垂直流湿地接种蚯蚓对剩余污泥中有机物的去除效果*

杨 竞 桑春雷 黄 魁

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070；2.甘肃省黄河水环境重点实验室,甘肃 兰州 730070)

剩余污泥是指活性污泥系统中从二次沉淀池(或初次沉淀池)排出系统外的活性污泥。据预计,2025年以后,我国污泥年产量将突破6 000万t(以含水率80%计)[1]。剩余污泥除了含有大量有机质及氮、磷、钾等营养物质外,还含有重金属、病原微生物等有毒有害物质,若对其处理不当,既对环境和社会造成危害,也是种资源浪费。现有的剩余污泥处理方法中浓缩和脱水过程成本高昂,其产生的污泥仍需要后期处置[2]。鉴于农村地区的分散式污水处理设施和小城镇的小型污水处理厂无法承担污泥脱水和处置装置的昂贵成本,剩余污泥的传统处理和处置方法可能不适用于农村地区或小城镇[3]。因此,迫切需要寻找一种适用于农村或小城镇地区的经济、环保、高效的剩余污泥处理处置技术。

表1 剩余污泥理化性质Table 1 Physicochemical parameters of excess sludge

人工湿地是一种低能耗、可持续、环境友好的污泥处理方式[4]。垂直流人工湿地的污染物去除效率较高[5]。但是剩余污泥进入垂直流人工湿地后易堵塞基质,制约了该技术的发展[6]。已有研究表明,蚯蚓能够通过生物扰动缓解蚯蚓滤池处理污水和污泥时的堵塞问题[7]。由于垂直流湿地堵塞常与剩余污泥中有机絮体和颗粒物的降解与转化有关[8],有必要探讨引入蚯蚓后的垂直流湿地(称为蚯蚓垂直流湿地)对剩余污泥中有机物的去除效果。然而,目前对此研究鲜有报道。

因此,本研究在垂直流湿地中接种两种不同密度蚯蚓,旨在探明蚯蚓垂直流湿地对剩余污泥中有机物的去除效果与机理,为蚯蚓垂直流湿地的高效稳定运行提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采用兰州市七里河污水处理厂剩余污泥(含水率为99.5%),为保证污泥的新鲜度,每两天取1次泥,剩余污泥的理化性质见表1。赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)为实验蚓种,适应性强,繁殖率高,饲养广泛,适合生活在5～25 ℃、相对湿度60%～80%、pH 5.0～9.0的环境中,常用于处理污泥[9]。选用具有耐寒耐旱等特征的菖蒲(AcoruscalamusL.)为湿地植物。选用12～16 mm粒径的陶粒为湿地滤料层上层,3～5 mm粒径的麦饭石为滤料层下层,陶粒和麦饭石购于兰州市和平镇鲜花港。选用经蚯蚓堆肥后的污泥蚯蚓粪作为基床。

1.2 实验装置

实验装置选用聚乙烯材料的塑料桶,塑料桶为正方体,边长20 cm,高55 cm,至上而下分别是蚯蚓粪层、滤料层和集水层。其中蚯蚓粪层覆盖10 cm厚的污泥蚯蚓粪作为基床,接种随机挑选的健康且有活力的蚯蚓,并在基床上种植菖蒲。滤料层分为两部分,上部为15 cm厚的陶粒层,下部为5 cm厚的麦饭石层,并在滤料层接种蚯蚓。集水层底部密封防泄漏,侧壁开孔以避免形成缺氧环境。装置中蚯蚓粪层和滤料层底部均留有供渗滤液流动的小孔。实验装置如图1所示。

图1 蚯蚓垂直流湿地装置示意图Fig.1 Schematic diagram of earthworm-constructed vertical flow (EVF)

1.3 实验方法

考虑到不同蚯蚓密度对剩余污泥有机物去除的影响,设高密度和低密度蚯蚓垂直流湿地。其中高密度蚯蚓垂直流湿地接种密度为蚯蚓粪层2 520条/m2(约101条),滤料层1 080条/m2(约44条)；低密度蚯蚓接种密度为蚯蚓粪层840条/m2(约34条),滤料层360条/m2(约15条)。菖蒲接种密度为100株/m2(约4株)。

