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蚯蚓对城市污泥中镉、铅及养分生物有效性的影响 摘要 本实验研究了堆肥处理以及蚯蚓处理对污泥中重金属c d 、p b 及养分生物有效 性的影响，并通过盆栽作物对蚯蚓处理污泥的效果进行验证，所得主要结论如下： 1 堆肥处理对污泥中养分含量及重金属c d 、p b 形态分布的影响 污泥经过堆肥处理后，其全氮和速效氮的含量有所降低，磷和钾的全量及速效 含量均有提高，交换态、碳酸盐结合态和铁锰结合态的c a 、p b 含量减少，而有机 结合态和残渣态的c d 、p b 含量增加，堆肥提高了c a 、p b 稳定形态的比例。 2 污泥中重金属c d 、p b 污染对蚯蚓生长的影响及蚯蚓对c d 、p b 的吸收和富积 c d 、p b 单一处理的污泥中，低浓度的c d ( 8 5 1 m g k g ，d w ) 、p b ( 3 7 7 4 3 m 眺g ， d w ) 对蚯据i 的生长有一定的刺激作用。能够促进其增长，而高浓度的c a ( 2 5 0 2 m g k g ，d w ) 、p b ( 1 2 4 2 8 5m g ，l 【g ，d w ) 则对蚯蚓产生毒害作用，能够抑制其增 长，在高浓度的p b ( 1 2 4 2 8 5 m g 瓜g 。d w ) 处理的污泥中蚯蚓已出现明显的毒害症 状，体表有肿块出现。c a 、p b 复合污染的污泥中，作c a 、f b 浓度对蚯蚓增长率的 影响的双因素交互作用的方差分析得f = 0 7 7 ，p - - 0 3 9 7 3 ，即本实验设计的浓度组合 对蚯蚓生长的毒性影响没有明显的协同作用。蚯蚓在c a ( 1 4 2 5m g k g ，d w ) 含量 较低的污泥中对c d 具有富积作用，而在c a ( 2 5 0 2m g k g ，d w ) 含量较高的污泥 中对c a 只吸收，但不富积。在不同浓度c d 、p b 处理的污泥中，蚯蚓对p b 的吸收 系数k 均小于1 ，表明蚯蚓对p b 只吸收，但没有富积作用。 3 蚯蚓处理对污泥肥力及污泥中重金属c d 、p b 形态分布的影响 蚯蚓处理能够延缓污泥p h 值的降低，促进污泥中有机质的分解转化，降低其 含量，还能影响污泥中的全氮含量，使全氮含量降低，而对污泥中全磷、全钾和速 效钾的含量没有明显影响，但能促进氮、磷转化，使碱解氮和速效磷的含量增加。 蚯蚓处理能够在一定程度上降低污泥中重金属c d 、p b 交换态的含量，降低其生物 有效性，增加c d 、p b 碳酸盐结合态的含量，而对污泥中铁锰结合态、有机结合态 和残渣态的c a 、p b 含量没有明显影响。 4 污泥施用对土壤及小白菜产量和品质的影响 盆栽实验表明，污泥及污泥堆肥以1 0 9 k g ( 1 0 9 为干重) 作肥料施用能明显地 增加小白菜的产量，产量最高达7 9 0 1 钵( f w ) ，与不施污泥的对照( 3 5 2 1 钵) 相比增产1 2 4 4 ，经过蚯蚓处理的污泥施用能进一步提高小白菜的产量，且当污泥 中重金属含量较高时效果明显。污泥及污泥堆肥的施用也能明显增加小白菜的硝酸 盐含量，小白菜中硝酸盐含量最高达2 1 9 2m g k g ( f w ) ，明显高于不施污泥的对 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 照( 9 2 3m g l 【g ，f w ) ，但不会导致硝酸盐含量的超标，经过蚯蚓处理的污泥施用 能够降低小白菜中硝酸盐的含量。污泥及污泥堆肥的施用反而降低了小白菜中重金 属c d 的含量，但无显著影响，而随着旄用污泥中c d 含量的增加，小白菜的g d 含 量呈上升的趋势，小白菜的c d 含量最高达0 3 4 2m 眺g ( d w ) ，但未超过国家限 量标准，而蚯蚓处理的污泥施用能够进一步降低小白菜的c d 含量。污泥及污泥堆 肥旌用，作物收获后壤中重金属o d 、p b 的含量有所增加。且当所蔸污泥中c d 、 p b 含量较高时影响明显，而经过蚯蚓处理的污泥施用与没有经过蚯蚓处理的污泥施 用相比，对土壤中c d 、p b 的含量没有明显影响。 关键词：污泥；养分：蚯蚓；镉：铅 蚯蚓对城市污泥中镉、铅及养分生物有效性的影响 a b s t r a c t l a b o r a t o r yi n c u b a t i o na n dp o tt r a i lw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f e a r t h w o r mt r e a t m e n ta n dc o m p o s t i n go nt h eb i o a v a i l a b i l i t yo fc a d m u i u m 删) a n dl e a d ( p b ) i ns e w a g es l u d g e t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： 1 e f f e c t so fc o m p o s t i n go h t e n bo fn u t r i e n t sa n df r a c t i o n so fc aa n dp bi n s e