蚓粪污泥特性及其资源化利用前景

刘 静， 毕东苏， 周 豫

（上海应用技术学院化学与环境工程学院，上海 201418）

蚓粪污泥特性及其资源化利用前景

刘 静， 毕东苏， 周 豫

（上海应用技术学院化学与环境工程学院，上海 201418）

蚯蚓摄食消化污水厂剩余污泥后排泄的蚓粪污泥具有重要的生态和经济利用价值.从蚓粪污泥的物理化学性质、微生物特性、抗菌活性、植物营养组分及生长调节激素等方面介绍了有关蚓粪污泥特性的最新研究进展，并通过分析国内外对蚓粪污泥产品的研发情况及资源化利用前景，提出深入研究蚓粪污泥的生化作用机理、拓宽蚓粪污泥应用范围、制定蚓粪污泥的相关施用标准和规定，以及构建蚓粪污泥生态产业链，将是实现蚓粪污泥循环经济协调发展的重要手段.

蚓粪污泥；物理化学性质；微生物特性；资源化利用；生态产业链

生活污水处理厂在实现污水净化的同时产生了大量的剩余污泥，由于污泥中含有许多易于生物利用和转化的碳、氮元素和营养物质，常被认为是一种错放的资源［1］.蚯蚓生态处理污泥是利用蚯蚓和微生物的协同作用实现污泥稳定化处理的一类生态型污泥处理技术.蚯蚓可将污泥中的有机质转化为易于被植物吸收的各种营养成分，排出具有抗菌活性和生物稳定性的蚓粪，从而涉及到重建物质再循环的过程.蚓粪污泥是指蚯蚓摄食消化剩余污泥后排出的蚓粪和污泥混合物［2］.尽管研究学者普遍认为蚓粪具有重要的土地资源化利用价值，但是对蚓粪污泥生化特性和利用途径的报道却相对较少.本文主要概述了国内外蚓粪污泥特性和资源化利用途径的最近进展，以期为蚯蚓生态处理污泥技术最终产物（蚓粪污泥）的资源化利用和实现循环经济再生产提供理论依据和优化建议.

1 蚓粪污泥特性

1.1 物理化学性质

蚓粪污泥是一种多孔状的细碎类物质，具有良好的吸附性、通气性和排水性［3-4］，其扫描电镜图（SEM）如图1所示.Yang等［5］发现，蚯蚓摄食活动可将复杂有机物转化成小分子有机酸，使蚓粪污泥p H值较原污泥更低、生物稳定性更高.蚯蚓活动也能增加污泥的水稳性团聚体含量，改善蚓粪污泥的团聚性能［6］.Hait等［7］研究表明，蚯蚓生物处理污泥进程中释放的氨氮、亚硝酸盐和磷酸盐等溶解性盐类物质使蚓粪污泥的电导率（EC）比原泥增加了35.4%～56.4%.电导率表征的是测试样品中的盐分含量.蚓粪污泥中电导率提高的原因可能是蚯蚓及其体内微生物的协同作用致使污泥中的有机物降解，释放出矿物盐和无机离子等所致［8］.另一方面，蚯蚓自身也可以通过生理排泄和黏液分泌等活动产生盐类物质［9］.另外，蚯蚓分泌物的络合／鳌合作用也能够降低污泥中重金属Cu、Pb、Zn和Cd的不稳定态含量和潜在迁移指数，并通过增加稳定态重金属的含量，提高蚓粪污泥在环境中的稳定性［10］.Khwairakpam等［11］也报道了蚯蚓处理后的污泥浸出液毒性明显减少，其重金属含量能够满足土地回用标准.