实验在15～30 ℃下进行,初期预运行时间为10 d,实验运行时间为20 d。进泥方式为间歇进泥,由顶部均匀投加,约隔2 d投加1次,进泥量定为600 mL/次。约隔2 d收集集水层出水水样。待实验结束后分别随机选取蚯蚓粪层、陶粒层和麦饭石层的样品,所有样品存于-20 ℃的冰箱中,供后续指标测定。

1.4 测试方法

TS采用称重法测定；COD、氨氮采用多参数水质分析仪(CNPN-7SⅡ)测定；总氮(TN)参照碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定；总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定。特征紫外吸光度(SUVA254)由254 nm处的吸光度(UV254)除以溶解性有机碳(DOC)得出；其中UV254采用紫外—可见分光光度计(UV-3100)测定；DOC将混合液(干样∶水=1 g∶50 mL)过0.45 μm滤膜,稀释10倍后用总有机碳仪(Multi N/C 2100,德国)测定。三维荧光测试采用荧光分光光度计(F-7100)。具体测试操作参照文献[10]。

称取一定量滤料浸泡于100 mL纯水中充分搅拌,使其上附着的生物膜溶于纯水,溶解后水样进行脱氧核糖核酸(DNA)提取。实验中各组样品DNA用DNeasy®Power Soile®Kit(QIAGEN,德国)试剂盒提取。采用荧光定量聚合酶链式反应(PCR)仪(TAKARATP700,日本)对细菌16S rDNA数量进行测定。16S rDNA正向引物序列为5’-CCTAYGGGRBGCASCAG-3’,反向引物序列为5’-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3’。PCR反应条件为：95 ℃预变性3 min,95 ℃变性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,32个循环。25 μL的荧光定量PCR体系为：12.5 μL的荧光染料TBGreen Premix Ex Taq Ⅱ(Tli RNaseH Plus),20 mol/L上下游引物各0.5 μL,DNA模板1 μL,无外源DNA超纯水10.5 μL。PCR产物纯化后,用Mighty TA-cloning Kit试剂盒(TAKARA,日本)及E.coliDH5α Competent Cells试剂盒(TAKARA,日本)连接转化后提取质粒作为标准品,其质量浓度用NanoDrop One超微量分光光度计(Thermo Fisher,美国)测定。克隆载体为pUC19 (GenBank检索号为M77789)。用无外源DNA超纯水作为阴性对照,每个样品做两次重复。

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓垂直流湿地对剩余污泥中各污染物的去除效果

由图2(a)可见,蚯蚓垂直流湿地的TS去除率为54.17%～84.13%,其中高、低密度蚯蚓垂直流湿地对污泥TS的平均去除率分别为66.59%和62.81%。项亮等[11]研究发现采用蚯蚓生物滤池处理剩余污泥的悬浮物(SS)平均去除率为47.1%,可挥发悬浮物(VSS)平均去除率为55.2%。蒋锦洲等[12]8采用蚯蚓生物滤池处理剩余污泥的SS和VSS平均去除率分别为54.78%和57.24%。董梦珂等[13]1162-1163采用蚯蚓人工湿地处理剩余污泥的挥发性固体(VS)平均去除率为58.7%～61.4%。本实验蚯蚓垂直流湿地对TS的去除效果相对于蚯蚓滤池较优,这与蚯蚓垂直流湿地中植物根系对有机物的截留作用有关。高密度蚯蚓垂直流湿地TS平均去除率比低密度蚯蚓垂直流湿地提高6.02%(P<0.05),表明高密度蚯蚓有助于提升剩余污泥中TS的去除效果。蚯蚓的活动使污水及污泥固体颗粒物的比表面积增大,并改善污水及污泥固体颗粒物结构,进而提升基质对有机物的吸附能力[14]。蚯蚓通过吞食截留吸附在填料上的TS,使得滤料表面的生物膜保持较好的生物活性和比较稳定的TS处理能力。