w a g es l u d g e d u et oc o m p o s t i n g , c o n c e n t r a t i o n so fb o t ht o t a la n da v a i l a b l en i t r o g e n d e c r e a s e d , w h i l em t a la m o u n t so fp h o s p h o r u s ( p ) a n dp o t a s s i u m ( 码，a n da v a i l a b l e a m o u n t so fpa n dk i n c r e a s e d ；c o n t e n t so fe x c ，c a r , f e - m no fc aa n dp br e d u c e d , a n d c o n t e n t so fo x i r e so fc da n dp bi n c r e a s e d s e w a g es l u d g ec o m p o s t i n gi m p m v e dt h e p r o p o r t i o no fs t a b i l i t yf r a c t i o n so fc aa n dp b 2 e f f e c t so fc aa n dp bo ut h eg r o w t ho fe a r t h w o r m sa n de a r t h w o r ma c c u m u l a t i o n o fc da n dp bi ns e w a g es l u d g e l o wl e v e l so fc 0 ( 8 - 5 1m g k g ，d w ) o rp b ( 3 7 7 4 3m g n 【g ，d w ) p r e s e n t e di ns e w a g e s l u d g e s t i m u l a t e de a r t h w o r mg r o w t h , b u th j g hl e v e l so fc a ( 2 s 0 2m g k g ，d w ) o r p b ( x u 2 8 5m g k g ，d w ) w e r et o x i ct oe a r t h w o r m sa n di n h i b i t e dt h e i rg r o w t h t h e p o i s o n i n gs y m p t o mo fe a r t h w o r m sc o u l db eo b s e r v e di nt h el t e a t m e n tw i t hh i g hl e v e lo f p bi n s e w a g es l u d g e t h e r ew e r em a s so nb o d ys u r f a c eo fe a r t h w o r m s i nc o m p l e x t r e a t m e n to fc aa n dp b ，m a k ed o u b l ef a c t o r sa n a l y s i so fv a r i a n c eo nc o n t e n t so fc aa n d p bt or a t eo fe a r t h w o r mm e r e a s e ，f - - 0 7 7 ，p = 0 3 9 7 3 ，t h e r ew a sn oe v i d e n c u l y s y n e r g i s t i c e f f e c to ng r o w t ho fe a r t h w o r m si nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fc o m b i n e dt r e a t m e n to ft h i s e x p e r i m e n t e a r t h w o r m sc o u l dc o n c e n t r a t ec ai nl o wc o n c e n t r a t i o n so fc do fs e w a g es i n d g e ， b u ti nh i 【g hc o n c e n t r a t i o n so fc ao fs e w a g es l u d g e i ta b s o r b e dc do n i y , i th a dn o c o n c e n t r a t i o ne f f e c to nc d i nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc da n dp bo fs e w a g es l u d g e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fe & r t h w o n l l s t op bw a sl o wt o1 ，w h i c hs h o wt h a te a t h w o g m s a b s o r b e dl e a do n l