（环境工程专业论文）蚯蚓堆制处理污泥过程中有机物降解效果、影响因素及其机制探讨.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 污泥是城市污水厂发展过程中的副产物，其产量越来越大，成为环境治理 难点，是目前全世界普遍存在的突出环境问题。污泥中积累的大量有毒有害污 染物通过交换作用重新释放，成为土壤和大气二次污染源。为了更有效去除污 泥各种污染物，本文结合桃浦污泥成分复杂特性，在气候室中用蚯蚓堆制处理 污泥有机物，并对影响处理效果内、外在影响因素进行分析。 对供试污泥进行全面分析后，本文重点利用土壤微型动物蚯蚓作为堆制处 理主体，以c o d 和挥发性固体表征蚯蚓堆制和普通堆制过程中污泥有机污染物 降解的对比效果，以不同存在形式的碳为主线对有机物降解过程中存在的转化 过程进行分析，选取苯酚和挥发性脂肪酸作为目标有机化合物对污泥产生气味 原因进行分析；从内、外在影响因素对蚯蚓堆制处理污泥过程中有机物降解达 到最佳效果的控制条件进行讨论；以各种数据分析为依据，结合蚯蚓新陈代谢 特点和消化过程中对食物研压作用、润洗作用、酶分解作用、熬合络合作用和 与微生物协同作用的特性，讨论了蚯蚓降解污泥有机物的动力学，并对蚯蚓降 解污泥有机物机制进行了初步探讨。 实验结果表明： ( 1 ) 不同存在形式中总碳、无机碳、总有机碳、水溶性有机碳和难溶性有 机碳百分含量分别为3 4 3 5 、1 0 8 、3 3 2 7 、o 3 4 和3 2 9 3 ；总碳主要以 有机碳存在，有机碳以难溶性有机碳为主；总碳最大降解率和周期降解率分别 为1 8 8 8 和1 6 2 0 ；无机碳最大增加率达2 0 4 3 ，周期增加率也达9 5 2 ； 总有机碳最大降解率为2 3 4 1 ，周期降解率为2 0 2 9 ；水溶性有机碳最大降 解率达5 0 ，周期降解率达3 5 2 9 ；难溶性有机碳最大降解率为2 3 1 4 ，周 期降解率为2 0 1 3 。 ( 2 ) 蚯蚓堆制过程中污泥c o d 百分含量先减小后有所波动，最大降解率和 周期降解率分别达5 2 8 9 和3 1 2 4 ；挥发性固体百分含量逐渐减小，最大降 解率和周期降解率分别为2 1 7 9 和1 9 1 6 1c n 迅速下降后期有所波动，最小 v 上海大学硕士学位论文 值和周期值分别为0 4 3 和0 6 3 ；降解效果和腐熟度显著优于普通堆制：苯酚 最大降解率达6 7 ，0 3 ，周期降解率也达5 6 2 2 ；挥发性脂肪酸最大降解率达 2 6 0 9 ，周期降解率也达1 5 2 2 。 ( 3 ) c o d 、挥发性固体、总碳、总有机碳、水溶性有机碳、难溶性有机碳、 苯酚的极值和极限降解率均出现在3 5 天，挥发性脂肪酸的极值和极限降解率出 现在4 2 天；对于控制条件下有机物的降解效果，蚯蚓堆制处理污泥的最佳时间 为3 5 天。 ( 4 ) 各不同有机指标变化间3 6 对相关系数中2 8 对都在o 5 以上，相关系 数多分布在0 6 4 1 8 ，占6 3 8 9 ，各有机物降解间相关性除挥发性脂肪酸外均较 好，关系密切：各有机物指标降解问相关系数在不同范围的分布呈正态分布。 ( 5 ) 苯酚降解与速效钾、总磷、速效钾、p h 值和p b 、c d 、c r 浸出毒性间 的指数拟合相关系数分别为o 7 3 5 5 、0 5 7 8 6 、0 5 0 8 7 、o 8 4 5 和o 7 1 5 1 、0 6 1 2 3 、 0 5 0 6 2 ；速效氮，速效钾、p h 值和p b 、c d 、c r 浸出毒性的变化对污泥有机物 降解有不同程度促进作用；总氮，总钾、速效磷和6 种重金属总量变化对苯酚 降解影响不大。 ( 6 ) 以污泥c o d 和挥发性固体为主要有机物降解参数的研究，得出在2 k g 污泥中接种8 0 9 蚯蚓较为适合；c o d 降解率较高时污泥初始含水率范围是7 册 8 0 ：虽然在上海3 5 月份的实际环境条件下，c o d 降解率波动略大于气候控 制室中，但总体效果良好；接种微生物对蚯蚓堆制处理污泥有促进作用但效果 不明显。 关键词：蚯蚓堆制，污泥，有机物降解，不同存在形式的碳 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n ta n dp o l l u t i o np r e v e n t i o no fs l u d g e ，au b i q u i t o u sa n d s i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a li s s u ei nt h ew o r l d ，i so n eo ft h eb i g g e s tp r o b l e m si n m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t av a r i e t yo ft o x i ca n dh a z a r d o u sp o l l u t a n t sw a s c o n c e n t r a t e di nt h es l u d g ea n dw i ur e l e a s et ot h es o i la n da t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t t h r o u g hc e r t a i ne x c h a n g i n gf u n c t i o n ，w h i c hi st h em a j o rs o u r c eo fp o l l u t i n gt h es o i l a n da t m o s p h e r e i tw a ss t u d i e dt ow i p eo f fa l lk i n d so fp o l l u t a n