蚯蚓—木薯渣联合作用对热带城市污泥中重金属含量的影响

王富强++王海花++张禹

摘要：通过蚯蚓-木薯渣联合作用与单一蚯蚓作用处理热带城市污泥试验，比较研究了蚯蚓生物量、污泥理化性质及重金属含量变化情况，并对污泥农用做了潜在生态风险评价，比较2种处理方式对污泥的处理效果。结果表明：蚯蚓-木薯渣联合作用不仅能够同时处理2种热带农业废弃物，而且在增加蚯蚓生物量、降低污泥重金属含量及潜在生态风险方面的效果优于单一蚯蚓作用。联合组蚯蚓个体平均质量增幅115.33%，高于单一组的106.33%，总产茧量85.33个也高于单一组的76.33个。pH值分别下降0.47、0.80，电导率分别增加793、1 668 μS/cm，有机质分别降低15.5%、13.52%，联合组全氮含量显著下降20.18%，单一组降低不明显。联合组与单一组污泥中重金属含量降低次序分别为Pb、Cr、Zn、Ni、Cu和Pb、Zn、Cr、Ni、Cu，联合组在Cr、Cu、Ni 3种元素的降低效果中优于单一组，处理后污泥重金属总量相对更低；蚯蚓体内重金属富集次序分别为Cr、Ni、Pb、Cu、Zn和Ni、Cr、Cu、Pb、Zn，联合组蚯蚓对Cr、Pb、Zn、Ni 4种重金属的富集效果优于单一组，富集重金属总量也高于单一组。通过Hakanson生态风险评估，联合作用污泥处理后由中等风险变为低风险，单一蚯蚓作用处理前后均为中等风险。

关键词：热带地区；城市污泥；赤子爱胜蚓；木薯渣；重金属

中图分类号： X703文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0437-05

城市污泥是污水处理的必然产物，随着中国城市化的迅速发展，污水处理厂的数量日益增长，大量的城市污泥也随之产生[1-2]。由于城市污泥中含有各种有机污染物、重金属、病原体等，不经过恰当的处理会对环境造成严重污染[3]。

污泥的常规处理手段，如露天堆置、卫生填埋、好氧和厌氧消化以及焚烧会造成更加严重的环境问题，例如土壤和植物中毒，地表和地下水污染及空气污染等等。一种新的人工湿地技术是基于人工湿地对污泥的可持续处理技术[4-6]，但这种方法由于占用土地面积大、对气候要求高以及后续仍需净化处理而受到限制[7]；污泥堆肥是另一个生态和经济可持续发展的处理技术，多年来应用较广[8-10]，但它存在耗时长、翻堆频繁、营养元素损失等问题[11]，仍有所制约。

蚯蚓堆肥处理[12]是在蚯蚓和微生物的共同作用下对有机物质进行生物降解的复杂过程，它可以将有机废弃物快速、高效地转换成对植物和土壤有营养价值的产品，同时还可以收获大量蚯蚓，目前在世界各地已经成功用于处理各种类型的工业污泥与城市污泥[13-16]。

目前污泥农用仍然受到重金属难迁移、易富集、危害大等特点的制约[17]。以前的研究认为新鲜的城市污泥必须经过预处理后蚯蚓才能利用[12]，蚯蚓直接处理热带城市污泥的研究鲜有报道，而木薯渣由于含有氢氰酸、单宁和植酸等抗营养因子，再利用一直受到限制。本研究通过室内模拟试验，比较研究了蚯蚓-木薯渣联合作用与单一蚯蚓作用处理对热带城市污泥重金属含量的影响，并运用Hakanson潜在生态危害指数法对处理前后污泥农用潜在生态风险进行评价，旨在为热带地区同时处理2种有机废弃物提出新思路，为热带地区开展城市污泥与农业废弃物共同资源化利用提供基础数据。