y , b u ti th a dn oc o n c e n t r a t i o ne f f e c to nl e a d 3 e f f e c t so fe a r t h w o r mt r e a t m e n to df e r t i l i t ya n df r a c t i o n so fc da n dp bi ns e w a g e s l u d g e e a r t h w o r ma c t i v i t i e si n c r e a s e dp ho fs e w a g es l u d g e ，f a c i l i t a t e dt h ed e c o m p o s i t i o n o fo r g a n i cm a t t e r , a n dr e d u c e dt h ec o n t e n t so ft o t a in a l s oi n c r e a s e dt h ec o n t e n t so f a v a i l a b l ena n da v a i l a b l epi ns e w a g es l u d g e ；b u th a 血tc a u s e da n ye f f e c t so i lc o n t e n t s m 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 o f1 0 t a lp t o t a lka n da v a i l a b l ck e a r t h w o r mt r e a t m e n tc o u l dd e c r e a s et h ea m o u n t so fc da n dp bi ne x c h a n g e a b l e f r a c t i o n ，i n c r e a s e dt h ec o n t e n t so fo fc aa n dp bi nc a r b o n h y d r o x i d eb o u n df o r m ，b u th a d 1 1 0e f f e c t so nc o n t e n t so ff e m nc d ，f e m np b ，o x i c o , o x i p b ，r e s c aa n dr e s p b 4 e f f e c to f s e w a g es l u d g ea p p l i c a t i o no ry i e l d ，q u a l i t yo f c h i n e s ec a b b a g ea n ds o i l i np o tt r a i l ，a p p l i c a t i o no fs l u d g ec o m p o s ta n ds e w a g es l u d g ea t1 0g k g ( d w ) c o u l d p r o m o t e c h i n e s ec a b b a g ep r o d u c t i o no b v i o u s l y t h eh i g h e s tc h i n e s ec a b b a g e p r o d u c t i o n w a s7 9 0 1 9 p o t ( f w ) ，w h i c h i n c r e a s e d l 2 4 4 c o m p a r e d t o c k ( 3 5 2 1g p o t f w ) a p p l i c a t i o n o f s e w a g es l u d g eb ye a r t h w o r mt r e a t m e n tc o u l df u r t h e rr a i s et h ey i e l do fc h i n e s ec a b b a g e ， w i t hg r e a t e ri n c r e a s e so c c u r r e di nh i g h e rc da n dp bt r e a t m e n t s e f f e c t so ui n c r e a s i n gt h e y i e l do fc h i n e s ec a b b a g eo b v i o u s l y a p p l i c a t i o no fs l u d g ec o m p o s ta n ds e w a g es l u d g e c o u l da l s oi n c r e a s et h en i t r a t ec o n t e n t so fc h i u e s ec a b b a g e , t h eh i g h e s tn i t r a t ec o n t e n t s o fc h i n e s ec a b b a g ew a s2 1 9 2m 班g ( f w ) ，i tw a sh i g h e rt h a nc k ( 9 2 3m g k g , f 叼，b u ti t d i 血tr e s u l ti ne x c e s s i v ea