ti ns l u d g em o r e e f f e c t i v e l yt h a tv e r m i c o m p o s t i n gw a gs i m u l a t e da tc l i m a t e - c o n t r o lr o o mt od e g r a d e o r g a n i cm a t t e ri ns l u d g e ，a n di n h e r e n ta n de x t e r i o rf a c t o r so fi n f l u e n c i n gt r e a t i n g e f f e c tw e r ea n a l y s e db a s e do nc h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xc o m p o n e n ta n dc h a n g i n g r a p i d l yo f t a o p us l u d g e t h ek e yo ft h i sp a p e ri st r yt om a k eu s eo fe a r t h w o r mf r o ms o i la st h em a j o r c o m p o n e n to fv e r m i c o m p o s t i n g , t a r g e tm a e r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cp a r a m e t e r s o ft h eo r g a n i cp o l l u t a n ti nt h e s l u d g ea n dc o m b i n e d w i t ht h em e t a b o l i s m c h a r a c t e r i s t i co fe a r t h w o h la n de f f e c to fs k i v i n ga n dg r o u n d , w a t e r i s h w a s h i n g ，e n z y m ed e g r a d a t i o n , c h e l a t i o na n dc o o p e r a t i o nw i t hm i c r o b et o f o o di n p r o c e s so f d i g e s t i o n a f t e rh a v i n gab a s i cu n d e r s t a n d i n go f p r o p e r t yo f t a o p us l u d g e a n dc e r t a i np r o b i n gi n t om e c h a n i s mo fa c t i o no fe a r 1 w o r n lt oo r g a n i cm a t t e r , t r yt o d i s c u s st h em e c h a n i s mo fd e g r a d a t i o n ，t r a n s f e r e n c ea n dt r a n s f o r mo fo r g a n i c m a t t e r , a n de f f e c to fa p p a r e n tp r o p e r t i e so fs l u d g e o nt h i sb a s i s ，c h m i c a lo x y g e n d a m a u d ( c o d ) ，v o l a t i l es o l i d ，a n d d f f e r e n tf o r mo fc a r b o no fm a e r o s c o p i c a l i n d e x s ，a n dp h e n o la n dv o l a t i l ef a ta c i do fm i c r o c o s m i ct a r g e tc h m i c a lc o m p o u n d i n d e x sa r ea d o p t e dt oq u a n t i f ya n dv e n f yt h ee f f e c to f d e g r a d a t i o n , t r a n s f o r ma n dt h e r e s u l t si n d i c a t e d ： ( 1 ) t h ep e r c e n tc o n t e n to ft o t a lc a r b o n , i n o r g a n i cc a r b o n , t o t a lo r g a n i c c a r b o n , w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n , u n w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o nw a st o3 4 3 5 ，1 0 8 ， 3 3 2 7 ，0 3 4 ，a n d3 2 9 3 r e s p e c t i v e l y t o t a l c a r b o nm a j o r e di nt o t a l o r g a n i c v h 上海大学硕士学位论文 c a r b o n , w h i l et o t a lo r g a n i cc a r b o nm a j o r e di nu n w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n t h e u t m o s ta n dp