1材料与方法

1.1供试材料

试验选用蚯蚓品种为赤子爱胜蚓（Eisenia foetida），饲养原料为牛粪，取自海南大学农学院蚯蚓养殖基地，选择环带明显、体质量在300 mg左右的成熟蚯蚓。污泥为取自海口白沙门污水处理厂二期的脱水污泥，呈灰黑色黏稠状，有异味，含水率约为85%左右。木薯渣取自琼中县某淀粉厂，自然风干，经粉碎器研磨过2 mm尼龙筛备用。

1.2试验方法

本试验设蚯蚓-木薯渣联合作用（80%污泥+20%木薯渣）与单一蚯蚓作用（100%污泥）2组，根据污泥与木薯渣含水率按干物质质量150.0 g 配比（湿质量大于500 g），每个处理称量后混合均匀再分装入盒。调整含水率至70%左右，放入规格为：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，每盒接种15条个体质量在300 mg左右、环带明显的赤子爱胜蚓。试验于室内自然条件下进行，试验期间不再补充水分。每个处理设3个重复，35 d后处理结束，将蚯蚓及蚓茧用手全部取出。

1.3分析方法

试验结束后用手将蚯蚓与蚓茧挑出计数，蚯蚓用去离子水洗净后滤纸擦干称质量。部分鲜样用于测定含水率、pH值、电导率、有机质，其余部分冷冻干燥后研磨过100目筛，留作其他指标测定用；蚯蚓放入搪瓷盆中吐泥2 d后用蒸馏水洗净，液氮冷冻致死，于烘箱中60 ℃烘干，取出后冷却研磨过100目筛待测重金属。

pH值和电导率按干物质和水1 ∶10混合后分别用pH值酸度计、电导率仪测定；有机质在550 ℃马弗炉中灼烧60 min测定[18]；全氮测定采用凯氏定氮法（GB 11891—1989）；污泥与蚯蚓体内重金属含量采用USEPA 3050B方法消解[19]，电感耦合等离子发射仪（美国 Thermo Elemental）测定。

1.4 数据处理与分析

试验结果表示为平均数±标准偏差（x±s），数据分析采用SPSS 20.0完成，对试验数据进行单因素方差分析，通过t检验分析组间的差异性，显著性水平为P<0.05。

2结果与讨论

2.1不同处理方式对蚯蚓生物量的影响

由表1可以看出，试验结束时2种处理方式蚯蚓存活率相同且均高于80%，表明蚯蚓能够适应热带城市污泥的环境，直接处理可行。试验结束蚯蚓-木薯渣联合作用处理组（简称联合组）与单一蚯蚓作用处理组（简称单一组）蚯蚓个体净增质量分别为349.65、356.24 mg，联合组增幅11533%，高于单一组的106.33%，总产茧量85.33个也高于单一组的76.33个，表明蚯蚓-木薯渣联合作用更有利于污泥处理过程中蚯蚓生物量的增加，效果更好。

2.2不同处理方式对污泥理化性质的影响

由表2可见，2种方式处理后城市污泥理化性质均发生了显著的变化，pH值、有机质均有不同程度降低，电导率（EC）都有提高，单因素方差分析表明处理前后均出现显著性差异（P<0.05）。联合组pH值由6.27降低至5.78，EC值增加793 μS/cm，有机质降低了15.5%，全氮含量降低20.18%而且表现出极显著差异（P<0.001）；单一组pH值由6.46降低至5.66，EC值增加1 668 μS/cm，有机质降低了13.52%，全氮含量降低不明显。联合组处理前有机质含量75.05%显著高于对照的59.61%是由于添加了植物残体木薯渣引起的。

pH值下降可能是由于在蚯蚓转化过程中产生了CO2及有机酸，以及有机态的氮和磷在微生物作用下被矿化成硝酸盐、亚硝酸盐和磷酸盐引起的[11]，处理前后pH值都在最适宜植物生长的56.5之间[20]，适于农用；EC增加可能是由于有机质的损失以及蚯蚓处理可以将无机离子和矿物盐（如磷酸盐、铵盐、钾离子）从污泥中释放出来所引起的[21]。前人的研究已经证明蚯蚓能够加速不溶有机物质向可利用形态转变[22]，而且处理后EC值均未超过3.0 mS/cm，均满足污泥农用EC值要求。pH值的降低和EC值的增加与其他人研究蚯蚓处理污泥时的结论[12，15，23]一致。