c c u m u l a t i o no fn i t r a t ei nc h i n e s ec a b b a g e a p p l i c a t i o no f s e w a g es l u d g eb ye a r t h w o r mt r e a t m e n tc o u l dr e d u c et h en i t r a t ec o n t e n t 缸o l i n e s e c a b b a g e a p p l i c a t i o no fs l u d g ec o m p o s ta n ds e w a g es l u d g ec o u l dr e d u c et h ec o n t e n t so f c di nc h m e s ec a b b a g e 。b u ti th a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt h ec o n t e n t so fc di nc h i n e s e c a b b a g e t h eh i g h e s tc dc o n t e n t so fc h i n e s ec a b b a g ew a s0 3 4 2m g k g ( d w ) ，b u ti t d i 血tr e s u l ti ne x c e s s i v ea c c u m u l a t i o no fc di nc h i n e s ec a b b a g e a p p l i c a t i o no fs e w a g e s l u d g eb ye a r t h w o r mt r e a t m e n tc o u l df u r t h e rr e d u c et h ec o n t e n t so fc di n c h i n e s e c a b b a g e a p p l i c a t i o no fs e w a g es l u d g ea n ds l u d g ec o m p o s ti n c r e a s e dc da n dp b c o n c e n t r a t i o n si ns o i l s w i t hg r e a t e ri n c r e a s e so c c u r r e dj nh i g h e rc da n dp bt r e a t m e n t s a p p l i c a t i o no fs l u d g et r e a t e db ye a r t h w o r m sh a du os i g n i f i c a n te f f e c t sf i l ls o i lc da n dp b c o n t e n t s ，c o m p a r e dw i t ht r e a t m e n tw i t h o u t e a r t h w o l n 1 5 k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；n u t r i e n t ；e a r t h w o r m ；c a d m i u m ；l e a d i v 堑竺! 翌苎皇望望! 塑：竺墨茎坌竺望蔓茎丝竺墅堕 缩略语表 缩略词英文名 中文名 e x e e x c h a n g e a b l ef o r m 交换态 c a r c a r b o n a t ec o m b i n a t i o ns t a t e 碳酸盐结合态 f e m n f e m no x i d ec o m b i n a t i o ns t a t e 铁锰氧化物结合态 o x i o r g a n i c a l l yb o u n df o r m s有机结合态 r e s r e s i d n af o r m 残渣态 c d c a d m i u m 镉 v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密磊 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究蚴：甸嗾 帆2 。b 7 年占月乡日 学位论文使用授权书 “学位论文作者签名：到i 招兵导师签名：忙 签名吼2 叼年占月，6 日签名魄叩年占月，g 日 蚯蚓对城市污泥中镉、铅及葬分生物有效性的影响 1 绪论 1 。1 文献综述 1 1 1 城市污泥特性及其处置途径 1 1 1 1 城市污泥特性 污泥的成分很复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物 残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机 物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质。污泥的主 要特征是含水率高( 可达9 9 以上) ，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较 细，比重较小，呈胶质状液体状态。