石田螺处理城市剩余污泥试验

梁 敏，陶虎春* ，倪晋仁，刘耀成，李 伟，吴应超

1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院，城市人居环境科学与技术重点实验室，广东 深圳 518055

2.北京大学环境工程系，水沙科学教育部重点实验室，北京 100871

石田螺处理城市剩余污泥试验

梁 敏1，2，陶虎春1，2*，倪晋仁2，刘耀成1，李 伟1，2，吴应超1，2

1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院，城市人居环境科学与技术重点实验室，广东 深圳 518055

2.北京大学环境工程系，水沙科学教育部重点实验室，北京 100871

应用石田螺(Sinotaia quadrata)摄食和消化城市剩余污泥，通过考察石田螺的最佳养殖密度、城市剩余污泥经石田螺处理前后性质的变化和重金属转移规律，对石田螺处理城市剩余污泥的可行性进行了研究.结果表明：石田螺在养殖密度为13～15 kg/m3时存活率较高;石田螺可将城市剩余污泥直接转化为颗粒螺粪，可有效去除污泥中的有机物，对VS和TOC去除率分别达到23%和37%.对城市剩余污泥经石田螺处理后得到的螺粪进行厌氧发酵产气试验，12 d后的总产气量仅为0.5 mL，可见螺粪的厌氧消化活性较低，这可在一定程度上避免污泥腐化发臭.石田螺对城市剩余污泥中Cr，Cu，Zn，Pb和Cd 5种重金属的富集系数(BCF)分别为1.09，1.36，1.17，1.33和3.41;石田螺对 Ni无富集作用.城市剩余污泥处理后得到的螺粪重金属质量分数符合国家《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)，在其他污染物项目达标的前提下，可用作为城市绿化用肥或土壤改良剂等，实现污泥的资源化利用.

城市剩余污泥;石田螺;稳定化;重金属;生物肥料

随着经济和城镇化的快速发展，城市污水处理设施建设速度不断加快，污水处理过程中产生的城市剩余污泥的安全、环保、有效处理处置已成为亟待解决的问题［1-2］.据调查，我国只有部分污水处理厂对污泥进行浓缩、消化稳定和干化脱水处理，许多小型的污水处理厂由于运行资金不足而没有建设完善的污泥处理系统［3］.投资小、运行成本低的生物处理技术受到越来越多的关注，如污泥发酵产沼气［4-5］、污泥堆肥［6-8］和蚯蚓分解处理法［9-12］等. 污泥堆肥和蚯蚓分解处理法均可将城市剩余污泥转化为富含植物营养、土壤酶和腐植酸的生物肥料，但一般只适用于含水率较低的脱水污泥［13-14］，因此研究应用生物技术直接处理含水率较高的城市剩余污泥具有重要意义.目前已有利用细菌捕食者(如原生动物纤毛虫、后生动物线虫轮虫、环节动物水螅等微型动物)实现污水处理过程中污泥减量化的相关研究［15-17］，但鲜见利用田螺科底栖动物通过摄食消化作用将城市剩余污泥转化为生物肥料的研究报道.

石田螺，俗称石螺蛳(Sinotaia quadrata)，属软体肌肉动物门，腹足纲，栉鳃目，田螺科，石田螺属;其分布极广，栖息在河川、池塘或者水田等泥质水底中，以细菌、浮游动物残体和有机杂质为食［18］.城市剩余污泥由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成.笔者尝试将城市剩余污泥作为石田螺的食料，利用石田螺对城市剩余污泥的摄食、消化作用实现城市剩余污泥的稳定化、减量化和无害化.通过城市剩余污泥直接养殖石田螺试验考察石田螺的最佳养殖密度、城市剩余污泥经石田螺处理前后性质的变化和重金属转移规律，探索石田螺直接处理城市剩余污泥的可行性.

1 材料与方法

1.1 污泥

试验污泥取自深圳市罗芳污水处理厂的污泥浓缩池，样品采集后静置沉淀，弃去上清液后于4℃冰箱中冷藏备用，含水率为89.0% ～92.4%，p H为6.7～7.3.