e r i o d i cd e g r a d a t i o nr a t eo f t o t a lo r g a n i cw a su pt o1 8 8 8 a n d1 6 2 0 r e s p e c t i v e l y , w h i l et o t a lo r g a n i cc a r b o n2 3 4 1 a n d2 0 2 9 ，w a t e r - s o l u b l eo r g a n i c c a r b o n5 0 a n d3 5 2 9 ，u n w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n2 3 1 4 a n d2 0 1 3 ( 2 ) t h eu t m o s td e g r a d a t i o nr a t eo fc o da n dv o l a t i l es o l i di ns l u d g ew a s r e s p e c t i v e l y5 2 8 9 a n d2 1 7 9 ，t h ep e r i o d i cd e g r a d a - t i o nr a t e3 1 2 4 ，1 9 1 6 ，a n d t h a tp e r c e n te o n t e no fc o da n dv o l a t i l es o l i dd e c l i n e di nv e r m i e o m p o s t i n g t h e r a t i o no fc a r b o nt om 打o g e nd e c l i n e da n df l u c t u a t e da tt h ee n d ，t h el o w e s tp e r i o d i c a n dv a l u et oo 4 3a n do 6 3 d e g r a d a t i o no fw h i c he x c e l l e dc o m p o s t i n g t h eu t m o s t a n dp e r i o d i cdd e g r a d a t i o nr a t eo fp h e n o la n dv o l a t i l es o l i dw a su pt o6 7 0 3 a n d 5 6 2 2 2 6 0 9 a n d1 5 2 2 ( 3 ) t h eu t m o s tv a l u ea n dd e g r a d a t i o nr a t eo fc o d ，v o l a t i l es o l i d ，t o t a l c a r b o n ，i n o r g a n i cc a r b o n , t o t a lo r g a n i cc a r b o n , w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n , u n w a t e r - s o l u b l eo r g a n i cc a r b o n ，a n dp h e n o li ns l u d g ea p p e a r r e da t3 5d a y s ，w h i l e v o l a t i l ef a ta c i da t4 2 d a y s i tw a sc o n c l u d et h a tt h eo p t i m a lt m eo f v e r m i c o m p o s t i n g w i t he a r t h w o r mf o rd e g r a d a t i o ne f f e c to fo r g a n i cm a t t e ri ns l u d g ea tc o n t r o l c o n d i t i o n ( 4 ) 2 8p a i r sw a sa b o v e0 5i n3 6p a i r so fe x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e n c h a n g eo fo r g a n i cp a r a m e t e r s m o s to fw h i c hd i s t r i b u t e da tr a n g eo ff r o m0 6t o 0 8 ，b e i n g 6 3 8 9 i na 1 1 e x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e n c h a n g eo fo r g a n i c p a r a m e t e r se x c e p tf o rv o l a t i l ef a ta c i dw a sh i g h , t h e i rc o n n e c t i o nc o n s a n g u i n e o u s t h e d i s t r i b u t i n go fe x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nc h a n g eo fo r g a n i cp a r a m e t e r sa t d e f f e r e n tg r a d ew a sn o r m a ls c h 0 0 1 ( 5 )e x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nc h a n g eo fp h e n o la n da v a i l a b l e n i t r o g e n , t o t a lp h o s p h o r u s ，a v a