污泥中含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营 养元素以及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及 腐殖质，同时也含有多神病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。从养 分的角度考虑，与纯猪粪和猪厩肥相比，城市污泥作为肥料使用具有一定的价值和 潜在的优势。我国城市污泥氮、磷、钾总养分含量平均达到铝3g a g ，全氮和全磷 含量比纯猪粪高3 1 和5 9 ，比猪厩肥高1 8 8 和2 0 4 ；钾的含量较低，相比纯 猪粪和猪厩肥低3 8 和6 2 。以一个日产污泥5 0t ( 湿重) 的污水厂为例，若干污 泥的含氮量为2 0g ag ，该厂的污泥每年相当于提供氮素1 1 0t ，折合成硫酸铵化肥 5 2 0 t ，可供1 7 4 h m 2 农田使用( x u e ，1 9 9 2 ) 。 1 1 1 2 城市污泥处置途径 目前世界污水处理厂年产污泥量己超过1 亿吨( 干污泥) 。土地利用作为一种 资源化利用的方案，是解决大量的城市污水处理厂产生的污泥的有效途径之一。污 泥是一种十分有效的生物资源，污泥中含有植物生发育所需的氮、磷、钾及维持植 物正常生长发育的多种微量元素和有机质，其含量高于常用的农家肥，同时还可以 提高土壤保水和抗侵蚀能力，是良好的土壤改良剂。但在另一方面，它还含有大量 的重金属、病原菌、寄生虫( 卵) 和有毒的有机物，如果处理不当，则会产生严重 的二次污染，特别是其中的重金属带来的环境问题一直是被关注的焦点之一 ( b a v e y e e ta 1 ，1 9 9 9 ；i m n ye ta 1 ，1 9 9 3 ) 。污泥中的重金属含量高，一些重金 属的含量甚至超过土壤中正常含量的数百倍，而且重金属在土壤中的停留时间长， 可能对土壤的性质、利用方式有一定的影响( m o o l e n a a ra n db e l t r a m i ，1 9 9 8 ：w e m e r 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 a n d w a m u s z ，1 9 9 7 ) 。由于污泥是一种人为的产品，其重金属的含量、稳定性及贮 存状态都有一定的特点，其环境行为也有一定的特性。 随着我国生活污水处理量和处理率的提高，剩余污泥的量也将急剧增加，以我 国2 0 0 0 年工业和城市生活废水排放总量4 1 5 亿吨废水中的6 5 用生物法处理计算 ( 以每处理1 0 0 0 0t 生活污水产生含水率9 9 的剩余污泥1 5 0m 3 计算，相当于含水 率7 5 的脱水污泥3 5t 或含水率1 5 的干污泥1 1t ) ，将产生脱水污泥2 1 0 0 万吨， 干污泥7 2 8 万吨( 向迎洪等，2 0 0 4 ) 。按照我国城市污水处理厂的建设规划，2 0 1 0 年，我国城市污水的处理量和处理率将增加，污泥量也将增加到现在的5 倍。污泥 常用的处理方法有：厌氧消化、焚烧、填埋、土地利用、建材利用和排海等，但是 这些处理方法都存在弊端。如厌氧消化法虽能实现能源利用，但是厌氧消化残渣仍 需处理，并且运行管理水平较高。焚烧处置虽能最大限度消减污泥，但设备的投资 和运行费用都比较高。由于脱水污泥含有重金属和病源微生物等，直接农用将对人 类的健康和生态环境造成严重的危害。填埋处置容易造成对地下水的污染，同时占 用大量的土地。远洋投海是一种污染转嫁行为，已被世界上大多数国家禁用。近年 来，各国正在寻找处理污泥的新方法，如草地利用、建材利用等。但这并不是解决 污泥的根本方法，污泥的减量和污泥资源化的综合利用才是解决问题的最佳途径。 根据欧美等发达国家的经验，污泥处理的费用占污水处理厂投资和运行费用的 4 0 6 0 。因此，寻找能有效削减剩余污泥量并能实现其资源化的处理方法有着 显著的社会效益和经济效益。蚯蚓是一类低等的腐生生物自从g r a f f ( 1 9 7 4 ) 率先 研究蚯蚓处理有机废弃物的能力以来，国际上高度重视这一新兴生物技术，把它广 泛应用于处理环境中的各种有机废弃物。城市污水处理厂的剩余污泥中含有大量中 等腐熟程度的有机物，这可以作为蚯蚓的饲料，人工引入一个营养节，利用生物链 消减剩余污泥，有效遏制这一污染源，同时产生蚓体蛋白和高效的生态肥蚓粪， 从而形成一个良性的生态循环系统( 肉迎洪等，2 0 0 4 ) 。我国的杨珍基、岳清泉、 胡秀仁、陈祖建等先后报道在处理工业废弃物、城市生活垃圾等领域采用这一技术 所取得的研究成果。 近年来将蚯蚓引进生物滤池构建新型污水处理生物滤池在法国等国家已有较 多研究与实践，蚯蚓生物滤池的作用原理主要是利用蚯蚓的活动实现滤池通气供氧 和解决滤池堵塞问题。另外，通过蚯蚓对滤池中生物污泥的取食可以实现生物滤池 运行过程中剩余污泥的就地削减，省去污泥处理构筑物及其相应的运行费用( 郝桂 玉等，2 0 0 4 ) ，同济大学在国内该领域首先开展了相关的研究工作，并为蚯蚓处理 城市污泥的可行性提供了大量参考依据。 我国污泥的最终处置主要有农田利用和卫生填埋两种方式，由于污泥中含有重 金属等污染物，可能因农用而导致生态环境的污染，并通过食物链最终对人体健康 2 蚯蚓对城市污混中镉、铅及养分生物有效性的影响 构成危害，因而处理途径及农用对环境的影响等研究受到了广泛关注。