蚯蚓对城市污水污泥中重金属的富集特征

魏明蓉，刘康怀，，李艳红，马邦定

(1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林541004;2.广西融誉建设项目科技咨询有限公司，广西桂林541004)

蚯蚓在土壤中生活，能改良土壤结构，提高土壤保水持肥能力，增强植物对土壤中营养物的吸收，可作为土壤环境污染状况的指示生物。蚯蚓还能对有机物、重金属等进行分解或转化，用于处理农业废弃物、垃圾以及污泥[1－4]。蚯蚓对污泥重金属富集方面研究目前还不多，报道也多限于单种重金属元素，对于多种重金属元素的富集研究很少。本文采用城市污水处理厂剩余污泥(下文简称“污泥”)养殖蚯蚓，研究其对污泥中常见重金属元素的富集情况，并对试验后蚯蚓及混合物的再利用进行探讨。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验用的蚯蚓品种为大平二号，即赤子爱胜蚓。这种蚯蚓由美国红蚓和日本花蚯蚓杂交而成，有较强吞食有机废物的能力，体长在80～130 mm，体重在0.2～0.5 g。试验用原始污泥取自桂林市某污水处理厂，该厂采用的是氧化沟工艺，污泥经浓缩及压滤后含水率约为80%。原始污泥及蚯蚓中的重金属含量如表1所示。

与广西土壤背景值[5]相比，原始污泥中除Pb的含量与背景值差别较小以外，其余各项重金属元素的含量均高于背景值，说明污泥存在重金属污染。污泥中Cd含量远超过土壤二级标准[6]，Zn含量也略有超标，Cu、Pb、Cr含量均未超过二级标准。所用污泥各项重金属远小于农用污泥污染物的限值[7]，农用前可以不经处理。

表1 试验前污泥及蚯蚓的重金属含量及相关标准Table 1 Content of heavy metal in sewage sludge and earthworm before testmg/kg

1.2 饲养方法

采用50 cm×35 cm×30 cm的塑料筐作为蚯蚓养殖床，将其设在塑料大棚内，棚顶盖上遮阳网，试验期间，棚内温度为15～30℃。筐底铺上纱布防止蚯蚓钻出，筐内放置污泥和某些动物粪便的拌合物。饲养期间定期喷水保持一定湿度。

1.3 试验方法

向试验筐中投加污泥和动物粪便的拌合物(下文简称“泥粪”)共20 kg，每筐中污泥和动物粪便所占的比例不同，污泥投加比分别为40%、50%、60%、70%、80%等5种，向每筐中投加蚯蚓500条。饲养3周后分别测定蚯蚓及剩余混合物中的重金属含量。

1.4 测定方法

将蚯蚓从筐内取出，放入培养皿内饿置3天让其吐泥，洗净后将其冷冻致死，再置于105℃的烘箱内烘4 h，冷却后研磨过0.9 mm(20目)筛备用。将除蚯蚓外的所有物质(下文简称“混合物”)研磨后过0.15 mm(100目)筛备用。所有样品送桂林市产品质量检验所进行分析测试，分析元素包括Cd、Zn、Cu、Pb、Cr。

2 试验结果及讨论

2.1 蚯蚓生物量变化

加入泥粪前后蚯蚓生物量变化情况见表2。加入泥粪后除60%、80%污泥投加比时蚯蚓数量略有减少外，其他污泥投加比下蚯蚓数量均出现了增加。加入泥粪后蚯蚓体重全部都有增加，平均增重率在4.76～10.76 g/d。采用单因素方差分析(ANOVA)可知，与投加泥粪前相比，体重增长极其显著(P＜0.01)。蚯蚓体重显著增加说明，泥粪中所含有的物质适合蚯蚓生长。在污泥投加比达到80%时虽然蚯蚓数量略有降低，但蚯蚓体重与未投加前相比仍出现了显著增长，说明蚯蚓对污泥有较强的适应能力。

表2 蚯蚓生物量变化Table 2 Biomass variation of earthworm

2.2 蚯蚓体内及混合物中重金属含量特征

分别测定蚯蚓体内及混合物中Cd、Zn、Cu、Pb和Cr的含量。试验前蚯蚓的Cd、Zn、Cu、Pb和Cr含量分别为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的含量分别为19.6、16.6、16.8、15.9、14.9 mg/kg，但在蚯蚓中均未检出Cr。Cd、Zn、Cu、Pb的测试结果见图1～图4

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

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

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

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

结合图1～图4及单因素方差分析，从不同污泥投加比下蚯蚓体内与混合物中重金属含量对比来进行分析。

不同污泥投加比下，Cd、Pb在混合物和蚯蚓体中均出现了降—升—降—升的规律，Cu在混合物中的含量呈现出了相同的变化规律。Cd和Cu在蚯蚓和混合物中的含量与Pb在蚯蚓体内含量为污泥投加比最低(40%)时最大，即所用的污泥量低时，蚯蚓体内富集的重金属较多，或者说此时蚯蚓更喜欢食用污泥。而Pb在混合物中、Zn在蚯蚓和混合物中的含量最大值出现在污泥投加比为60%～70%时。ANOVA分析显示，不同污泥投加比下蚯蚓体内Cd含量均差异显著，Cu和Pb各投加比间差异也比较显著，Zn各投加比间差异不太明显。不同污泥投加比下混合物中Cd含量差异显著，Zn、Cu、Pb各投加比间差异大部分不显著。