图1 蚓粪污泥的扫描电镜图Fig.1 SEM micrographs of the vermicast sludge

1.2 微生物特性

微生物个体小、比表面积大、代谢活性强，能够在生态环境的物质循环和转化中起决定作用.蚯蚓排泄的蚓粪中含有一定数量的细菌、放线菌和真菌.尽管蚯蚓体内的微生物多来自其生活环境，但蚯蚓消化道及蚓粪中的微生物在种群类别和数量等方面都有别于蚯蚓所取食的物质［12］，这是因为，蚯蚓觅食、黏液分泌和蚓粪排泄等活动能够显著改变基质的物理化学性质、激活或抑制某类微生物种群［13］.由于蚯蚓肠道分泌物中富含易被微生物消化和吸收的氨基酸、多糖类和生物酶等成分，使得蚓粪中的微生物数量往往高于蚯蚓的摄食对象，如土壤和污泥等［12，14］.Li等［15］通过构建16S r DNA克隆文库的方法发现，蚯蚓肠道内的微生物群落与其摄食的剩余污泥之间存在相互作用.Liu等［16］借助聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术发现，蚓粪污泥具有较高的微生物多样性，其优势微生物种群为Flavobacterium、Myroides和Aeromonas.其中，Flavobacterium和Myroides对碳、氮、磷的分解和转化具有积极作用，而Aeromonas是一种重要的产酶微生物，可与其他产酶微生物共同作用提高蚓粪污泥中的蛋白酶、脂肪酶和α-淀粉酶的活性［17］.这些具有重要生态功能的微生物能够促进有机质矿化，合成葡萄糖、氨基酸和纤维素等具有生物活性的物质，从而赋予蚓粪污泥特殊的生化特征.

1.3 抗菌活性

蚯蚓生活的环境中充满了各种各样病原微生物.蚯蚓在长期进化过程中形成一套针对各类病原菌的有效防御和免疫机制.在蚯蚓体液和蚓粪中含有包括凝集素、抗菌蛋白和溶菌酶，以及氨类、有机酸、过氧化氢酶等代谢产物在内的特定抗菌物质［18］，以及对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见细菌和露湿漆斑菌、总状毛霉等真菌具有广谱抗菌能力的抗菌肽［19］.Sinha等［20］报道，蚯蚓能够通过促进某些分泌抗生素的微生物生长，抑制或杀死固废中的病原微生物.Arora等［21］在蚓粪中分离到的放线菌Streptomyces和Micromonospora对金黄色葡萄球菌也具有一定的抗菌活性.胡艳霞等［22］也从蚓粪中分离出球孢链霉菌（Streptomyces globisporis）和丁香苷链霉菌（Streptomyces syringini）两种具有较强拮抗活性和范围的拮抗微生物.陈浩［23］在蚓粪中分离出的8株芽孢杆菌属（Bacillus）和4株链霉菌属（Streptomyces）不仅对病原菌具有较好的广谱拮抗作用，同时还具有不同程度的体外促生能力.此外，蚯蚓能减轻由病原真菌引起的植物病害，是由于真菌细胞壁的主要组成成分为几丁质（甲壳素），而蚯蚓消化道内具有降解几丁质的消化酶，使真菌菌丝通过蚯蚓消化道后被破坏［12］.因此，蚓粪也能够通过富集几丁质链霉菌，有效促进拮抗植物病原真菌的增长［24］.

1.4 营养物质组分

蚓粪污泥不仅富含糖类、蛋白质、脂肪和腐植酸等有机质，也含有硝酸盐、可交换磷、可溶性钾、钙、镁等易于被植物吸收的营养组分.铁、锰、铜、锌和硼等植物必需的微量元素也颇为齐全［25］.这些营养物质具有促进植物根系发育、作物生长和提高作物产量的作用.另外，由于蚓粪能够显著增加土壤溶解性碳、碱解氮和速效磷的含量，提高土壤的微生物碳和氮含量，使微生物量碳氮和酶活性显著增强（P＜0.05）［26］.因此，蚓粪的合理施用对增加土壤养分含量和促进番茄、油菜和玉米等农作物的生长具有积极作用.Arancon等［27］研究表明，蚓粪中的腐植酸不仅是维持土壤酸碱平衡的重要物质，也是植物和微生物的必要营养物质，能够促进玉米、大豆和其他谷物的生长.陈学民等［28］研究发现，蚓粪污泥中的总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）含量较原污泥有显著增加.其原因一方面是由于蚯蚓与微生物的协同作用能够加速有机氮和有机磷的矿化和分解，另一方面则是微生物及蚯蚓体内分泌的各种酶类物质的产酸作用也会引起钾含量的增加［29］.故蚓粪污泥中的微生物代谢活动也能够促进碳、氮物质循环，具有提高蚓粪污泥肥力和营养物质含量的重要作用［16］.