1.2 石田螺

石田螺购自深圳市布吉农产品批发市场，品种为石田螺(又称环棱螺，Sinotaia quadrata)，螺壳较小，绿褐色，螺塔较高，壳高为1～2 cm.选取单只体质量为1.5～2.5 g活力好的石田螺约500只，用自来水洗净后养于塑料箱中备用.

1.3 试验步骤

石田螺养殖密度试验在3个规格为31 cm×44 cm×26 cm的塑料箱中进行，水深为8 cm左右，每日仅投喂污泥1次，不添加其他食料.3个塑料箱中石田螺的生物量分别为167，293和415 g，即密度分别为 15.3，26.8 和 37.1 kg/m3，分别为命名 L1，L2和L3，每日投喂污泥量(湿质量)约为石田螺体质量的10%.每日观察石田螺对污泥的摄食情况，及时清理死亡的石田螺，记录塑料箱中石田螺生物量的变化.

在石田螺最佳养殖密度的条件下进行城市剩余污泥处理试验，每日早上08：00投喂污泥1次.观察石田螺消化污泥所需的时间，污泥无残余后收集螺粪，分析污泥经石田螺摄食、消化处理前后性质的变化.

我国城市剩余污泥常见的重金属有Cr，Cu，Zn，Ni，Pb 和 Cd 等［19-21］，《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)中也有相关污染物的控制指标，因此选取这6个重金属污染物指标.取新鲜未投喂过污泥的石田螺约150 g养殖于塑料箱中，每日投喂污泥1次，投喂量同上.试验周期为100 d，每隔20 d取一定量的石田螺和螺粪冷冻干燥后备用，分别测定原始污泥、石田螺软体肌肉组织和螺粪中6种重金属的质量分数，研究重金属在石田螺中的转移规律.

1.4 分析方法

污泥及螺粪中挥发性固体(VS)采用重量法测定;总有机碳(TOC)测定采用德国耶拿分析仪器股份公司的multiN/C3100型TOC仪;粒径分析采用美国麦奇克有限公司的S3500型激光粒度分析仪.

厌氧消化稳定性评价：取污泥及螺粪各15 g置于100 mL厌氧瓶中，加入纯净水稀释至50 mL，软胶塞密封瓶口，以史氏发酵管收集厌氧发酵产生的气体［22］.

采用微波消解-火焰原子吸收分光光度法测定石田螺软体肌肉组织、投喂污泥和螺粪中的重金属质量分数.试样预处理：取出冷冻干燥后保存的石田螺，砸碎外壳后取其软体肌肉组织(剔除消化系统)，置于玛瑙研钵中研磨成粉末，充分混匀备用［23］.所有样品均在105℃烘箱中烘干至恒质量后置于干燥器中冷却至常温，得到备用样品.称取0.1～0.3 g(精确至0.000 1 g)石田螺样品粉末于聚四氟乙烯微波消解罐中，加硝酸5～6 mL，再加入过氧化氢(30%)1～2 mL，进行微波消解.冷却至室温，用去离子水少量多次洗涤消化罐，洗液合并于50 mL容量瓶中，定容至刻度，摇匀备用［24］.准确称取0.1～0.3 g(精确至0.000 1 g)投喂污泥(或螺粪)研磨混合备用样品于消解罐中，加入3 mL氢氟酸，7 mL硝酸，3 mL盐酸和2 mL过氧化氢，经微波消解后，将消解液体置于可调电热板上蒸至近干，用2%HNO3定容于50 mL容量瓶中［25-26］.同时做试剂空白，硝酸、过氧化氢(30%)、氢氟酸、盐酸、氢氟酸均为优级纯.采用火焰原子吸收分光光度法(SOLAAR-S4，美国热电公司)测定消解液中重金属离子浓度，计算得到石田螺软体肌肉组织、投喂污泥和螺粪中的重金属质量分数.