但是，到目 前为止，国内外虽有关于蚯蚓处理污水处理厂剩余污泥的研究报道，但主要集中在 蚯蚓处理城市污泥的可行性及对污泥中重金属含量的影响，而对处理后污泥的农用 对作物产量、品质及土壤的影响尚未见报道。 1 1 2 城市污泥堆肥 早在几个世纪前，世界各地农村将落叶、杂草、海草和人畜粪尿等混合堆积在 一起使其发酵并制取肥料，这就是原始的堆肥方式。1 9 4 0 年，e a r p t h o m a s 堆肥法 的问世。导致了高速堆肥的迅速发展( 国家环境保护总局污染控制司，1 9 9 9 ) 。堆 肥主要有以下作用：消除臭味，杀死病原茵和寄生虫卵；降解大多数毒性有机物； 固化和钝化重金属；改善物理性状，降低含水率( 可低于4 0 ) ，堆肥可作为商品出 售( 许泽美，2 0 0 2 ) 。 1 1 2 1 堆肥原理和过程 堆肥过程是一个微生物发酵过程，它在本质上是一种酶促生物化学反应系统， 温热条件是其重要参数。堆肥的两个目的是灭菌和稳定化，它们都与温热条件有着 密切的联系( f i n s t e i ne ta 1 ，1 9 8 6 ) 。美国国家环保局标准规定，高温堆肥在5 5 以上要维持3d 5d ，我国国家标准规定在5 0 5 5 以上要维持5d 7d ，以达 到杀灭病原菌杂草种子的且的( 国家环保局，2 0 0 0 ) 。这一标准是基于病原菌热灭 活动力学理论建立的( 蔡建成，1 9 9 0 ) 。包含了温度强度和持续时间两个因素：当 在某种温度强度下持续一定时间，就可以保证杀灭病原菌。堆肥在高温下维持一定 的时间后，虽然灭菌化过程己达到标准，但是堆肥的稳定化过程并未完成，之所以 在高温灭菌后还要持续进行中温堆肥，就是为了完成另一个重要的过程稳定 化。稳定化过程贯穿于整个堆肥过程，在中温条件下( 3 0 4 0 ) 稳定效率最高， 但是其完成时间并没有具体的规定，一般凭经验判断或将各种复杂腐熟度检测方法 相结合来判断。堆肥的稳定化过程主要是由微生物完成的，在堆肥中存在着各种各 样的微生物群落，其中细菌占主导地位，真菌、放线菌也有较多的数量( k a n ea n d m u l i m ，1 9 7 3 ) 。微生物的群落结构将会随着堆肥不同时期温度的交化而相应交化， 微生物种群在整个堆肥过程中的演替能很好地指示堆肥腐熟程度。因此，微生物的 种类和活动情况对于堆肥的腐熟( 稳定化) 起着至关重要的作用。不同种类微生物 的生长繁殖对温度的要求不同，一般而言，嗜温菌最适宜温度是3 0 4 0 ，嗜热 菌发酵最适宜温度是5 0 6 0 c ，过高的温度将会抑制对纤维素等分解能力很强的 嗜温菌的活动( 李国学和张福锁，2 0 0 0 ) 。以生物为媒介的反应过程，在适合于生 物体生长繁殖的温度范围内，温度每升高1 0 ，生物的化学反应速率将增加1 倍。 3 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 温度和反应速率之间的定量化关系使得温度和反应时间联系起来。对于一定量的反 应底物，高温短时间反应和低温长时间反应可以达到基本一致的稳定化效果。因此， 堆肥的稳定化过程既要求一定的温度强度，也需要一定的温度总和( 温度强度乘持 续时间) 。在污泥高温好氧堆肥的高温灭菌过程和稳定化过程中，都要同时兼顾到 温度强度和持续时间两个因素。 目前，堆肥工艺有多种分类方式。根据物料的状态，可分为静态和动态两种。 根据微生物的生长环境，堆肥可分为好氧和厌氧两种。根据堆肥过程的机械化程度， 可分为露天堆肥法和快速堆肥法两种。根据堆肥技术的复杂程度，堆肥系统又可分 为条垛式、强制通风静态垛式和反应器系统。条垛式的垛断面可以是梯形、三角形 或不规则的四边形，它通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。强制通风静态垛式 是在条垛式基础上，不通过物料的翻堆而是通过强制通风向堆体中供氧。它的堆腐 时间较短，温度和通风条件能得到较好的控制，操作运行费用低。反应器系统实际 上是密闭的发酵仓或塔，占地面积小，可对臭气进行收集处理，但投资和运行费较 高。污泥的好氧堆肥过程实际上就是污泥的微生物发酵过程。在这个过程中，污泥 中可溶性小分子有机物通过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物吸收利用。不溶性 大分子有机物则先附着在微生物体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分 子物质，在送入微生物细胞内被利用。通过微生物的生命活动合成及分解过程， 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并提供生命活动所需要的能量，把 另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物增殖。好氧堆肥利用好氧菌和氧 气，使污泥高温发酵，它是处理与处置城市污泥的一种经济有效的好方法，具有使 有机有害物分解彻底、堆肥周期短、臭味小、好控制等优点。它运用多学科技术， 利用微生物群落在特定的环境中对多相有机物分解，将污泥改良成稳定的腐殖质， 用于肥田或土壤改良。 堆肥过程常分为三个阶段。