1.5 植物生长调节激素

众多研究学者发现，蚓粪对促进根系生长、植株发育和提高植物品质具有积极作用.早期研究认为，蚓粪中含有的吲哚乙酸、赤霉素和细胞分裂素等多种天然植物生长调节激素是促进种子发芽和植物生长的重要原因.王斌等［9］研究也证实，蚓粪中的赤霉素（GA3）相对于对照土壤增幅达到35%～114%，而吲哚乙酸（IAA）的增幅则为78%～236%.其原因可能是蚯蚓肠道内的微生物及相关酶把蚯蚓食物中的植物激素前体物质转化成了植物激素.也有最新研究表明，这些植物激素是由蚯蚓肠道或蚓粪中的产激素类微生物释放出来的［30］.另外，蚓粪中的腐植酸类物质也能够通过形成激素—腐植酸结合体的形式，影响植物的营养吸收和蛋白合成，促进植物生长发育和提高作物品质.蚓粪富含的谷氨酸、天门冬氨酸和缬氨酸等多种氨基酸既是产激素微生物的重要营养物质来源，又是影响微生物代谢活性的重要因素，也能够通过直接或间接作用影响植物的新陈代谢，促进植物的生长发育.

2 蚓粪污泥的资源化利用途径

2.1 高效生物有机肥

蚓粪作为一种高效生物有机肥已在农业生产上得到广泛应用，是因为蚓粪具有独特的物化性质和微生物区系，富含多种植物营养元素和生长激素，并对植物病原微生物具有很好的抗菌活性，具有促进作物生长，增加产量和改善作物品质的显著效果［25］.此外，生活污水厂的剩余污泥经蚯蚓摄食消化后产生的蚓粪污泥具有较高的生物稳定性，其重金属含量远低于国家土地农用标准，可以放心施用.因此，经过适当加工和处理后的蚓粪污泥可以作为园林绿化和生产绿色无公害蔬菜的首选生物有机肥料，具有广阔的生产应用前景.

2.2 优质育苗基质

基于蚓粪比表面积大、孔隙度高，富含各类营养物质、植物生长激素和抗菌活性物质等特点，国内外研究学者对蚓粪在育苗基质上的资源化利用做了大量研究［31-32］.研究发现，以蚓粪为主要成分的营养基质，能够有效改良土壤结构，抑制土传病虫害，对茄子、黄瓜和辣椒等蔬菜幼苗和康乃馨、万寿菊和一串红等花卉幼苗的生长和发育具有显著促进作用.蚓粪污泥的生物理化特性能够促进植物种子发芽和根系生长，表明其在作为优质育苗基质材料方面具有巨大发展潜力.

2.3 土壤改良剂

蚓粪污泥也可以作为土壤改良剂改善土壤的理化性质、增强土壤微生物多样性和促进植物生长.申雪庆［33］发现，在盐碱化土壤中施入蚓粪污泥不仅能够降低土壤p H、碱化度和钠吸附比，增加微生物数量，而且可以显著增强盐碱地的脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性，提高土壤的速效氮、磷和钾含量.袁绍春等［34］研究表明，蚓粪污泥富含氮、磷、钾等植物养分、病原菌含量较低，重金属含量低，符合中国土地改良控制标准，可作为土壤改良剂用于碱性或贫瘠土壤改良.Kwon等［35］利用蚯蚓处理城市污泥和废牡蛎壳产生的蚓粪污泥，其水分含量、p H值、盐度、有机碳、氮、磷和重金属等均符合韩国环境部制定的土地施用标准.把该蚓粪污泥产品投加到土壤中后，能够通过缓慢释放有机质，提高土壤为植物输送养分的能力，改善土壤的通气性和排水性，也适合应用到酸性或退化土壤的土质改良.

2.4 重金属污染修复剂

蚯蚓活动能够对污泥中的重金属产生深远影响［36］（见图2）.一方面，蚯蚓肠道分泌的酚氧化酶可将有机质缩合形成具有羧基和羰基等多种官能团的腐殖质，提高蚓粪的腐殖化程度［37］，使其与重金属发生络合反应，改变重金属的生物有效性和活性.另一方面，蚓粪中富含的多种微生物对重金属的生物吸附、富集和沉淀等行为也会降低重金属的生物有效性.Maity等［38］研究证实，蚯蚓处理重金属Zn和Pb污染的土壤后排出的蚓粪中二乙烯三胺五醋酸-铅（DTPA-Pb）和二乙烯三胺五醋酸-锌（DTPA-Zn）的含量显著降低.因此，富含腐殖质和各种微生物种群的蚓粪污泥具有修复重金属污染土壤的潜力，可作为重金属污染修复剂做进一步的研究与开发.改善污泥絮凝效果［42］.随着人们对蚓粪污泥生化特性的深入了解，蚓粪污泥作为一种新型吸附剂和微生物接种源在污水和废气的生物治理领域将具有更加广泛的应用前景.

