超声波对污泥蚯蚓堆肥有机质和重金属的影响

郑西朋,曹洲榕,陈 钰,杨顺生*



超声波对污泥蚯蚓堆肥有机质和重金属的影响

郑西朋1,曹洲榕2,陈 钰3,杨顺生1*

(1.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031；2.成都市兴蓉环境股份有限公司 四川 成都 610040；3.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031)

联合超声波破解技术、好氧堆肥技术及蚯蚓处理技术,对污水处理厂剩余污泥进行处理,探讨超声波预处理对污泥蚯蚓堆肥有机质降解和重金属的影响.结果表明:超声波预处理技术对污泥腐殖化程度表现出协同效应,最优TOC反应动力学常数为0.0084d-1,是对照组的2.1倍;胡敏酸和HA/FA平均增长率分别为97.4%和191.5%,是对照组的1.26倍和1.37倍;可轻度减少污泥堆体重金属含量,同时对蚯蚓处理阶段重金属富集存在缓减效应,但对各阶段重金属形态影响不显著;蚯蚓处理可明显降低重金属生物有效性,至处理结束Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非稳定态平均占比较好氧堆肥结束时下降28.3%、29.5%、29.1%、35.2%、3.3%、25.3%、36.4%、21.9%.

超声波；污泥预处理；蚯蚓处理；腐殖化；重金属

随着人口增加和城市扩张,生活污水厂剩余污泥的二次污染问题越来越受到业界广泛关注[1-3].而农业利用作为一种污泥资源化利用途径,受到普遍接受和认可[4-6].通过单一或组合技术生产堆肥产品是实现污泥农用的一条有效途径.

如何生产优质高效的堆肥产品成为诸多学者研究的重点,提升堆肥效果的研究主要包括:一是通过外加碳源提升C/N,如秸秆[7-8]、菌渣[8]、蔗糖[9]等;二是通过外加调理剂或缓冲剂改善污泥堆体特性,如生物炭[10-11]、石灰[11-12]、沸石[13]等;三是通过联合堆肥技术,如蚯蚓堆肥技术[14-15],好氧堆肥阶段可实现污泥的无害化处理和有毒化合物的消除,后续蚯蚓处理可以降低污泥C/N,提高营养物质的有效性.然而以上研究多集中于考虑外源物质添加对堆肥效果的影响,对于通过提升污泥内源物质可生化性,提升污泥堆肥效率和堆肥产品肥效研究较少.

超声波预处理污泥技术,通过击破微生物的细胞壁,导致胞外聚合物(EPS)溶出,提升污泥可生化性,能够加快水解和发酵速度[16],因此该技术被应用于改善污泥性状,为微生物生长提供优质碳源,从而达到改善污水脱氮除磷效果的目的[17-19].研究表明,超声波预处理污泥可显著增加污泥溶解性有机物,从而增强厌氧消化反应器处理能力[16-17].然而,超声波预处理技术对污泥好氧堆肥和蚯蚓处理技术的单一和联合处理的影响研究仍然缺乏.

本研究以城市生活污水处理厂剩余污泥为研究对象,耦合超声波破解技术、好氧堆肥技术及蚯蚓处理技术对污泥进行减量化、稳定化和无害化处理,研究3种技术的协同作用下,超声波预处理技术对好氧堆肥及蚯蚓处理的促进作用,以及对污泥腐殖化水平、重金属的含量变化(Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、Hg、As)及其化学形态的变化规律和相关机理的影响,以期加速污泥处理效率和腐殖化水平,提高污泥源肥料稳定性和肥效,提升污泥资源化产品品质,从而为剩余污泥的资源化处理提供一条新途径.

1 实验材料

1.1 实验材料

试验污泥取自成都市第五污水处理厂浓缩池,含水率为97.4%,污泥预处理后采用SS2002型离心机脱水,转速为2800r/min.采集污泥存储于4℃冰箱备用,5d内完成检测和实验.试验采用秸秆作调理剂,使用前晾干,并粉碎成粉末状,含水率为9%.选用的蚯蚓为赤子爱胜蚓(),购自成都市某蚯蚓养殖场.

1.2 好氧堆肥和蚯蚓处理装置

图1 蚯蚓堆肥反应器

污泥好氧堆肥和蚯蚓处理反应器呈长方体状,长45cm,宽17cm,高31cm,有效容积约17.5L,反应器采用PVC材料制成,顶部加盖,顶部、底部和侧壁设有通气口如图1所示,底部设蓄水盘,收集反应器中的渗滤液.