第一阶段是中温阶段，第二阶段是高温阶段，第三 阶段是腐熟阶段。中温阶段结束的标志是堆温升至4 5 ，高温阶段耗氧速率高、温 度高、挥发性有机物降解速率高、臭味很浓：腐熟阶段则温度低、耗氧速率低、空 隙率增大、腐殖质增多且稳定化。好氧堆肥无害化要保证堆层温度在5 5 以上保持 5d 7d ，以达到杀灭蛔虫卵和大肠杆菌的要求。 1 1 2 2 污泥堆肥的技术措施 污泥堆肥技术是保证堆肥效果的关键，堆肥的技术主要有以下几个方面： ( 1 ) 含水率。堆肥物料中含水率小于2 0 时，微生物依靠游离水运动的能力减 少，分解活动就会停止。含水率过高，物料之间相互粘结，水分充填物料之间的大 部分空间。堵塞了空气的通道，使物料由于缺氧而造成厌氧发酵，既浪费了动力， 4 蚯蝎l 对城市污泥中镉，铅及荠分生物有效性的影响 又无法快速使温度上升，延缓堆肥发酵速度。一般认为含水率为5 0 6 5 为最 佳条件。 ( 2 ) 通气系统。为给微生物活动提供足够的氧，必须对堆肥物料进行充气、抽 气或翻动。通气不好或通气量小易呈厌氧状态； 通气量大，又会带走部分热量。 一般堆肥初期物料孔隙不均匀，通气量比正常运转时大些。 ( 3 ) 温度。堆肥温度是反映堆肥综合效果的重要指标，普遍认为通风和气候会 影响堆肥温度和散热的大小。近年来有学者发现，温度过高会抑制微生物的分解速 度。日本研究人员认为温度在5 0 6 5 1 2 范围内，堆肥综合效果较好。 ( 4 ) p h 值和w ( 6 3 ，w 比值。作为发酵条件，物料p h 值是十分重要的。 p h 5 时，发酵就会停止进行。一般认为，发酵在p h 值6 9 的范围内进行，最 佳p h 值在8 附近。w ( c ) ，w ( n ) 表示了堆肥物料中含炭和氮的比值，炭是发酵过 程中的动力、热源，表征了产热量的大小，氮是控制生物合成的因素。堆肥初期w ( 6 3 ，h ，( n ) 比值是影响有机物分解速度的重要因素，w ( c ) ，w ( n ) 4 0 ：1 时，发 酵过程会延长，而比值太低时，又会造成氮的损失，要在堆肥过程中保存肥效，必 须保存氮。 由于城市污水厂污泥性质特殊，含水率较高，有机物含量不高，空隙率较小， 粘度大等等，因此用污泥为原料堆肥时，通常需加树叶、锯末、木屑、秸秆、腐熟 堆肥等调理剂，或与城市生活垃圾混合堆肥。污泥经堆肥后，病原菌、寄生虫卵等 几乎全部被杀死，重金属有效态的含量也会降低，营养成分有所增加，污泥的稳定 性和可利用性大大增加。赵丽君等对比堆肥前后污泥中有毒有机物含量发现，污泥 中有毒有机物的降解率平均在6 0 以上( 赵丽君和杨意东，1 9 9 9 ) 。一般污泥经过 堆肥处理后，交换态重金属的量会减少，即生物有效性重金属减少，因此可通过控 制污泥堆肥条件来提高污泥堆肥的质量( 张增强和唐新保，1 9 9 6 ) 。 1 1 3 城市污泥农用 污泥中含有大量植物所需的营养成分和微量元素，施用于农田后会提高土壤有 机质和氮、磷、钾等的含量，增加土壤的肥力，从而促进作物的生长。污泥的肥效 可高于一般农家肥( 郭媚兰和王秀林，1 9 9 3 ) ，也不像化肥会使土壤板结，因此施 用污泥既可肥田，又有利于土壤质量的改良，并减少了农业生产的成本。 1 1 3 1 污泥农用对作物的影响 污泥土地利用途径主要有直接施用和发酵消化后施用。直接施用方式简单且费 5 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 用低廉，因而是包括我国在内的世界上大多数国家利用污泥数量比例最大的一种方 式。日本有研究表明，污泥施用对绝大多数作物都有良好的肥效作用，其中以叶莱 类增产最多，同时可改善蔬菜因缺少微量元素而引起的品质下降( 王木勉，1 9 9 1 ) 。 林春野等( 1 9 9 4 ) 的研究结果表明，合理施用活性污泥能增加土壤肥力，提高作物 产量和品质，而未对土壤和作物产生污染。 污泥经过发酵消化后，污泥中有机物在微生物的作用下会转变成腐殖质。污泥 经过堆肥消化处理后可以增加污泥的稳定性( 薛文源，1 9 9 2 ) ，此外，经过堆肥消 化处理后污泥中某些重金属的形态分布比例有所改变。蔡全英等( 2 0 0 3 ) 的研究表 明，与不施肥相比，水稻土、赤红壤、石灰性土和褐土上适量施用污泥及其堆肥盆 栽通菜，通菜产量均显著增加。张桥等( 2 0 0 0 ) 研究报道了施用污泥堆肥对作物和 土壤的影响，结果表明污泥与稻草或木屑的堆肥作为肥料施用于萝卜( b r a s s i c a c a m p e s t r i s ) 和菜心( b r a s s i c ap a r a c h i n e n s i s ) 产量明显提高，部分堆肥产品增产效 果优于化肥且后效明显。李宇庆等( 2 0 0 6 ) 的研究表明，堆肥污泥对木槿的生长有 着不同程度的促进作用，如当污泥施加量为1 0 、3 0 和5 0 时，木槿生物量均有 明显提高。李艳霞等( 2 0 0 2 ) 的研究表明，城市污泥堆肥基质能明显提高黑麦草的 地上和地下生物量和叶绿素含量；与不施化肥和施用化肥的对照相比，城市污泥堆 肥可以增加土壤有效态氮、磷含量，促进植物叶片对氮的吸收，提高草坪的质量。 李国学等( 1 9 9 8 ) 的盆钵研究认为，污泥堆肥施用对青菜( b r a s s i c ac h i n e n s i s ) 中 重金属呈积累的趋势，当施用污泥过量时，青菜中多种重金属含量超标。 