鄂尔多斯城市污泥蚯蚓堆肥过程中重金属变化特征研究

摘 要：随着城市化进程的加速，城市污水处理量和污泥产量不断上升，污泥中重金属的存在对环境和人体健康构成潜在风险。本研究以鄂尔多斯市污水处理厂的污泥为研究对象，探究蚯蚓堆肥城市污泥过程中污泥营养元素变化和重金属含量的变化特征。结果表明：通过蚯蚓堆肥技术，寒冷地区城市污泥中有机物快速下降，重金属中汞和砷含量降低，但是降幅较小；而铅和铬降幅较大，分别下降75.6%和78.7%。蚯蚓堆肥技术改善污泥的理化性质，提高污泥中重金属钝化效率。蚯蚓堆肥技术是一种有效的污泥处理和资源化利用方法。通过合理的堆肥工艺和添加材料，可以显著改善污泥的理化性质，提高其作为有机肥料的应用价值，同时降低其对环境的潜在风险。

关键词：污泥处理；蚯蚓堆肥；重金属；环境风险；资源化利用

Research on the Characteristics of Heavy Metal Changes During

the Vermicomposting Process of Urban Sludge in Ordos

Yang Jing Zhang Shiruo You Wenhui Zhan Hongrong Li Xiaochun

Ordos Institute of Technology，Department of Chemical Engineering，Ordos，Inner Mongolia 017100）

Abstract：With the acceleration of urbanization，the volume of urban sewage treatment and sludge production is continuously increasing.The presence of heavy metals in sludge poses potential risks to the environment and human health.This study takes the sludge from the sewage treatment plant in Ordos as the research object to explore the changes in nutrient elements and the characteristics of heavy metal content changes during the process of urban sludge vermicomposting.The results show that through vermicomposting technology，the organic matter in urban sludge in cold areas rapidly decreases，and the content of mercury and arsenic in heavy metals is reduced，but the reduction is small;while the reduction of lead and chromium is significant，decreasing by 75.6% and 78.7% respectively.Vermicomposting technology improves the physicochemical properties of sludge and enhances the immobilization efficiency of heavy metals in sludge.Vermicomposting technology is an effective method for sludge treatment and resource utilization.By adopting reasonable composting processes and additive materials，the physicochemical properties of sludge can be significantly improved，its application value as organic fertilizer can be enhanced，and its potential environmental risks can be reduced.

Key words：sludge treatment;vermicomposting;heavy metals;environmental risks;resource utilization

随着城市化进程的不断推进，城市人口的增长和工业活动的加剧导致城市污水产生量急剧增加，随之而来的是污水处理过程中产生的污泥量也不断攀升。2022年的统计数据显示，中国城市污泥的年产量已经超过了6.6×107吨（以含水率80%计算），这个数字是相当惊人的。［1-3］城市污泥中不仅含有大量的有机物质，还不可避免地含有一定量的重金属，如砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）等。［4］这些重金属的存在对生态环境构成了严重威胁，它们可以通过多种途径进入土壤，干扰植物的正常代谢过程，甚至在水生生物体内富集，最终通过食物链对人类健康造成危害。［5］鉴于重金属对环境和人体健康的潜在风险，传统的污泥处理和处置方法不能完全满足现代社会对环境保护和资源循环利用的要求。因此，开发新的污泥处理技术，特别是能够降低污泥中重金属含量有效性的技术，对于促进污泥的安全处理和资源化利用具有重要意义。蚯蚓堆肥作为一种生态友好型的有机废物处理技术，已经在污泥、畜牧业粪便、农林固废和餐厨垃圾等多种有机废物的处理中得到广泛应用。［6-8］自1985年Kruse等人首次发现蚯蚓具有富集铜、镉、铅等重金属的能力以来，［9］Khwairakpam等人［10］和徐轶群等人［11］的工作进一步证实了蚯蚓不仅能富集污泥中的重金属，还能通过改变重金属的形态降低其环境风险。然而，大多数蚯蚓堆肥的研究都是在气候温和的地区进行的，而在寒冷地区进行蚯蚓堆肥的研究还相对较少。

本研究选取了鄂尔多斯市污水处理厂的污泥作为研究对象，通过蚯蚓堆肥的方式对其进行无害化处理。本研究旨在深入研究污泥的特性参数，探索蚯蚓堆肥在降低污泥中重金属含量的潜力，研制适合鄂尔多斯市实际情况的污泥无害化处置技术。通过研究，希望能够为鄂尔多斯市城市污泥的资源化利用提供科学依据，同时也为提升鄂尔多斯市污水处理的高质量发展和改善生态环境提供有力的技术支撑。这项工作不仅具有重要的环境意义，也符合当前推动绿色发展和循环经济的发展趋势。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究的堆肥所用污泥取自内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗阿镇污水处理厂。该厂污水全部来源于生活污水，处理后的污泥具有典型的城市污水处理厂污泥特性。赤子爱胜蚓（Eisenia fetida），作为一种常用的蚯蚓堆肥材料，购自河北省保定市蚯蚓养殖基地。赤子爱胜蚓因其高效的有机物分解能力和对环境变化的适应性而被选用，定期观察和记录这些蚯蚓的活动水平，以评估其在堆肥过程中的生物活性和健康状况。