1.2 实验方法

1.2.1 超声波预处理污泥 采用成都九州超声波公司的超声波设备,功率3000W,频率20kHz,有效容积约25L.该设备处理污泥时,从上部进料,下部出料.通过预处理实验控制污泥击破率为5%左右,实验方法参照文献[4,20].

1.2.2 污泥蚯蚓堆肥试验 研究不同超声波破解污泥投配比例对污泥堆肥和蚯蚓处理的影响,共设4个处理组(含对照组),如表1所示,其中第1~4组超声波预处理污泥投配比例分别为0%、20%、60%和100%,每个组别设置3个重复.采用秸秆粉调节污泥含水率和C/N,秸秆的添加量为污泥湿重的15%,混和均匀后分别放入相应的反应器,每个反应器的重量均为19kg.试验分为2个阶段,每个阶段均为28d,一共进行56d的试验:

表1 试验方案设计

注:脱水污泥(DSS);秸秆粉(WS);超声波预处理污泥(UPDSS).

表2 主要指标测试方法及采样频次

好氧堆肥阶段:进行28d堆肥处理,所有的组别均置于室内,放置阴凉处.采用自然通风和人工翻堆通气,翻堆频率为每7d一次,同时通过监测反应器内的物料温度,调节翻堆频率,使其充分发酵腐熟.

蚯蚓处理阶段:待第一阶段结束后,各组反应器内温度降至室温(25±3)℃附近时,按40g/kg的密度接种蚯蚓,进行28d的蚯蚓处理试验.监测反应器内的温度和含水率,通过人工洒水保持堆体含水率在(60±5)%左右(见图2(e)),达到蚯蚓的生存条件,并定期翻堆(每7d一次)反应器内的污泥,确保蚯蚓和污泥充分接触.

1.2.3 检测指标 参照中国《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T221-2005)[21]和中国《土壤农化分析》[22].采用重金属生物有效性BCR三步连续分级提取法[23],对污泥样品中的重金属形态进行分级测定,主要包括弱酸提取态 (F1),可还原态(F2),可氧化态(F3),残渣态(F4)4种形态.主要测试方法及采样频次见表2.

2 实验结果及讨论

2.1 基本属性变化

2.1.1 温度、电导率(EC)、pH值、有机质、含水率和蚯蚓生物量变化 对于好氧堆肥,温度是堆肥无害化效果评价、堆肥腐熟度、影响微生物活动和堆肥工艺过程中的重要参数,因此温度的高低决定有机物分解速度的快慢,是堆肥反应和堆体内微生物活性的最直接体现[2].由图2(a)可知,堆体温度均经历了升温阶段(0~2d)、高温阶段(3~10d)和降温阶段(11~28d)3个阶段,其中最高温度为60.7℃,4个组别中温度变化规律并未产生明显差异,均呈现先增大后减小直至平稳.相较于对照组1,添加超声波预处理污泥组别,能够更快进入高温期,且与超声波预处理投配比例正相关,同时具有较长的高温期维持时间.同时随超声波污泥投配比例增加,反应器升温速率呈上升趋势,这与堆肥反应的初期嗜温微生物(包括真菌、细菌和放线菌)较为活跃有关.嗜温微生物主要利用物料中易分解的简单有机物(糖类和淀粉等)进行代谢活动,并释放出热量.而超声波预处理污泥溶出的EPS属于易分解有机物[16].图2(b)和图2(c)中,污泥中EC和pH值随时间变化呈现反向趋势,在好氧堆肥阶段(1~28d)各堆体pH值呈现先降后升趋势,而EC呈现先升后降趋势.而随蚯蚓对污泥的不断生物处理,污泥中pH值呈现下降趋势.温度和EC均在第7d左右出现极大值,而pH值在第14d左右出现极小值,相对而言在堆肥初期,pH值出现极值时间滞后于堆体温度和EC.图2(d)中,污泥经过好氧堆肥后,大量的有机质被分解,各试验组的有机质含量,随着堆肥的进行而降低;平均降解率达到17.13%,堆肥过程中有机质的降解主要发生在前期(第1~14d),平均降幅达到13.71%.超声波预处理组别在第7d后有机质降解速率明显高于对照组.与有机质变化类似,堆肥阶段(1-28d)各试验组物料含水率由初始的69.7%~73.0%降至50.0%左右,污泥显著减容,见图2(e).