1 1 3 2 污泥农用对土壤的影响 城市污泥及其堆肥施入土壤后不仅能提高土壤的有机质含量，改变土壤的物理 性状，还能带入氮、磷、钾和多种微量元素。周立祥等( 1 9 9 4 ，1 9 9 9 ) 对苏州市生 活污泥的农用研究表明：施用污泥后土壤结构明显改善，容重下降，孔隙增多，通 气透水性加强。郭媚兰等人( 1 9 9 4 ) 对污泥农田施用后对土壤的改良作用进行了研 究，其盆栽和田间实验表明：施用污泥后，土壤中氮、磷、钾、总有机碳等营养成 分及田间持水量、土壤团粒结构、土壤空隙度等都随污泥或污泥堆肥用量的增加而 相应增加，土壤结构得到明显改善。有人对高碑店乡施用污泥的土壤和不施污泥的 对照区调查发现，有机质含量提高3 6 8 1 4 1 ，且施用污泥的时间越长，土壤有 机质含量越高( x u ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 。城市污泥的有机质含量较高，可使土壤的容重 降低，同时城市污泥中的有机质可促进团粒结构形成，提高土壤孔隙度，改善土壤 结构，提高土壤的持水能力( c h e r te ta 1 ，2 0 0 2 ) 。在蔬菜和粮食作物的栽培试验中， 无论是施用城市污泥还是城市污泥与化肥配合施用，均可提高土壤的氮、磷养分含 量，达到培肥地力的效果( l i ue ta 1 ，1 9 9 4 ：c h e ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 。黄游等( 2 0 0 6 ) 6 蚯蚓对城市污泥中镉、铅及养分生物有效性的影响 通过高羊茅盆栽土培实验，研究了施加污泥堆肥对土壤中有效态重金属含量的影响 以及重金属的生物有效性和土壤中有效态含量之间的关系，结果表明，土壤中有效 态重金属的含量随污泥施入量的增加而升高。黄雅曦等( 2 0 0 5 ) 研究发现，随着污 泥堆肥施用量的增加，土壤中重金属含量也显著增加。 1 1 4 蚯蚓处理有机废弃物 蚯蚓是一种杂食动物，它们大量吞食有机物质，通过砂囊的机械研磨和肠道内 的生物化学作用进行分解和转化。2 0 世纪8 0 年代以来，入们将自然生态系统中的 分解者蚯蚓引入到有机废弃物处理技术中，用人工控制的方法实现蚯蚓堆肥处 理过程。在微生物的协同作用下，蚯蚓利用自身丰富的酶系统( 蛋白酶、脂肪酶、 纤维酶、淀粉酶等) 将有机废弃物迅速分解、转化成易于利用的营养物质，加速了 堆肥稳定化过程( 孙振钧，2 0 0 4 ) 。2 0 世纪8 0 年代中期，清华大学环境工程研究 所开展养殖蚯蚓处理城市生活垃圾的可行性研究，1 9 8 9 年通过成果鉴定，肯定了养 殖蚯蚓处理生活垃圾的可行性与优越性( 霍维周和丁雪梅，2 0 0 2 ) 由于蚯蚓具有 惊人的吞噬能力( 日吞食量可达其体重的数倍) ，且其消化道可分泌蛋白酶、脂肪酶、 纤维素酶、甲壳素酶、淀粉酶等多种酶类，对绝大多数有机废弃物有较强的分解作 用( 黄福珍等，1 9 8 4 ) 。有机物质被蚯蚓摄食后，少部分被直接同化利用，大部分 经蚯蚓体内的磨碎和挤压作用后以颗粒状排出。起到类似于挤压造粒的作用，从而 达到物理改性的目的。同时，蚯蚓能促进微生物的活性，它们问的联合作用加速了 有机物的分解和转化，并能有效除去或抑制堆制过程中产生的臭味( 陈玉成等， 2 0 0 3 ) 。吴敏等( 2 0 0 3 ) 的研究表明，利用由蚯蚓和微生物共同组成的人工生态系 统对污水处理厂剩余污泥进行了为期半年的脱水和稳定处理，结果表明蚯蚓生态系 统集浓缩、调理、脱水、稳定、处置和综合利用等多种功能于一身，为解决城市污 水厂污泥的最终处置问题提供了生态利用的新途径。冯磊等( 2 0 0 6 ) 采用蚯蚓堆肥 处理4 种不同有机废物，通过分析样品的温度、有机质含量、p h 值以及实验前后 样品的质量等参数的变化，比较蚯蚓堆肥处理不同有机垃圾的效果，结果表明，在 合理条件下，蚯蚓堆肥可以直接处理生活有机垃圾和污泥( 包括其堆肥后产物) 。 p a y a lg a r g 等用蚯蚓堆肥处理不同行业的有机废弃物时各有机成分变化趋势按照 处理效率高低顺序为：纺织污泥和纤维 公共有机废弃物 农业废弃物 厨房垃圾 ( p a y a lc ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 1 1 5 蚯蚓对城市污泥中重金属和养分生物有效性的影响 城市污泥除了含有大量植物生长所需的养分物质外往往还含有大量的重金属， 在土地利用过程中容易对土壤、地下水和动植物造成二次污染，因此如何加以防治 7 华中农业大学硕士学位论文2 0 0 7 刘昭兵 成为污泥土地利用必须解决的问题。随着研究的深入，人们逐渐认识到污泥中重金属 对环境危害的大小，更大程度上取决于其形态分布。重金属的不同形态表现出不同的 生物毒性和环境行为( 安淼等，2 0 0 3 ) 。污泥中重金属的含量值提供了重金属可能迁 移情况的一个重要依据，但并不能对重金属迁移能力给出确切的说明，实际上重金属 的迁移性主要是由其化学形态决定的。重金属存在的形态不同，其活动性、迁移性差 别很大。重金属的生物有效性与重金属的形态有密切关系( 蒋廷惠等，1 9 8 9 ) 。 蚯蚓能够通过食物链的放大作用富集重金属元素，因而可应用到重金属污染区 的污染治理中( 戈峰等，2 0 0