富集系数(BCF)对了解重金属在生物体内的富集、代谢、迁移和转化规律有重要意义［27-28］，计算石田螺对重金属的富集系数可有效评估重金属在石田螺体内的累积效应，其表达式如下：

式中，w1为石田螺软体肌肉组织中的重金属质量分数(连续投喂污泥100 d后)，mg/kg;w2为城市剩余污泥中的重金属质量分数，mg/kg.

2 结果与讨论

2.1 养殖密度对石田螺存活率的影响

相同投喂比例下，养殖密度对石田螺的存活率影响较为显著，结果如图1所示.由图1可见，L1组石田螺的存活率较高，仅在试验开始时出现螺只的死亡，17 d后未再出现过螺只的死亡，存活生物密度保持在13.1 kg/m3，存活率达到85.6%.L2组在试验初期存活生物密度持续下降，但随着石田螺对污泥饵料的适应和生物密度的降低，死亡率逐渐下降，最终存活生物密度为 10.7 kg/m3，存活率为39.9%.试验初期和中期L3组的存活生物密度持续下降，18 d后死亡率有所下降，最终存活生物密度为13.2 kg/m3，存活率为34.8%.可见石田螺的养殖密度不宜过高，应设置为13～15 kg/m3.

图1 养殖密度对石田螺存活生物密度的影响Fig.1 The effect of stocking density on the survival of Sinotaia quadrata

2.2 石田螺处理对污泥性状与有机物质量分数的影响

在养殖密度为13.8 kg/m3的条件下(每箱石田螺的生物量为150 g)重复污泥投喂试验，每日污泥投喂量(湿质量)为石田螺生物量的10%(即15 g).在塑料箱上方安置视频摄像头，每隔10 min拍照1次，观察污泥摄食与螺粪排泄情况.观察发现，石田螺消化15 g浓缩污泥约需要10～12 h;24 h后收集螺粪发现，絮体状污泥已被石田螺转化为黄色球形或椭球形的颗粒螺粪，光学显微镜下测得其直径约为0.1～0.3 mm.将污泥与螺粪分别放入S3500型激光粒度分析仪中，经样品高速分散系统处理后测得二者的粒径分布，结果如图2所示.由图2可见，污泥分散后粒径较大，多数在4.6～18.5μm的范围;而螺粪颗粒分散后粒径较小，多数在3.3～13.1 μm之间.可见污泥经石田螺消化处理后其内部松散的絮状物可转化为结构密实的颗粒螺粪.

图2 污泥与螺粪粒径分布大小的比较Fig.2 Size distribution of the sludge and manure

收集螺粪并分析其有机物质量分数，有机物包括挥发性固体(VS)和总有机碳(TOC)，做5次重复取其平均值，结果如图3所示.由图3可见，w(VS)由处理前(原始污泥)的20.1 g/kg减至处理后(螺粪)的16.2 g/kg，去除率达到23%;w(TOC)亦由处理前的8.1 g/kg减至处理后的5.1 g/kg，去除率达到37%.可见石田螺对污泥的摄食、消化可分解污泥中的有机物，在一定程度上实现污泥稳定化.

图3 污泥与螺粪中有机物质量分数的比较Fig.3 Organic content in the sludge and manure

综上，石田螺处理污泥可得到结构密实的颗粒螺粪，有效降低污泥中的有机物质量分数;但石田螺对污泥的处理速度较慢，10～12 h内的污泥处理量(湿质量)约为其自身生物量的10%，即最大日处理量约为石田螺生物量的20%.