在蚯蚓处理阶段,pH值变化呈下降趋势,而EC呈上升趋势(图2(b)、(c)).接种蚯蚓后,污泥堆体pH值和EC变化主要因为蚯蚓体表与污泥盐分交换有关[24-25],蚯蚓通过食道分布的钙腺,调节堆体酸碱平衡,创造适合生活的环境,同时通过蚯蚓及其体内微生物的活动进一步分解矿化有机质,释放矿物盐,从而使堆体EC增加.同时蚯蚓经过28d生长,平均体重由0.40g左右上升至0.50g左右,超声波组别蚯蚓生物量增幅优于对照组,分别为25.9%和21.8%.

1~4分别代表组别1~4;超声波污泥投配率分别为0、20%、60%和100%;RT为室温;1-1,1-28和1-56分别指堆肥初始、第28d和第56d

图3 TOC随时间变化

2.1.2 TOC、C/N 由图3可知,随时间变化,不同试验组的有机碳(TOC)均成下降趋势;从21d开始到堆肥结束,TOC变化缓慢,维持在30%附近,进入相对稳定的阶段.C/N也呈下降趋势,在蚯蚓处理阶段下降速率较好氧堆肥阶段快(图4).TOC和C/N下降的原因是蚯蚓活动和微生物在协同作用下(蚯蚓在中期占主导,微生物在前期和后期起主要作用[26]),使有机质不断分解为二氧化碳挥发所致,由二氧化碳挥发引起的碳损失量可达20%~45%[27-28].此外,蚯蚓的活动会改善反应器中微生物的生存环境,尤其是氧气的供应,能够提高微生物种群的生长繁殖和呼吸代谢活动,结合蚯蚓肠道中丰富的酶系统调节微生物的种群结构和生物活性的作用,共同强化了微生物降解有机物的效率;另一方面,好氧微生物活动又有利于提高蚯蚓的吞食量,进而引起蚯蚓的呼吸作用增强消耗了反应器中的碳.

图4 C/N随时间变化

2.1.3 TOC变化的动力学分析 蚯蚓反应器内进行着复杂的物质迁移和流动,建立完整的模型较为困难,为此参照文献[29]将部分过程简化,采用完全混合间歇式反应器模型推导蚯蚓处理阶段TOC反应动力学常数.

式中:为反应速率系数,-1;c为TOC含量,其中0表示初始含量;为反应级数.

结合先前学者的研究[28,30],基于一级反应动力学方程建立相应的模型,以处理前后TOC随着时间的变化作为参数,积分可得:

式中:c表示在时刻对应的浓度值.

表3 蚯蚓处理反应器模型参数

对比表3中降解速率常数,发现第2组提升速率最优,较对照组提升2.1倍,可推断投加超声波预处理污泥可显著提高蚯蚓处理阶段TOC的降解反应速率.

2.2 超声波预处理对污泥蚯蚓堆肥腐殖化水平的影响

胡敏酸(HA)和富里酸(FA)是腐殖质的重要组成成分,由表4可知,在好氧堆肥和蚯蚓处理后HA呈增长趋势,FA呈下降趋势.HA/FA被称为腐殖化指数,代表着堆肥产品的腐殖化程度,该指标能够在一定程度上表示堆肥产品腐殖质质量的优劣,一般认为当HA/FA>1.4时,堆肥产品达到腐熟[31].由图5可知,在好氧堆肥阶段HA/FA值上升速度较慢,但在加入蚯蚓处理后,HA/FA值上升速度较快.说明在好氧堆肥阶段,在微生物的单独作用下,HA和FA的变化较为缓慢,腐殖化系数也相对较低,但在加入蚯蚓处理后,它能调节其中的微生物数量、种群和结构,并与之共同对反应器中的有机物质进行分解利用[9,14].这可能是由于简单的小分子FA存在聚合作用,会形成大分子的固相HA,加之在有机质的降解过程中,低分子量的FA具有相对较高的酸性官能团,水溶性较大,使得FA相较与HA更易被降解,最终导致其含量降低,使得HA/FA比值增大[32].而HA/FA增大,对降低堆肥原料中重金属的有效性有重要意义[33].