杨文霞等发现蚯蚓加速有机质的矿化导致其含量降低[24]，根据前人的研究，转化过程中蚯蚓和微生物活动引起的C元素损失也会导致有机质降低[25]，而新陈代谢与矿化作用产生CO2[26]与CH4[27]是C元素损失的形式之一，蚯蚓处理过程中将污泥中的有机物质同化用于自身生长繁殖也会降低有机质含量[28]。联合组较单一组全氮含量降低显著可能与表2不同处理污泥pH值、EC、有机质和全氮变化木薯渣促进了蚯蚓的吸收利用有关[29]，Hobson曾报道氮含量的减少与蚯蚓消化道内的脱氮作用有关，国内也有研究发现污泥经蚯蚓处理后全氮含量下降可能是蚯蚓在处理过程中利用污泥中的有机质用于自身生长繁殖[30]，这与有机质含量变化结果相符。

2.3不同处理方式对污泥中重金属含量的影响

由表3可见，联合组重金属Cr、Pb、Cu、Zn、Ni含量分别减少了25.56%、31.52%、6.03%、19.23%和18.54%，单一组分别减少17.12%、38.75%、5.39%、34.80%和15.72%，联合组重金属含量降低次序为： Pb、Cr、Zn、Ni、Cu，单一组为：Pb、Zn、Cr、Ni、Cu。2种处理方式单因素方差分析结果表明Pb、Zn、Ni 3种重金属元素含量均显著下降（P<0.05），联合组Cr含量极显著降低（P<0.01）而单一降低不显著（P>005），2组Cu含量处理前后差异均不显著（P>0.05）。联合组在Cr、Cu、Ni 3种元素的降低效果中优于单一组，处理后污泥重金属总量相对更低，更适合农用。表3不同处理污泥重金属含量的变化微量元素在较低含量可能会促进植物生长，但含量过高则会对植物生长产生不利影响[31]，同时还容易引起环境污染，这也是限制污泥农用的主要因素之一。前人研究中重金属含量既有上升的结果[26]，也会出现下降的结论[25]，这是由于有机质的降低会导致相对质量减少引起重金属含量上升，蚯蚓对重金属元素的富集作用[32]与间接作用（分泌物对pH值和重金属产生作用）[33-34]则会导致其含量下降，本试验中2种方式重金属含量均出现下降，表明蚯蚓对重金属元素的生物积累与间接作用效果大于其相对质量损失的效果，与Suthar的研究结果[35]相似。联合组中的木薯渣对蚯蚓的摄食及肠道微环境必然会产生影响，而蚯蚓对重金属的富集与蚯蚓黄色细胞和肠道中的酶密切相关[36-37]，因此可能会导致试验中降低次序不同的结果出现。

根据海南省土壤背景pH值[38]，2种方式处理后污泥蚓粪中除了Zn其余元素含量均低于国家污泥农用标准（GB 4284—1984）[39]，Zn含量联合组更低，均略微高于标准值，考虑到Zn是植物生长普遍需要的微量元素之一，而且海口市土壤中Zn含量较低[38]，因此热带城市污泥经处理后可以作为含Zn的缓释肥[40]。

