接种蚯蚓堆制处理造纸污泥的试验研究

李 丹 王德汉 曾 婷 李 亮 谢锡龙

（华南农业大学资源环境学院，广东广州，510642）

广州造纸集团有限公司纸及纸板年生产能力50万t，是我国南方重要的制浆造纸基地，但每年产生的造纸污泥量也达到20多万t［1］。由于填埋场所相对短缺，国内许多纸厂污泥随意弃置或不经无害化处理在农田上滥用现象很普遍，造成新的环境污染，生态风险愈来愈大，因此，迫切需要解决污泥无害化处理问题。

利用蚯蚓分解污泥的研究起源于20世纪70年代，Hartenstein等［2-3］将利用人工控制的方法实现蚯蚓堆肥处理过程称为蚯蚓生物分解处理技术。蚯蚓作为主要的大型土壤动物之一，组成了重要的二级分解者群体。蚯蚓是降解有机废弃物的重要生物。

蚯蚓堆肥技术是一种环境友好型方法，它利用蚯蚓作为天然的生物反应器，将废弃物转化为有营养的堆肥产品施用于作物生产，达到有效回收利用排放到土壤的有机废弃物的目的。在微生物的协同作用下，蚯蚓利用自身丰富的酶系统（蛋白酶、脂肪酶、纤维酶、淀粉酶等）将有机废弃物迅速分解、转化成易于利用的营养物质，加速堆肥稳定化过程［4］。

本研究考察了在赤子爱胜蚓堆制处理造纸污泥过程中，蚯蚓的生长、繁殖特性以及蚯蚓对堆制产物（蚯蚓粪）化学特性〔pH值、VS（挥发性固体）、有机质、TN（总氮）、TP（总磷）、TK（总钾）〕的影响，为该项技术的进一步发展完善提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

（1）供试蚯蚓

赤子爱胜蚓（Eisenia foetida），购自广州市洋兴畜牧有限公司。

（2）供试有机物料

造纸污泥：取自广州造纸集团有限公司生化法废水处理系统的生物污泥（活性污泥）。

培养基质：经蚯蚓堆制处理造纸污泥与落叶堆肥混合物后的产物，挑出蚯蚓与蚓茧，自然风干，备用。供试物料的基本理化性质见表1。

表1 供试物料的基本理化性质

1.2 具体试验设计

试验采用上口直径为25cm、下底直径为18cm、高20cm、底部有透水孔的花盆，底部放有细纱网防止蚯蚓逃逸。按不同处理加200、150、120、100g（风干质量）的造纸污泥及0、50、80、100g（风干质量）的蚓粪，使堆制有机物总质量为200g。每盆接种大小相当的成年蚯蚓30条［5-6］。试验设4个处理配料比，每个处理设4个重复，共16盆，在常温、阴暗处培养，本次蚯蚓堆制试验时间为：2008年7月17日—9月14日。堆制过程中通过称重法判断含水量是否在最适范围，若含水量太高，则将盆放于通风处使过多的水分蒸发，若含水量太低，则用喷水器均匀喷洒蒸馏水加以调节。整个堆制过程物料含水量控制在（70±10）％。具体实验设计见表2。

分别在堆制15、30、45、60d时进行蚯蚓计数和称重。计数时先将堆制的混合物缓慢倒出，仔细挑出其中的成蚓、幼蚓和蚓茧，对成蚓和幼蚓进行计数和称重，对蚓茧进行计数。采取破坏性取样，样品风干后测定其pH值、VS、有机质、TN、TP、TK，进而初步评价堆制产物的化学性质。