同时由图5和表4可以看出, 超声波预处理污泥的投配对HA和HA/FA有较大促进作用,投配预处理污泥组别HA和HA/FA平均增长率分别为97.4%和191.5%,而对照组为77.6%和139.9%.蚯蚓处理后投配超声波预处理污泥组别HA/FA上升速率显著高于对照组,结合表4可以见腐殖酸上升差异是造成这一现象的主要原因.

图5 HA/FA随时间变化

图6是污泥扫描电镜(SEM)照片,观察污泥在第1, 28, 56d微观结构,选取有代表性的第1组(CK)和第3组(超声波预处理)照片.污泥在堆肥初期呈泥水结合较为紧密的团絮状,好氧堆肥结束后一定程度呈现孔隙及片状结构,至蚯蚓处理结束呈现疏松的粒状或碎块状结构、团粒结构丰富.相比于对照组,超声波处理组在堆肥初期团絮状结合相对松散,好氧堆肥结束后孔隙及片状结构更明显,至蚯蚓处理结束团粒结构更丰富.结合2.1节分析,可以推断:因为投配超声波预处理污泥显著提升堆肥效率,使得堆体取得较好的腐熟水平,较低的EC和有机碳矿化率,从而使得蚯蚓有更好的生活环境,取得更优生物量(图2(f)),进一步促进腐殖化率的提升,这与Gunadi 等[24]和Mitchell等[25]研究成果类似.

表4 腐殖质含量及变化水平

图6 污泥扫描电镜照片

2.3 超声波预处理协同对污泥蚯蚓堆肥重金属及其形态的影响

2.3.1 污泥重金属含量的变化 污泥重金属的含量高低及其生物毒性的强弱,是影响试验最终产品的处置和利用方式的主要因素.由图7(a)~(h)可知,堆肥初始超声波污泥投配量为20%时,重金属含量表现最优,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Hg、As分别为690.67, 162.01,57.66,28.57,1.91,1.25, 10.03mg/kg,较对照组下降7.60%、10.78%、28.51%、12.66%、1.86%、8.00%、8.14%,而Cr为84.94mg/kg,较对照组升高3.55%,可见除Cr外投配超声波预处理污泥可轻度减轻污泥堆体重金属浓缩水平,而最优投配比为20%;各试验组在经过蚯蚓处理后,重金属含量大小依次为Zn>Cu> Pb>Cr>Ni>As>Cd>Hg,其中,Zn含量较高,而毒性较强的Cd和Hg含量均较低.各试验组在经过超声强化好氧堆肥结合蚯蚓处理后,污泥的重金属含量有所增长(表5).好氧堆肥结束时(第28d),投配超声波污泥组别(第2~4组)重金属含量增长率高于对照组(第1组),Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As平均增长率分别为9.3%、12.4%、5.9%、8.9%、6.9%、10.2%、5.6%、7.6%和7.2%、9.9%、4.4%、5.9%、4.6%、7.6%、4.6%、4.6%;而至蚯蚓堆肥结束时(第56d)蚯蚓粪中重金属的相对含量有所升高,但各组别重金属含量增长率差异不大.与超声强化好氧堆肥结束时(第28d)相比,蚯蚓处理阶段结束时(第56d)蚯蚓粪中重金属的相对含量有所升高,其中投配超声波污泥组别增长率较对照组低,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As含量的平均相对增长率分别为3.4%、1.7%、1.9%、4.5%、1.2%、1.7%、0.4%、1.8%和4.3%、3.7%、3.1%、7.2%、3.1%、4.3%、1.1%、4.3%.

表5 重金属含量的增长率对比(%)

表6 重金属含量增长率与TOC的分解率相关性分析

由表6可知,各组别重金属含量增长率与TOC的分解率总体存在很强的相关性,有机质降解率越大,重金属相对增量越明显[34];这也可解释投配超声波预处理污泥组在好氧堆肥阶段重金属含量增长率高于对照组的原因.但在蚯蚓处理阶段其重金属含量增长率低于对照组的原因与污泥堆体较高腐熟度(图5)有关. 因为较好的腐熟水平(图5)、较低的EC和较高的有机碳矿化率(图1b,d)有助于蚯蚓生长[24,25],蚯蚓在矿化有机物质的同时蓄积某些重金属从而减缓重金属含量增长速率,与Khwairakpam等[34]研究结论相似.可见在蚯蚓处理阶段超声波预处理技术对好氧蚯蚓堆肥的重金属富集率减轻表现出协同效应.