图2 蚯蚓垂直流湿地对剩余污泥TS和COD的去除率Fig.2 TS and COD removal rates of excess sludge in EVF

本实验进泥的COD平均质量浓度为4 764.38 mg/L,蚯蚓垂直流湿地的COD去除率为71.11%～98.47%,其中高、低密度蚯蚓垂直流湿地的COD平均去除率分别为89.88%和84.13%(见图2(b))。陈金发[15]研究人工湿地处理高浓度畜禽废水时发现,当进水COD为1 176～2 365 mg/L时,COD平均去除率为50%～74%。相比该研究,本研究蚯蚓垂直流湿地对高浓度COD有较优的去除效果。邓玉等[16]发现利用蚯蚓接种密度为2.48、4.97、7.45 g/L的蚯蚓生态滤池处理畜禽废水,对COD的平均去除率分别为32.5%～61.48%、46.03%～72.02%以及56.86%～75.53%；且随着蚯蚓接种密度的增加,COD的平均去除率提高。这一结果与本研究相似。高密度蚯蚓垂直流湿地对污泥COD的去除率较低密度蚯蚓垂直流湿地提高6.83%(P<0.05),说明蚯蚓密度会影响COD去除率[17],高密度蚯蚓垂直流湿地有助于提升剩余污泥COD的去除效果。蚯蚓垂直流湿地对剩余污泥中COD的去除主要是微生物的降解和蚯蚓的摄食作用,蚯蚓通过吞食截留吸附在基质上的有机物,将不溶性有机物转化为可溶性有机物,供微生物降解。且蚯蚓通过掘洞等活动增强了湿地曝气的能力[18],促进好氧微生物的活性,从而提高COD去除率[19]。

进泥氨氮平均值为4.31 mg/L,蚯蚓垂直流湿地的氨氮去除率为62.65%～86.57%,其中高、低密度蚯蚓垂直流湿地氨氮平均去除率分别为71.70%和78.40%(见图3(a))。梁建军等[20]采用蚯蚓生物滤池处理农村生活污水,氨氮去除率为61.19%。陈少华[21]采用蚯蚓生物滤池处理生活污水,氨氮去除率为57.9%。吴敏等[22]采用蚯蚓生物滤池处理污泥,氨氮的平均去除率为61.76%。与此前研究对比,本研究采用蚯蚓垂直流湿地处理剩余污泥,对氨氮的去除效果较优。污泥中的氨氮进入系统后,容易被植物根系和填料吸附截留,在好氧环境下,硝化细菌可将其转化为硝态氮,实现基质和微生物对氨氮协同去除。本研究表层填料采用蚯蚓粪,不仅可以吸附氨氮,而且由于蚯蚓粪中的微生物具有较高的活性,能促进有机氮的氨化作用和氨氮的硝化作用。同时蚯蚓在湿地中的穿梭觅食,不仅能疏通填料,还能增加湿地中氧含量,从而为氨氮的硝化创造更好的条件。WANG等[23]发现,随着蚯蚓接种密度的增加,蚯蚓生态滤池处理城市废水的氨氮去除率升高。本研究低密度蚯蚓垂直流湿地的氨氮平均去除率较高密度蚯蚓垂直流湿地提升9.34%(P>0.05)。这可能是因为蚯蚓分泌的黏液含有大量氨氮,使高密度蚯蚓垂直流湿地氨氮含量升高。兰诗劼[24]探究蚯蚓黏液对城镇污泥中微生物群落结构的影响,发现添加蚯蚓黏液的污泥氨氮含量升高,致使污泥的氨化进程提前。

图3 蚯蚓垂直流湿地对剩余污泥氨氮和TP的去除率 Fig.3 Ammonia nitrogen and TP removal rates of excess sludge in EVF

进泥TP平均值为44.66 mg/L,蚯蚓垂直流湿地的TP去除率为57.15%～85.63%,其中高、低密度蚯蚓垂直流湿地对TP的平均去除率分别为75.33%和73.48%(见图3(b))。MIITO等[25]采用蚯蚓生物滤池处理乳制品废水,TP平均去除率为48%。WANG等[26]采用蚯蚓生物滤池处理生活污水,TP平均去除率为38.6%。郭一令等[27]采用蚯蚓生物滤池处理小城镇污泥,TP平均去除率为26.5%。与此前研究对比,本研究采用蚯蚓垂直流湿地处理剩余污泥,TP去除效果较优。高密度蚯蚓垂直流湿地的TP平均去除率与低密度蚯蚓垂直流湿地无显著差异(P>0.05)。根据SINGH等[28]的研究,TP减少主要是由于过滤介质表面的吸附作用和聚磷菌的摄磷。