单位质量下，蚯蚓体内重金属含量比混合物中重金属含量低。进行ANOVA分析可知，Cd、Zn、Cu、Pb在蚯蚓体内和混合物中的含量差异极其显著(P＜0.01)。混合物中的Cd含量高时，蚯蚓体内的Cd含量也高;Pb的变化规律与Cd类似，Cu和Zn的规律则有所不同;与Cd相比，Zn、Cu和Pb在蚯蚓体内的含量比混合物中低得多。

进一步进行相关分析，从表3可知:蚯蚓体内与混合物中的Cd、Cu、Pb均为正相关，其中Cd是显著相关的，Cu、Pb相关性不显著;而Zn则为负相关，相关性不显著。

表3 蚯蚓体内与混合物中重金属的相关系数Table 3 Correlation coefficients of heavy metals in earthworm and mixture

2.3 重金属富集特征

富集是指生物体通过对环境中某些元素或难以分解的化合物的积累，使这些物质在生物体内的浓度超过环境中浓度的现象。有研究认为[8]，蚯蚓体内的黄色细胞能分泌大量的胶粘物质，还含有羧基、氨基等活性基团，能够螯合、络合重金属，从而达到对重金属的富集。

蚯蚓体内重金属含量与泥粪中重金属含量的比值即为富集系数，计算得到Cd的富集系数为0.58，Zn的富集系数为0.22，Cu的富集系数为0.09，Pb的富集系数为0.04，即富集系数Cd＞Zn＞Cu＞Pb。伏小勇等[9]的研究表明，蚯蚓对重金属的吸收顺序为Zn＞Cu＞Pb;王振中等[10]的研究中蚯蚓对重金属的吸收顺序为Cd＞Pb＞Zn＞Cu;陈学民等[11]研究中蚯蚓对重金属的吸收顺序为Cu＞Zn＞Pb。本研究重金属的选择顺序与文献结论较相似，但富集系数值较小。在金属元素含量的Spearman秩相关分析中发现，蚯蚓对各元素的富集系数K值排序为Cd＞Hg＞As＞Zn＞Cu＞Pb[12]，本研究中的富集顺序与之吻合。

蚯蚓对各种重金属离子的富集系数有所差别，可能是由于蚯蚓的细胞膜上转运蛋白对不同重金属离子的亲和力不同所致，亲和力大则吸收量大，富集系数也越大。

虽然蚯蚓对重金属的富集系数值不大，但投加泥粪后，蚯蚓体内的Cd、Zn、Cu、Pb分别是试验前的5～31倍、9.0～11.4倍、2.9～8.1倍及2～3.4倍，差异极其显著(P＜0.001)，说明加入泥粪以后，蚯蚓体内重金属含量显著提高，即蚯蚓对重金属存在明显的富集吸收作用。

2.4 试验产品再利用特征

试验后的蚯蚓和混合物可以再利用，混合物是一种很好的有机肥料，具有肥效高、无臭味、相对耐旱等优点，还可以作为除臭剂、浮游生物培养剂等[12]。蚯蚓体内的重金属含量不高时，可考虑将蚯蚓用作食品、保健品、动物饲料，处理过城市污泥的蚯蚓也可用于处理造纸污泥、化纤污泥等。

将蚯蚓体内重金属含量与《饲料卫生标准》[13](GB 13078—2001)对照(表4)，该标准对Cd、Pb、Cr有明确限值，对Cu和Zn没有限值要求。在蚯蚓体内测得的Pb含量远小于各种饲料的限值;Cd除了在40%污泥配比时(0.62 mg/kg)稍高于鸡和猪配合饲料的Cd限值(0.5 mg/kg)以外，其余各种配比均满足各种饲料限值，说明蚯蚓可以用于饲料，但最好不要用于鸡、猪配合饲料中，如果使用则需注意检测Cd含量是否超标。

表4 蚯蚓及混合物中重金属含量与相关国家标准对比Table 4 Comparison of heavy metal content in earthworms and mixture by national standards

将混合物中重金属Cd、Zn、Cu、Pb、Cr含量与《有机－无机复混肥料》、《农用污泥中污染物控制标准》、《土壤环境质量标准》进行对照(表4)，已测定的重金属元素均符合前两种标准，说明从重金属角度来看，混合物可以用作肥料，也可以农用。对照土壤二级标准，混合物中只有Cd超标但超出不多，说明混合物总体接近二级土壤。

3 结论

(1)加入泥粪以后，蚯蚓体重增长极其显著，在污泥投加比达到80%时虽然蚯蚓条数略有降低，但蚯蚓体重与未投加前相比仍出现了显著增长，说明蚯蚓对污泥有较强的适应能力。

(2)蚯蚓体内的重金属含量显著低于混合物中重金属的含量。蚯蚓体内与混合物中的Cd、Cu、Pb均为正相关，其中Cd是显著相关的，Cu、Pb相关性不显著，而Zn则为负相关，相关性不显著。

(3)蚯蚓对重金属的富集顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Pb，富集系数值分别为0.58、0.22、0.09及0.04，富集系数值不大，但投加泥粪以后蚯蚓体内重金属含量提高极其显著，说明蚯蚓对重金属存在明显的富集吸收作用。

(4)据已测定的重金属来看，蚯蚓体内的重金属除Cd在40%污泥施用投加比时稍超出鸡、猪配合饲料的标准外，其余均已达到《饲料卫生标准》规定的要求。试验后的混合物中重金属含量能够满足肥料标准、污泥农用标准，除Cd外其余也均达到了二级土壤标准。说明蚯蚓可以用作饲料，试验后混合物也可直接农用或用作肥料。

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[13]GB 13078—2001，饲料卫生标准[S].

[14]GB 18877—2002，有机－无机复混肥料[S].