2.3 石田螺处理对污泥厌氧消化稳定性的影响

比较污泥厌氧发酵的产气量是评价其厌氧消化稳定性的有效途径.试验中不加入接种污泥，直接对原始污泥和螺粪进行厌氧发酵，其累计总产气量如图4所示.由图4可见，原始污泥的日产气量较为平均，总产气量持续稳定增加，12 d后其总产气量达24 mL;而螺粪在前半阶段基本无产气，该阶段观察厌氧瓶亦发现螺粪一直保持黄色球形或椭球形密实颗粒态，无厌氧发酵迹象.21 d后原始污泥的总产气量达46 mL，而螺粪的总产气量仅缓慢升至16 mL，可见原始污泥的产气情况明显好于螺粪.这可能是因为原始污泥中含有大量的产甲烷菌等细菌，污泥经石田螺摄食、消化处理后，大部分细菌被消化酶分解导致螺粪中活性菌数量极少.此外，污泥经石田螺处理后有机物质量分数的降低也是螺粪产气量较低的原因之一.可见，石田螺处理可将污泥转化为较为稳定的螺粪，在一定程度上避免了污泥腐化发臭，实现污泥的稳定化.

图4 污泥与螺粪厌氧消化的总产气量比较Fig.4 Total biogas yield of the sludge and manure

2.4 重金属的转移规律

在石田螺处理污泥的试验过程中，每隔20 d取一定量的石田螺冷冻干燥后测定其软体肌肉组织中重金属质量分数，结果见图5.比较投喂污泥后石田螺软体肌肉组织中各种重金属质量分数的变化可知，除了w(Ni)在波动中略有降低外，其他5个指标均有所升高.连续投喂污泥100 d后，石田螺体内w(Zn)由(217.87±10.28)mg/kg升至(295.03±11.51)mg/kg，w(Cu)由(109.16 ±7.09)mg/kg升至(175.79±13.71)mg/kg，w(Pb)由(22.88±6.56)mg/kg显著升至(55.89 ±3.68)mg/kg，w(Cr)由(9.39±1.25)mg/kg升至(25.34±3.58)mg/kg，w(Cd)由(0.333±0.03)mg/kg升至(3.57±0.19)mg/kg.计算得到石田螺对污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd这5种重金属的富集系数分别为 1.09，1.36，1.17，1.33和3.41;石田螺对Ni可能无富集作用.

图5 石田螺体内重金属质量分数的变化Fig.5 Concentration curve of heavy metals in Sinotaia quadrata

对原始污泥和螺粪中6种重金属质量分数进行分析，并与国家《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)中酸性土壤(pH＜6.5)农用标准进行比较，结果如图6所示.由图6可知，除了w(Ni)外，原始污泥经过石田螺处理后重金属质量分数均有所下降.污泥与螺粪中重金属质量分数均低于酸性土壤污泥施用的最高容许量，而碱性土壤的最高容许量更高，因此污泥经石田螺处理后得到的螺粪中 Cr，Cu，Zn，Pb，Cd 和 Ni 6 种重金属质量分数符合国家农用标准，在其他污染物项目达标的前提下，可将其用作城市绿化用肥或土壤改良剂等，实现污泥的资源化利用.

图6 污泥和螺粪中重金属质量分数与GB4284—84(酸性土壤，p H ＜6.5)的比较Fig.6 Contents of heavy metals in the sludge and manure compared with GB4284-84(acid soil，p H ＜6.5)

3 结论

a.石田螺以城市剩余污泥为食料，试验中石田螺的最佳养殖密度为13～15 kg/m3.石田螺将城市剩余污泥直接转化为螺粪，对剩余污泥的VS去除率达23%，对TOC去除率达37%;但石田螺对污泥的处理速度较慢，污泥日处理量(湿质量)约为石田螺生物量的20%.

b.城市剩余污泥经石田螺处理后形成的螺粪厌氧消化活性较低，可在一定程度上避免污泥腐化发臭，实现污泥的稳定化.

c.石田螺对城市剩余污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd有较强的富集，对 Ni可能无富集作用.城市剩余污泥经处理后得到的螺粪中的重金属质量分数符合国家农用标准，在其他污染物项目达标的前提下，可将其用作城市绿化用肥或土壤改良剂，实现污泥的资源化利用.

