pb、Zn、Ni這4種重金屬的富集效果優于單一蚯蚓作用，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。

聯合作用能夠降低污泥農用的潛在生態風險等級，處理后污泥重金屬潛在生態危害程度由中等風險降低至低風險，而單一蚯蚓作用則仍屬于中等風險。

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