表2 堆制处理中初始物料的含量

1.3 测定分析方法

1.3.1 蚯蚓生长、繁殖特性的测定方法［7］

蚯蚓日增重倍数：（堆制一定天数后蚯蚓总重量-初始蚯蚓重）/（初始蚯蚓重×堆制天数）

蚯蚓日增殖倍数：（堆制一定天数后蚯蚓总条数-初始蚯蚓条数）/（初始蚯蚓条数×堆制天数）

式中蚯蚓总条数包括成蚓数、幼蚓数和蚓茧数，每个蚓茧按1条蚯蚓计算，处理时间以d计，蚯蚓重以g计。

1.3.2 样品测试项目及方法

含水率、pH值、VS、有机质、TN、TP、TK的测定方法见文献［8］中的常规测定方法。

1.4 数据统计分析

样品分析数据在Excel下建立数据库，并进行标准差分析，然后采用SAS统计软件，采用邓肯法（Duncan’s multiple range test）进行显著性检验，同一处理间字母相同表示无显著性差异，字母不同表示有显著性差异［9-10］。本研究利用简单相关分析来讨论变量之间的联系程度，并对所有相关系数r都进行统计意义检验，若不注明，显著差异指p＜0.05，极显著差异指p＜0.01。

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓在造纸污泥堆制过程中的生长和繁殖特性分析

在利用蚯蚓处理有机废弃物时，蚯蚓的生长和繁殖直接影响处理效果［11］，因而有必要对蚯蚓的生长和繁殖进行统计。在接种蚯蚓的4个处理中，均未发现蚯蚓的死亡逃逸现象，且生长繁殖状况良好，这表明直接用蚯蚓堆制处理造纸污泥是可行的。蚯蚓堆制过程中赤子爱胜蚓日增重倍数和日增殖倍数见图1和图2。

2.1.1 蚯蚓在造纸污泥堆制过程中的生长特性分析

从图1可以看出，在堆制期间（0～60d），4个处理的蚯蚓日增重倍数均呈平稳下降趋势，E4处理在15～30d内，降幅最大达到了54％。在堆制结束时，E1处理中赤子爱胜蚓的日增重倍数出现了负值，较0～45d降低了119％，较堆制之初其蚯蚓生物总量明显地下降，而其余各处理（E2、E3、E4）较0～45d降幅继续增大，在83％～90％之间，其蚯蚓日增重倍数已降至接近于零。至此，蚯蚓堆制处理造纸污泥已处于稳定。各处理中的营养已消耗殆尽，蚯蚓体色由红转为暗黄，长势瘦弱。同时，与堆制之初的造纸污泥成团结块、短纤维清晰可见相比，各处理的堆制产物（蚯蚓粪）呈现出颗粒均匀细小等特点。

以上结果表明，可直接接种赤子爱胜蚓处理造纸污泥，但以E4处理（50％造纸污泥+50％培养基质+蚯蚓）最利于蚯蚓的生长。以一定比例培养基质加入造纸污泥，不仅接种了丰富的微生物，促进了蚯蚓的摄食、生长，还为蚯蚓提供了氮源，平衡其生长所需营养，同时调节了其pH值至弱碱性，更利于蚯蚓的生长。

2.1.2 蚯蚓在造纸污泥堆制过程中的繁殖特性分析

由图2看出，在堆制15～30d内，E1、E2、E3、E4各处理的蚯蚓日繁殖倍数，分别显著增加了10、5.0、4.0、2.7倍，此后，E1处理的蚯蚓日繁殖倍数一直小幅增加，E2处理的先是小幅下降而后又上升，E3、E4则呈下降态势。与上述的赤子爱胜蚓的日增重规律相比较，其日繁殖规律具有滞后性。相比较而言，E4处理中造纸污泥、培养基质各占50％的配料比，最适合蚯蚓的生长，但同时蚯蚓也最快将饵料中的养分消耗掉，由此可推论，提供适宜蚯蚓摄食、生长的饵料，具体说就是调节其C/N、pH值，可以提高蚯蚓处理造纸污泥的效率。