［1 ］ WANG H L，BROWN S L，MAGESAN G N，et al.Technological options for the management of biosolids［J］.Environ Sci Pollut Res，2008，15(4)：308-317.

［2］ KINNEY C A，FURLONG E T，KOLPIN D W，et al.Bioaccumulation of pharmaceuticals and other anthropogenic waste indicators in earthworms from agricultural soil amended with biosolid or swine manure［J］.Environ Sci Technol，2008，42(6)：1863-1870.

［3］ 尹军，谭学军.污水污泥处理处置与资源化利用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］ LUOSTARINEN S，LUSTE S，SILLANPAA M.Increased biogas production at wastewater treatment plants through co-digestion of sewage sludge with grease trap sludge from a meat processing plant［J］.Bioresource Technology，2009，100(1)：79-85.

［5］ HAYASHI N，KOIKE S，YASUTOMI R，et al.Effect of the sonophotocatalytic pretreatment on the volume reduction of sewage sludge and enhanced recovery of methane and phosphorus［J］.Journal of Environmental Engineering-Asce，2009，135(12)：1399-1405.

［6］ TEJADA M.Application of different organic wastes in a soil polluted by cadmium：effects on soil biological properties［J］.Geoderma，2009，153(1/2)：254-268.

［7］ MOREIRA R，SOUSA J P，CANHOTO C.Biological testing of a digested sewage sludge and derived composts［J］.Bioresource Technology，2008，99(17)：8382-8389.

［8 ］ ALVARENGA P，PALMA P，GONCALVES A P，et al.Evaluation of chemical and ecotoxicological characteristics of biodegradable organic residues for application to agricultural land［J］.Environ Intern，2007，33(4)：505-513.

［9］ KHWAIRAKPAM M，BHARGAVA R.Vermitechnology for sewage sludge recycling［J］.J Hazard Materi，2009，161(2/3)：948-954.

［10］ SUTHAR S.Vermistabilization of municipal sewage sludge amended with sugarcane trash using epigeic Eisenia fetida(Oligochaeta)［J］.J Hazard Materi，2009，163(1)：199-206.

［11］ GUPTA R，GARG V K.Stabilization of primary sewage sludge during vermicomposting［J］.J Hazard Materi，2008，153(3)：1023-1030.

［12］ SEZIMOVA H，MALACHOVA K，PAVLICKOVA Z，et al.Application of plant and earthworm bioassays to evaluate of toxicity effects of municipal sewage sludge［J］.Toxicology Letters，2009，189：S161-S161.

［13］ SUTHAR S，SINGH S.Vermicomposting of domestic waste by using two epigeic earthworms(Perionyx excavatus and Perionyx sansibaricus) ［J］.International Journal of Environ Sci Technol，2008，5(1)：99-106.

［14］ KUMAR P R，JAYARAMA，SOMASHEKAR R K.Assessment of the performance of different compost models to manage urban household organic solid wastes［J］.Clean Technologies and Environmental Policy，2009，11(4)：473-484.

［15］ BUYS B R，KLAPWIJK A，ELISSEN H，et al.Development of a test method to assess the sludge reduction potential of aquatic organisms in activated sludge［J］.Bioresource Technology，2008，99(17)：8360-8366.

［16］ GUO X S，LIU J X，WEI Y S，et al.Sludge reduction with Tubificidae and the impact on the performance of the wastewater treatment process［J］.Journal of Environmental Sciences(China)，2007，19(3)：257-263.

［17］ HUANG X，LIANG P，QIAN Y.Excess sludge reduction induced by Tubifex tubifex in a recycled sludge reactor［J］.Journal of Biotechnology，2007，127(3)：443-451.

［18］ 邹国华，郭志杰，叶维钧.常见水产品实用图谱［M］.北京：海洋出版社，2008.

［19］ 陈秋丽，张朝升，张可方，等.城市污水处理厂的污泥农用对土壤的重金属影响［J］.污染防治技术，2008，21(1)：23-25.