图7 重金属形态分布

2.3.2 污泥重金属形态的变化 由图7(a)~(h)可知,重金属的不稳定形态(F1和F2)占比均有下降趋势,投配超声波预处理污泥组别与对照组无明显差异,从好氧堆肥结束至蚯蚓处理结束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As不稳定形态平均占比从34.65%、12.77%、30.56%、40.07%、67.78%、10.11%、19.91%、13.54%下降至24.85%、9.00%、21.66%、25.95%、65.55%、7.55%、12.67%、10.58%.其中Pb、Ni、Cd、Cr的F1含量下降,Zn、Ni、Cr的F2含量下降,Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As的F3含量升高,Zn、Ni、Hg、As的F4含量升高,Ni的F3下降,Cd的F2升高,Cr的F4含量下降.可见蚯蚓处理促进了污泥中的重金属由不稳定形态向稳定形态转化,能有效降低重金属的生物毒性.而蚯蚓对Cd和Ni表现出生物富集作用,对Hg、As、Cr、Pb、Zn和Cu则表现为生物吸收.其主要原因是由于:一是污泥在处理过程中,有机质通过微生物和蚯蚓的作用,分解转化为复杂且稳定的腐殖质类物质,这些物质能够通过络合、螯合或者吸附等作用,使不稳定的重金属形态减少,好氧堆肥具有钝化重金属的作用,使重金属的化学稳定形态升高,二是污泥中的重金属会通过不同的机理与胞外聚合物结合,也会影响污泥中重金属的形态变化[35].

3 结论

3.1 投配超声波预处理污泥可提升堆体堆肥速率,取得更快的升温速率和较长的高温维持时间,有机质和TOC降解速率显著提高.同时也可提升污泥堆体腐殖化水平,至处理结束,HA和HA/FA增长显著,平均增长率分别为97.4%和191.5%,较对照组提升25.5%和36.9%.

3.2 超声波预处理污泥投配可轻度减少污泥堆体重金属含量,最优投配比为20%.好氧堆肥和蚯蚓处理对重金属均产生浓缩效应,但超声波预处理技术对蚯蚓堆肥的重金属浓缩有减轻效应.

3.3 蚯蚓处理可明显降低重金属的非稳定态(F1和F2)占比,而超声波预处理对其影响不明显,至蚯蚓处理结束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非稳定态平均占比从34.65%、12.77% 、30.56%、40.07%、67.78%、10.11%、19.91%、13.54%下降至24.85%、9.0%、21.66%、25.95%、65.55%、7.55%、12.67%、10.58%.

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Study on the influence of ultrasonic technology on sludge earthworm composting.

ZHENG Xi-peng1, CAO Zhou-rong2, CHEN Yu3, YANG Shun-sheng1*

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2.Chengdu Xingrong Environmental Co., Ltd, Chengdu 610040, China；3.Southwest Jiaotong University, Faculty of Geosciences and Environmental, Chengdu 610031, China).2019,39(4)：1654~1663

The combination of technologies including ultrasonic disintegration, aerobic composting and earthworm treatment was used to dispose the residual sludge of wastewater treatment plant in order to evaluate the effect of ultrasonic pretreatment on the degradation of organic matter and heavy metals. The results showed that the ultrasonic pretreatment technology had synergistic effect on the degree of sludge humification. The optimal TOC value of kinetic constant was 0.0084d-1, which was 2.1times higher than that of the control group. The average growth rates of humic acid and HA/FA were 97.4% and 191.5%, respectively, which were 1.26and 1.37 times higher than that of the control group. Meanwhile, it has a mitigating effect on the heavy metals accumulation in earthworm treatment stage and no significant effect on the heavy metals speciation in other stages. At the end of vermicomposting, the average proportion of non-steady state of heavy metals (Zn, Cu, Pb, Ni, Cd, Cr, Hg, As) decreased by 28.3%, 29.5%, 29.1%, 35.2%, 3.3%, 25.3%, 36.4%, 21.9% compared with at the end of the aerobic composting stage, respectively.

ultrasonic；sludge pretreatment；earthworm treatment；composting；heavy metals

X703.5

A

1000-6923(2019)04-1654-10

2018-09-10

中央高校基本科研业务费专项(2682016CX080);崇州市科技创新驱动专项(2017-HM010-NY)

*责任作者, 教授, seanse@126.com

郑西朋(1984-),男,四川眉山人,市政公用工程一级建造师,博士研究生,主要从事污泥处理与资源化利用研究.发表论文10余篇.