2.2 蚯蚓堆制处理造纸污泥过程中pH值的变化

图3显示：在整个蚯蚓堆制期间（0～60d），E1、E2、E3、E4各处理中造纸污泥蚯蚓堆制物的pH值变化趋势大致相同，均是先下降后微有上升，最后趋于稳定。堆制之初（0d），E1处理（新鲜造纸污泥）的pH值为8.3，E2、E3、E4各处理的pH值分别为8.2、8.1、8.0，在第60d时，E4处理中造纸污泥蚯蚓堆制物pH值最低，为7.8，其余各处理（E1、E2、E3）的pH值分别降至7.8、7.8、7.9，均为弱碱性。与堆制之初相比较，E1处理中造纸污泥蚯蚓堆制物pH值降幅最大，为7.0％，其余则依次为E2、E4、E3各处理的4.0％、3.0％、2.0％。这是由于在开始阶段，蚯蚓和微生物对有机质的降解产生大量的有机酸，pH值降低；随着实验的进行，蚯蚓和微生物对有机物进一步降解，尤其是对有机酸的降解，同时含氮有机质生物转化产生氨，导致pH值升高，一般达到8.0左右；当堆体趋于稳定时，由于堆体中氨的挥发，pH值回调，一般达到7.5～8.0左右，呈弱碱性，这有利于提高肥料和土壤中阳离子的交换能力，提高土壤肥力［12］。

2.3 蚯蚓对造纸污泥堆制产物VS的影响

VS含量的高低反映了堆肥过程中可被赤子爱胜蚓利用的能量的多寡，反映了堆肥过程中有机质的降解，可以指示堆肥的进程［13］。从图4可以看出，在堆制之初（0d），各处理中原始物料VS相近。在整个堆制时期，E2、E1、E3各处理VS均在15～30d内下降最快，这与上述的赤子爱胜蚓在此阶段的总生物量、日繁殖倍数达到最高相一致，故此阶段为造纸污泥快速稳定时期。在第30～60d内，E4处理蚯蚓堆制物VS降低最多，明显高于其余各处理。在第60d时，各处理VS趋于稳定，尤以E1处理中蚯蚓堆制物VS最低，接近50％，与堆制之初相比，其降幅最大，约为15％。

2.4 蚯蚓对造纸污泥堆制产物有机质影响

图5为赤子爱胜蚯蚓对造纸污泥堆制物有机质的影响。从图5可知，在堆制之初，各处理中初始基质的有机质含量在549.19～654.39g/kg，经过蚯蚓堆制60d后，其有机质含量为472.39～508.69g/kg，最终各处理中堆肥产物的有机质含量差异显著，其中E1最高，其次为E4、E2、E3。与初始基质相比，经过60d的蚯蚓堆制后，各处理堆制产物中的有机质含量均显著下降，其降幅分别为22％、19％、17％、11％。有机质含量降低的结论已被早期研究者证明［14-15］，他们报道，不同工业污泥蚯蚓堆制后，以CO2形式减少的有机质含量占总有机质含量的20％～43％。Suthar［16］在3种不同的物质（瓜尔豆胶工业废弃物、牛粪和木屑）按不同比例混合，进行实验室条件下的Perionyx excavatus（Perrier）蚯蚓堆制处理，得出有机质含量减少的原因为：蚯蚓的堆制处理加速了微生物的分解作用和有机残余物的同化，同时由于蚯蚓活动改善了微生物小气候，从而通过蚯蚓的呼吸作用加速了物料中碳元素的损失，而蚯蚓促进了微生物的繁殖，进一步加速了有机废弃物的降解。因此，蚯蚓的堆制处理直接影响了废弃物中有机质的含量［17-18］。