［20］ 周立祥，沈其荣，陈同斌，等.重金属及养分元素在城市剩余污泥主要组分中的分配及其化学形态［J］.环境科学学报，2000，20(3)：269-274.

［21］ 陈玉娟，温琰茂，柴世伟，等.珠江三角洲农业土壤重金属含量特征研究［J］.环境科学研究，2005，18(3)：75-77.

［22］ BOUGRIER C，DELGENES J P，CARRERE H.Impacts of thermal pre-treatments on the semi-continuous anaerobic digestion of waste activated sludge［J］.Biochemical Engineering Journal，2007，34(1)：20-27.

［23］ 姚剑敏，弓振斌，李云春，等.海洋生物体中稀土元素的微波消解电感耦合等离子体质谱测定研究［J］.分析测试学报，2007，26(4)：473-477.

［24］ 盛建国，智锁红，葛建强，等.原子吸收光谱法测定底栖动物重金属元素的含量［J］.江苏科技大学学报：自然科学版，2008，22(4)：81-85.

［25］ 任海仙，王迎进.微波消解 -火焰原子吸收光谱法测定土壤中重金属元素的含量［J］.分子科学学报，2009，25(3)：213-216.

［26］ 高扬，周培，施婉君，等.重金属光谱分析仪与原子吸收光谱测定土壤中的重金属［J］.中国环境监测，2009，25(1)：24-25.

［27］ SUTHAR S.Metal remediation from partially composted distillery sludge using composting earthworm Eisenia fetida［J］.Journal of Environmental Monitoring，2008，10(9)：1099-1106.

［28］ SUTHAR S，SINGH S.Feasibility of vermicomposting in biostabilization of sludge from a distillery industry［J］.Sci Total Environ，2008，394(2/3)：237-243.

Treatment of Municipal Excess Sludge by Sinotaia quadrata

LIANG Min1，2，TAO Hu-chun1，2，NI Jin-ren2，LIU Yao-cheng1，LI Wei1，2，WU Ying-chao1，2
1.Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology，School of Environment and Energy，Peking University Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China
2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences，Ministry of Education，Department of Environmental Engineering，Peking University，Beijing 100871，China

The feasibility of treatment of municipal excess sludge was studied based on research on the ingestion and digestion of sludge by Sinotaia quadrata.Appropriated stocking density of Sinotaia quadrata，the change of the sludge properties before and after treatment by Sinotaia quadrata，and the heavy metal transfer law were investigated.The results showed that the best survival rate of Sinotaia quadrata was obtained at stocking density of 13-15 kg/m3;the municipal excess sludge could be transformed into granular manure;the organic matter in the sludge was removed effectively;and，VS and TOC removal efficiencies could reach 23%and 37%respectively.The anaerobic biogasification performance of the granular manure from the municipal excess sludge was investigated.Total biogas yield of 0.5 mL was obtained within 12 d，which indicated that the low activity of anaerobic digestion for granular manure could avoid the corruption of the sludge.The bio-concentration factors(BCF)of heavy metals for Sinotaia quadrata including Cr，Cu，Zn，Pb and Cd were 1.09，1.36，1.17，1.33 and 3.41，respectively;no enrichment was detected for Ni.The contents of heavy metals in the granular manure met the control standards for agricultural use according to“Control standards for pollutants in sludge from agricultural use”(GB4284-84).If the granular manure from the municipal sludge could meet the control standards for other pollutants，it could be used as urban green fertilizer or soil conditioner to realize resource utilization of the sludge.

municipal excess sludge;Sinotaia quadrata;stabilization;heavy metals;biofertilizer

X703.1

A

1001-6929(2010)09-1180-05

2010-03-29

2010-05-20

北京大学深圳研究生院院长科研基金项目(2008014)

梁敏(1984-)，女，广东罗定人，liangmin@pku.edu.cn.

*责任作者，陶虎春(1974-)，男，四川眉山人，副教授，主要研究水污染防治与废水资源化，taohc@szpku.edu.cn

(责任编辑：潘凤云)