如图4(a)所示,湿地进泥DOC平均值为112.25 mg/L。高、低密度蚯蚓垂直流湿地出水DOC较进泥分别降低了79.91%和74.91%(P<0.05),高密度蚯蚓垂直流湿地出水DOC平均值比低密度蚯蚓垂直流湿地显著降低(P<0.05)。有研究表明,蚯蚓有助于将污泥中不溶性有机物转化为微生物可直接利用的可溶性有机物,同时蚯蚓选择性摄食生物膜上的衰亡细菌使生物膜上微生物能够保持较高的活性,从而可进一步利用DOC[29]5-6。而低密度蚯蚓垂直流湿地内部有机物处于未完全降解状态,因而出水DOC含量略高。

图4 蚯蚓垂直流湿地进泥与出水DOC和SUVA254Fig.4 DOC and SUVA254 in influent and effluent of EVF

SUVA254可用来表示水样中溶解性有机物的芳香性,其值越高,表明水样更为稳定而不易被微生物利用[30]。如图4(b)所示,蚯蚓垂直流湿地进泥SUVA254平均值为0.163 L/(mg·cm),高、低密度蚯蚓垂直流湿地出水SUVA254平均值分别为0.293、0.318 L/(mg·cm),相较于进泥分别增加了79.75%和95.09%(P<0.05)。这可能是由于进泥中腐殖质类物质含量较少,在蚯蚓/微生物的协同作用下,湿地内部的微生物利用DOC转化为腐殖质类大分子物质,使出水SUVA254升高,这进一步说明蚯蚓垂直流湿地可以显著提升污泥的稳定化效果。

2.2 蚯蚓垂直流湿地稳定剩余污泥的机理

2.2.1 蚯蚓垂直流湿地不同层的有机质累积率

由图5可见,高密度蚯蚓垂直流湿地的蚯蚓粪层、陶粒层以及麦饭石层有机质累积率分别为14.42%、10.00%和25.58%,低密度蚯蚓垂直流湿地则分别为13.68%、7.06%和17.96%。高密度蚯蚓垂直流湿地蚯蚓粪层、陶粒层以及麦饭石层有机质累积率较低密度蚯蚓垂直流湿地分别提升5.41%、41.64%和42.43%(P<0.05)。可见,高密度蚯蚓能够显著提升基质对有机质的截留效果。SINGH等[31]研究发现蚯蚓的排粪、钻洞等活动使污泥固体颗粒物的比表面积增大,并改善其结构,进而提升基质对有机物的截留吸附能力。通过剖析蚯蚓垂直流湿地不同层的有机质累积率,发现两组蚯蚓垂直流湿地的麦饭石层有机质累积率均显著高于蚯蚓粪层和陶粒层(P<0.05)。蒋锦洲等[12]8-9采用分别以瓷球、拉西环和陶粒为滤料的3组蚯蚓滤池处理剩余污泥,发现滤池持泥量均沿程减少,这与本研究结果相异,可能与实验条件及各层投放蚯蚓数量不同有关。蚯蚓利用一部分有机质用于自身合成,另一部分有机质则在蚯蚓的促进作用下被微生物降解,相比麦饭石层，蚯蚓粪层和陶粒层有机质消耗的速率大于有机质累积的速率,因此蚯蚓粪层和陶粒层的有机质累积率显著低于麦饭石层。

图5 实验末期蚯蚓垂直流湿地不同层有机质累积率Fig.5 Organic matter accumulation rate in different layers of EVF at the end of the experiment