图2 蚯蚓活动对污泥中重金属的影响示意图Fig.2 Schematic diagram of impacts of earthworms on heavy metal in sewage sludge

图3 蚓粪污泥的生态产业链示意图Fig.3 Schematic diagram of the vermicast sludge eco-industrial chain

3 蚓粪污泥的生态产业链构建

循环经济是国际社会推进可持续发展战略的一种优选模式，强调最有效地利用资源和保护环境，以最小成本获取最大的经济、社会和环境效益.依据循环经济理念，构建“蚯蚓生态处理污泥—蚓粪污泥资源化利用—生态环保产业”的蚓粪污泥生态产业链是实现经济、社会和环境效益协调发展的重要手段（见图3）.蚓粪污泥生态产业链的关键环节体现在3个方面：一是蚓粪污泥的批量生产和收集，这是实现蚓粪污泥循环经济发展的关键；二是将蚓粪污泥转化为高附加值产品的技术支持，这是实现蚓粪污泥资源化利用的关键，也是蚓粪污泥生态产业链附加值的主要来源；三是蚓粪污泥生产企业与环保部门的合作组织建设.在产业链上游，该组织能够增强蚓粪污泥产品的研发和扩展资源化利用途径；而在产业链下游，该组织又能够把蚓粪污泥产品同生态环保产业连接在一起，为蚓粪污泥产品的推广和应用提供规模化供应，发挥政策扶持、运营模式和信息资源共享对产业链的优化和调整.

4 结论与展望

本文从物理化学性质、微生物特性、抗菌活性、植物营养组分和生长调节激素等方面介绍了蚓粪污泥特性的最新进展，研究表明，蚓粪具有较高的孔隙率和比表面积、污泥团聚性能高，富含易于被微生物和植物吸收的有机质和氮磷钾等营养组分、能够通过富集具有特定生态功能的微生物种群提高蚓粪污泥的肥力和营养物质含量、促进植物根系和拮抗植物病原菌的生长，降低重金属的生物有效性.尽管蚓粪污泥特性优良，具有较高的资源化利用价值，但其产业化应用仅在生物有机肥和育苗基质两个领域有所体现，在土壤改良剂、重金属污染修复剂和污水废气处理新材料等领域的应用尚在起步阶段.进一步研究蚓粪污泥的生化作用机理、拓宽其应用范围、制定相关施用标准和规定，构建蚓粪污泥生态产业链，将是实现蚓粪污泥循环经济协调发展的重要手段.

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（编辑 吕丹）

Characteristics and Prospects of Vermicast Sludge for Resource Utilization

LIU Jing， BI Dong-su， ZHOU Yu
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Vermicast sludge，the fecal of earthworms fed on sewage sludge，has important ecological and economic value.An up-to-date review of the characteristics of vermicast sludge was provided，including physicochemical properties，microbiologic properties，antimicrobial activity，plant nutrient composition and growth regulating hormones，and the research and development situation and resource utilization prospects of vermicast sludge products were analyzed.Furthermore，the biochemical mechanism of indepth research into vermicast sludge was proposed，for the sake of broadening the scope of application of vermicast sludge，formulating standards and regulations related to the administration of vermicast sludge products，and constructing vermicast sludge eco-industrial chain，which was also proved as an important means for the realization of coordinated development of vermicompost economic cycle.

vermicast sludge；physicochemical properties；microbiologic properties；resource utilization；eco-industrial chain

X 705

A

1671-7333（2015）01-0049-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.008

2014-07-27

中央财政支持地方高校发展专项基金（城市安全工程学科）；上海市高校青年教师培养基金资助项目（ZZyy14002）；上海应用技术学院引进人才基金资助项目（YJ2014-29）；上海应用技术学院大学生创新基金资助项目（DCX2014039）

刘 静（1981-），女，讲师，博士，主要研究方向为水污染控制和微生物技术.E-mail：liujing_sit＠163.com