2.4不同处理方式蚯蚓体内重金属水平的变化

2种处理方式处理结束后蚯蚓体内重金属含量变化如表4所示，联合组与单一组蚯蚓体内Cr、Pb、Cu、Ni含量均极显著增加（P<0.01），Zn含量增加均不显著（P>0.05）。联合组蚯蚓富集次序为：Cr 、Ni、Pb、Cu、Zn，单一组富集次序为：Ni、Cr、Cu、Pb、Zn。联合组蚯蚓对Cr、Pb、Zn、Ni这4种重金属的富集效果优于单一组，富集重金属总量也高于单一组。

蚯蚓体内重金属含量的上升可能是由于蚯蚓表皮对可溶性元素的吸附作用及肠道的消化作用导致的[41]，之前的研究已经证实蚯蚓能够富集受污染的有机废弃物但与其物种特异性和摄取物料不同有关系[42]，本试验中联合组与单一组蚯蚓体内富集重金属含量的大小和次序不同的结果与之一致。

重金属含量在蚯蚓体内的上升与在污泥中的降低结果表明蚯蚓的生物积累是降低污泥中重金属含量的主要原因，而且联合组富集效果更好。

2.5污泥处理前后重金属潜在生态风险评估

热带城市污泥经过蚯蚓堆肥处理的最终目的是实现安全农用，考虑到施用后不同重金属污染的复合效应及其对土壤、农作物及人体健康的危害不同，在多种重金属元素风险评估方法中选择了Hakanson于1980年提出的潜在生态危害指数法[43]，此法能够综合考虑土壤重金属背景值、污泥重金属污染程度与环境效应，比单一的含量评价更能客观反映污泥重金属潜在危害。其计算公式如（1）所示：

RI=∑ni=1Eir=∑ni=1Tir（Cis/Cin）。（1）表4不同处理蚯蚓体内重金属含量的变化

组别蚯蚓体内重金属含量（mg/kg）CrPbCuZnNi处理前1.85±0.06aA0.72±0.01aA10.50±0.58aA102.33±1.89aA1.52±0.03aA联合组处理后式中：Cis为污泥中重金属i的实测值；Cin为重金属i的参比值，本研究考虑实际情况及其他参考文献选取了我国土壤环境质量一级标准值[44]（表5）；Tir为重金属i的毒性系数，根据 Hakanson 的标准化响应系数为标准（表5）；Eir为单因子i的潜在生态危害指数。RI为多种重金属复合生态危害指数。污泥潜在生态风险评价标准如表6所示。

蚯蚓处理前后热带城市污泥重金属潜在生态危害评价结果如表7所示，5种重金属的潜在生态危害指数（Eir）大小顺序均为：Cu、Zn、Pb、Cr、Ni，毒性危害最强的是Cu，最大危害指数达到144.2（单一组处理前）。蚯蚓处理后5种重金属元素危害指数均下降，联合组复合生态危害指数（RI）处理后风险程度由中等风险降低至低风险，单一组处理前后均为中等风险。因此，在热带地区蚯蚓-木薯渣联合作用处理城市污泥较蚯蚓单一蚯蚓处理更能降低处理后污泥农用的潜在生态风险。

3结论

2种处理方式蚯蚓均能适应热带城市污泥的环境，蚯蚓-木薯渣联合作用更能促进蚯蚓生物量增加。

联合作用与单一蚯蚓作用在对热带城市污泥的矿化能力和有机物降解能力上基本一致，pH值、有机质、全氮含量均有不同程度降低，EC值均显著增加，联合作用对污泥全氮矿化作用更好。

蚯蚓处理使污泥中重金属含量均有所下降，联合作用在Cr、Cu、Ni 3种元素的降低效果中优于单一蚯蚓作用，处理后污泥重金属总量相对更低；联合作用蚯蚓对Cr、Pb、Zn、Ni这4种重金属的富集效果优于单一蚯蚓作用，富集重金属总量也较高，生物积累是污泥中金属含量降低的主要原因。

联合作用能够降低污泥农用的潜在生态风险等级，处理后污泥重金属潜在生态危害程度由中等风险降低至低风险，而单一蚯蚓作用则仍属于中等风险。

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