2.2.2 蚯蚓垂直流湿地不同层的有机物结构

如图6所示,蚯蚓垂直流湿地蚯蚓粪层、陶粒层和麦饭石层截留有机物的三维荧光光谱中均有两处荧光区,分别对应可溶性微生物副产物和Ⅱ类芳香族蛋白质,均属于类蛋白物质。与实验前相比,蚯蚓垂直流湿地各层截留的污泥有机物中可溶性微生物副产物和Ⅱ类芳香族蛋白质峰值均有所增加,这与剩余污泥中含有大量微生物和类蛋白物质有关[32]。高密度蚯蚓垂直流湿地的蚯蚓粪层与陶粒层的可溶性微生物副产物和Ⅱ类芳香族蛋白质峰值均显著高于低密度蚯蚓垂直流湿地(P<0.05),而麦饭石层显示出相反的结果。这说明在蚯蚓粪层和陶粒层,高密度蚯蚓能够显著提升微生物活性,促进有机物降解和转化,使污泥快速达到稳定；而在麦饭石层,麦饭石粗糙的表面使蚯蚓活动受到抑制,蚯蚓与微生物的协同作用减弱。黄魁等[33]采用赤子爱胜蚓处理城市污泥,发现蚯蚓在前期能够显著提升脱氢酶的活性和细菌16S rDNA的丰度,从而加速有机物的降解。董梦珂等[13]1163-1164的研究表明蚯蚓密度最高的污泥干化湿地对污泥的稳定化效果最好,与本实验研究结果一致。

此外,在高、低密度蚯蚓垂直流湿地各层均检测到类腐殖酸。此前已有研究表明蚯蚓可以有效促进微生物将有机物转化为腐殖质[34]。其中,高密度蚯蚓垂直流湿地各层类腐殖酸荧光峰值显著高于低密度蚯蚓垂直流湿地(P<0.05)。可见,高密度蚯蚓垂直流湿地能够促进溶解性有机物向类腐殖酸转化。通过分析蚯蚓垂直流湿地不同层的类腐殖酸荧光峰值,发现各层类腐殖酸荧光峰值从上至下依次递减,说明蚯蚓粪层中溶解性有机物向类腐殖酸转化效果最好；同时,蚯蚓粪中含有丰富的细菌、真菌等,进一步促进了有机物的转化[35]。

图6 实验末期蚯蚓垂直流湿地不同层三维荧光光谱Fig.6 Three-dimensional fluorescence spectra of different layers of EVF at the end of the experiment

2.2.3 蚯蚓垂直流湿地不同层的细菌数量

如表2所示,低密度蚯蚓垂直流湿地在蚯蚓粪层、陶粒层以及麦饭石层细菌数量较高密度蚯蚓垂直流湿地分别提升了74.34%、64.76%和4.00倍(P<0.05)。这可能归因于低密度蚯蚓垂直流湿地内部有机物处于未完全降解状态,湿地内部DOC含量较高密度蚯蚓垂直流湿地升高；DOC是微生物生长的主要碳源和能源,微生物利用DOC进行自身营养物质合成。高密度蚯蚓促进了微生物活性提高,加速了有机物的降解,湿地内部DOC含量降低,细菌数量也因此减少。分析蚯蚓垂直流湿地不同层的细菌数量,发现细菌总数从上至下依次减少(P<0.05),这可能与蚯蚓粪层的类腐殖酸含量较高,有机物转化效果更好有关。相关性分析数据表明(见表3),蚯蚓垂直流湿地各层细菌数量与有机质累积率呈显著负相关(P<0.01),与类腐殖酸物质峰值呈显著正相关(P<0.01)。HUANG等[29]7采用蚯蚓垂直流湿地处理剩余污泥,发现细菌对污泥有机物的降解转化主要发生在湿地表层,表层的细菌数量显著高于其他各层,本研究结论与之一致。

表2 实验末期蚯蚓垂直流湿地不同层的细菌数量1)Table 2 Bacterial numbers in different layers in EVF at the end of the experiment

表3 蚯蚓垂直流湿地细菌数量与有机质累积率、类腐殖酸物质峰值的相关性分析1)Table 3 Correlation analysis between bacterial quantity,organic matter accumulation rate and peak value of humus like substances in EVF

3 结 语

蚯蚓垂直流湿地可以有效稳定地处理剩余污泥有机物,高密度蚯蚓垂直流湿地处理效果较优,能够显著提升基床对有机质的截留效果。蚯蚓垂直流湿地能够促进污泥中溶解性有机物向类腐殖酸物质转化,且有机物的降解转化主要发生在蚯蚓粪层。相比低密度蚯蚓垂直流湿地,高密度蚯蚓垂直流湿地更能提升污泥中有机物的转化效率。