1.2 试验方法

在实验室进行预实验的基础上，进一步在温室大棚中开展堆肥试验。试验严格控制堆肥温度在（25±3）℃，湿度维持在（65±3）%，含水率控制在76%至78%之间。为了促进空气流通和有机物的均匀分解，每隔两天对堆体进行翻堆。每个处理组均设有三个平行处理，以确保实验结果的可靠性和重复性。堆肥过程持续30天，从2024年1月至3月，每月收集一批次堆肥污泥样本，记为T1，T2，T3，以监测不同时间段内蚯蚓堆肥的变化特征。

1.3 分析方法

污泥的pH值采用玻璃电极法进行测定，有机物（OM）含量采用《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T221-2005（1城市污泥 有机物含量 重量法）测定。总氮和磷含量采用过硫酸钾消化法进行测定，钾含量则采用H2SO4-H2O2火焰光度法进行测定。污泥中重金属的测定，采用《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T221-2005（25城市污泥 铅及其化合物的测定 常压消解后原子吸收分光光度法、44城市污泥 砷及其化合物的测定 常压消解原子荧光法、43城市污泥 总汞的测定 常压消解后原子荧光法、35城市污泥 铬及其化合物的测定 常压消解后二苯碳酰二肼分光光度法）。

2 结果与分析

2.1 污泥理化指标特征

对鄂尔多斯市伊金霍洛旗阿镇污水处理厂产生的污泥进行了详细的理化性质分析，为蚯蚓堆肥处理和效果评估提供基础数据。测定结果见表1、2。

从表1可以看出，污泥中有机物的含量高达55%，高比例的有机物质是污泥作为堆肥原料的重要优势，污泥不仅可以提供微生物所需的营养，还能在堆肥过程中转化为土壤改良剂，提高土壤的肥力和结构。然而，污泥的高含水率（56.1%）也意味着在处理和运输过程中需要额外的能源和成本，且不利于污泥的直接应用。因此，降低污泥含水率是污泥处理过程中的一个重要环节。

在重金属含量方面，污泥中的铅、砷、汞和铬含量分别为55mg/kg、3.3mg/kg、0.89mg/kg和77mg/kg。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的规定，这些含量均在污泥农用时污染物控制标准限值之内。然而，与《有机肥料》NY 525—2021标准相比，铅和铬的含量偏高，这表明如果污泥直接用于农业或其他用途，可能会对环境和人体健康构成潜在风险。因此，在将污泥用于农业之前，必须采取适当的处理措施，如蚯蚓堆肥等，以降低其重金属含量，确保污泥的安全利用。

2.2 污泥堆肥过程中营养元素变化特征

在蚯蚓堆肥过程中，污泥中的营养元素发生了显著变化（见表2），这些变化对于评估堆肥效果和污泥的最终应用至关重要。

从表2中可以观察到，随着蚯蚓堆肥的进行，污泥中的有机质含量从初始的55%显著下降至大约30.5%。这一变化可能是由于堆肥过程中微生物的快速繁殖和代谢活动，导致大量有机物质被分解。同时，蚯蚓作为堆肥过程中的生物参与者，通过摄取有机物质作为食物，也促进了有机质含量的减少。

磷含量和钾含量整体上处于较高水平，这可能是有机质的分解导致堆体中营养元素的浓缩。此外，蚯蚓肠道中的微生物和酶活性的提高，加速了堆体的矿化速率，进一步促进了有机质的分解和堆体中营养元素的浓缩。［12-13］

水分含量的显著降低是堆肥过程中的另一个重要变化，从初始的56.1%降至大约9.63%。一方面堆肥过程有效地去除了污泥中的多余水分，这对于降低污泥的体积和重量，提高其作为土壤改良剂或有机肥料的适用性具有重要意义；另一方面测试的样品经过干燥处理。

pH值的变化也值得关注，从初始的7.86逐渐调整至7.71，显示出堆肥过程中pH值的微幅降低。这可能与微生物代谢过程中产生的有机酸和无机酸的变化有关，也与堆肥过程中矿物质的转化有关。

结果表明，蚯蚓堆肥过程对污泥中营养元素的转化和浓缩起到了积极作用，有助于提高污泥的肥料价值和土壤改良潜力。通过这一过程，污泥中的有机质得到有效分解，营养元素得到富集，为污泥的安全利用和资源化提供了支撑。

2.3 污泥堆肥过程中重金属含量变化

在污泥堆肥过程中，重金属含量的变化是一个关键的指标，因为它直接关系到堆肥产品的安全性和环境影响。本研究通过蚯蚓堆肥技术对污泥中的重金属含量进行了跟踪分析，结果表明，堆肥过程对降低重金属含量具有显著效果。