2.5 蚯蚓对造纸污泥堆制产物TN、TP、TK的影响

与堆制之初相比，各处理堆制产物中的氮含量相差不大（见表3）。E1处理全为造纸污泥，蚯蚓堆制处理后其含氮量略有降低，但差异不显著；E2、E3、E4处理堆制产物含氮量均比堆制之初高，其中E2、E4各显著增加9％、5％。S.Bansal［19］、R.M.Atiyeh［20］、C.Elvira［21］也做过有相关的研究，得出了类似的结论。可能是有机质的降解、矿化，使得含氮量增加。但是，Ndegwa等［22］和Mitchell［23］的研究认为，初始基质与堆制产物的含氮量没有显著差异。同时，也有研究［24］报道在整个蚯蚓堆肥过程中，其氮含量变化很大。蚯蚓堆肥处理不同的废弃物，得出堆肥过程中全氮含量结论的不同，原因在于蚯蚓摄食的饵料不同，以及其物理结构、化学组成影响了含氮有机物的矿化，化合物中含氮量的多寡。

造纸污泥、蚯蚓粪的TP含量分别为0.67g/kg、15.60g/kg，4个处理的初始TP含量差异显著。经过60d的蚯蚓堆制后，最终各处理TP含量为0.66～0.99g/kg（见表3）。堆制产物中的TP含量与初始基质相比，除E1堆制产物中的TP显著增加了48％，其余3个处理都大幅下降，且差异显著。堆制结束时，E1、E2、E3之间差异不显著，E1、E4间差异显著，且各堆制产物中TP含量随着C/N比的降低而降低，即高C/N比的初始基质经过蚯蚓堆肥后，TP含量增加，这与Ndegwa P.M.［25］在研究C/N比在蚯蚓堆制处理生物污泥中的影响得出的结论是一致的。

表3 堆制前后各处理TN、TP、TK的含量

各处理中初始基质的TK含量在9.64～47.77g/kg（见表3），经过蚯蚓堆制60d后，其TK含量为9.78～12.33g/kg，其最高、最低含量分别出现在E2、E3。堆制结束时，E2处理中的含钾量E2、E3与E1、E4间的含钾量差异显著，而E1、E4间差异不显著。堆制产物中的TK含量与初始基质相比，除E1堆制产物中的TK显著增加了11％，其余3个处理都大幅下降，且差异显著。C.Elvira［14］研究蚯蚓堆制处理造纸污泥与乳品废弃物时，发现与初始基质中的TK含量相比，堆制产物中钾的含量显著降低了。这可能是由于过量浇水而使钾元素从基质中沥出了，Benitez等［26］就曾收集过蚯蚓堆肥期间的沥出液，分析发现其中含钾量很高，而且可以用作农业生产中的优质钾肥。

3 结论

3.1 对蚯蚓的日增重倍数、日繁殖倍数的分析表明，可直接接种赤子爱胜蚓处理造纸污泥，但与其他处理相比，以E4处理（50％造纸污泥+50％培养基质+蚯蚓）最利于蚯蚓的生长；在堆制15～30d内，各处理的蚯蚓日繁殖倍数均显著增加，但以E2处理（75％造纸污泥+25％培养基质+蚯蚓）最利于蚯蚓的繁殖。

3.2 对堆制产物（蚯蚓粪）的化学特性分析表明，各处理的pH值均有降低并呈弱碱性，均在7.7～7.9之间；E2、E1（100％造纸污泥+蚯蚓）、E3（60％造纸污泥+40％培养基质+蚯蚓）各处理中蚯蚓粪VS（挥发性固体）均在15～30d内下降最快，说明15～30d是蚯蚓堆制造纸污泥的快速稳定期；各处理有机质含量均显著下降，降幅在11％～22％；与堆制之初相比，E1处理含氮量略有降低，但差异不显著，E2、E3、E4处理含氮量均比堆制初高，其中E2、E4各显著增加9％、5％；与初始基质相比，除E1堆制产物中的全磷显著增加了48％，其余3个处理都大幅下降，且差异显著；与初始基质相比，除E1堆制产物中的全钾显著增加了11％，其余3个处理都大幅下降，且差异显著。

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