从表3中可以看出，堆肥前污泥中的汞含量为0.89mg/kg，而经过堆肥处理后T1—T3三个批次肥料中，汞含量显著下降至0.34～0.37mg/kg。这一变化可能是由于蚯蚓在堆肥过程中对重金属的吸收作用。蚯蚓通过其消化系统中的微生物群落，能够转化和积累重金属，同时微生物的活动也可能导致重金属形态发生变化，降低其生物可利用性和毒性。

砷含量的变化也呈现出类似的趋势。堆肥前砷含量为3.3mg/kg，而堆肥后下降至2.5～2.7mg/kg。砷的减少可能也是由于蚯蚓的生物积累作用和微生物的转化作用。在微生物的作用下，砷可能形成不易被植物吸收的形式，从而减少了其在堆肥中的总量。

铅含量的显著下降更为明显。堆肥前铅含量为55mg/kg，而堆肥后铅含量下降至13.1～13.7mg/kg，下降了约为75.6%。铅含量的降低可能是由于蚯蚓的生物积累和微生物的转化作用。蚯蚓能够将重金属固定在其体内，减少重金属在环境中的扩散。此外，微生物可能将可溶性铅转化为不溶性形式，降低了其生物可利用性。

铬含量的变化也值得关注。堆肥前铬含量为77mg/kg，而堆肥后下降至16.1～16.6mg/kg，下降率约为78.7%。铬含量的显著下降同样可能是由于蚯蚓的生物积累和微生物的转化作用。在微生物的作用下，铬可能形成更稳定的化合物，减少了其在环境中的迁移和生物可利用性。

综上，蚯蚓堆肥技术在降低污泥中重金属含量方面显示出了积极的效果。通过蚯蚓的生物作用和微生物的转化作用，污泥中的重金属含量得到了有效控制，这对于提高污泥堆肥产品的安全性和促进其资源化利用具有重要意义。

2.4 污泥堆肥质量评价

污泥堆肥作为一种潜在的土壤改良剂和有机肥料，其质量和安全性是决定其能否广泛应用于农业生产的关键因素。一个优质的堆肥产品不仅要求具有高度的腐熟和稳定性，还应具备对生物无毒害的特性，同时富含有机质和养分，以促进植物生长和土壤健康。

在本研究中，蚯蚓堆肥后的污泥样品检测结果显示，污泥的pH值介于7.58至7.71之间，这一范围表明堆肥产品具有适宜的酸碱度，有利于土壤微生物的活动和植物根系的生长。此外，有机质（OM）含量超过30%，这不仅说明了堆肥产品具有较高的有机物含量，而且符合《有机肥料》NY 525—2021标准的要求。堆肥产品中的养分质量分数约为4.5%，这一数值高于标准中规定的最低限值4%，说明堆肥产品能够为植物提供充足的营养元素，如氮、磷、钾等，有助于提高土壤的肥力和促进植物生长。尤为重要的是，在堆肥过程中，重金属含量得到了有效控制，测定的汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）和铬（Cr）含量均远低于NY 525—2021标准中规定的限值，这表明蚯蚓堆肥技术能够有效降低污泥中重金属的生物可利用性，减少其对环境和人体健康的潜在风险。证明了蚯蚓堆肥是一种有效的污泥处理和资源化利用技术，而且为污泥堆肥产品的安全应用提供了科学依据。

3 结语

本研究通过蚯蚓堆肥技术对鄂尔多斯市污水处理厂产生的污泥进行了处理，并对其理化性质、营养元素含量以及重金属含量的变化进行了系统分析，得出以下结论。

随着堆肥时间的增加，污泥的pH值出现了轻微的下降趋势；有机质含量逐渐减少，磷含量和钾含量保持较高水平，反映了堆肥过程中营养元素的富集和矿化作用，这对于提高污泥的肥料价值具有重要意义。

蚯蚓堆肥技术显著降低了污泥中重金属汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）和铬（Cr）的含量，使之均符合《有机肥料》NY 525—2021标准的要求。其中，铅和铬含量的下降比例分别为75.6%和78.7%。这一结果表明，蚯蚓堆肥不仅能够有效地稳定和转化污泥中的有机物质，还能够降低污泥中重金属的生物可利用性，减少其对环境和人体健康的潜在风险。

综上所述，蚯蚓堆肥技术是一种有效的污泥处理和资源化利用方法。通过合理的堆肥工艺和添加材料，可以显著改善污泥的理化性质，提高其作为有机肥料的应用价值，同时降低其对环境的潜在风险。

未来，研究将进一步探讨不同堆肥条件下污泥性质的变化规律，以及如何通过工艺优化提高污泥堆肥产品的质量和应用范围，为污泥的安全处理和资源化利用提供更加科学、高效的解决方案。

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（责任编辑 郭晓勇）