i l a b l ep o t a s s i u m ，v a l u eo fp h ，a n dl e a c h i n gt o x i co f p b ，c da n dc rw a sr e s p e c t i v e l y0 7 3 5 5 ，0 5 7 8 6 ，0 5 0 8 7 ，0 8 4 5 ，0 7 1 5 1 ，0 6 1 2 3 ，a n d o 5 0 6 2 a v a i l a b l en i t r o g e n , c h a n g eo fa v a i l a b l ep o t a s s i u m , v a l u eo fp ho fs l u d g e a n d l e a c h i n gt o x i co f p b ，c da n dc rh a da ne f f e c to f s t i m u l a t i v eo nd e g r a d a t i o no f o r g a n i c v i 上海大学硕士学位论文 m a t t e ri n s l u d g e a ts o m e d e g r e e ，w h i l ec h a n g e o ft o t a l n i t r o g e n , t o t a l p o t a s s i u m ，a v a i l a b l ep h o s p h o r u s ，a n dt o t a lc o n t e n to f6l d n d so fh e a v ym e t a l sh a d l i t t l ee f f e c to nd e g r a d a t i o no f p h e n o li ns l u d g e ( 6 ) i tw a ss u i t e dt h a t8 0g r a mo fe a r t h w o r l nw a si n c u b a t i e d ei n2 0 0g r a mo f s l u d g ei np r o c e s so f v e r m i c o m p o s t i n gi i lt e r mo f d e g r a d a t i o ne f f e c to f o r g a n i cm a t t e r a sc o da n dv o l a t i l es o l i d t h er a n g eo f b e t t e rd e g r a d a t i o nr a t eo f c o di ns l u d g ew a s f r o m7 0 t o8 0 a l t h o u g ht h er a t eo fc o di ns l u d g ef l u c t u a t e da tl a r g ee x t e n ta t a c t u a lc o n d i t i o no fs h a n g h a if r o mm a r c ht om a y , i th a dag o o de f f e c ta saw h o l e m i c r o b ei n c u b a t e di l ls l u d g ec a ni m p r o v ee f f e c to fd e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e ri n s l u d g ei np r o c e s so f v e r m i c o m p o s t i n g ，b u t1 1 0o b v i o u s k e y w o r d s ：e f 舐d a , s l u d g e ，d e g r a d a t i o no f o r g a n i cm a t t e r , d e f f e r e n tf o r mo f c a r b o n i x 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 日期：删 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：蛰：缝日期：兰! z 三：2 n 上海大学硕士学位论文 第一章前言 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水处理厂发展进入黄金时段，正如雨后 春笋般在全国各大城市建成并投入运行。这对我国水污染防治起到了积极作用，而城市 污泥( 简称污泥) 作为一种潜在问题和一种潜在资源同时出现，其产量也越来越大。因 此如何处理处置和妥善利用污泥已成为人们所关注的热点问题。预计未来五年内，全国 城镇污水处理厂每年将产生干污泥5 4 0 万t ( 含水8 0 污泥2 7 0 0 万t ) 。污泥中含有水 分、有机物、重金属、盐类、营养物质、病源微生物和寄生虫卵等。易产生二次污染的 污染物主要以有机污染物和重金属污染物为主；作为潜在资源，污泥经适合的处理能作 有机肥料、土壤改良剂和其他建筑材料等。 蚯蚓对多数有机废弃物具有很强的吞噬能力，日吞噬量可达其本身体重的一倍以上， 其在环境研究中已有较多应用，尤其是城市生活垃圾处理和土壤性状改善等方面。本研 究将蚯蚓引入污泥堆制处理中，充分利用其生态学和生物学特性，发挥其新陈代谢功能， 围绕堆制过程中有机物降解、存在形式的转化、分布特征、降解规律和影响因子等进行 研究，为取得最佳处理效果提供基础数据。蚯蚓堆制处理污泥有机物的研究是蚯蚓处理 污泥的重点研究方向之一，是实现污泥农林利用和其他用途原料的重要方式，是解决城 镇污水处理厂发展过程中所存在难题和实现城市可持续发展目标的重要途径。 1 1 桃浦污泥污染及防治现状 1 1 1 桃浦污泥的主要污染物及其性质 上海桃浦工业污水处理厂负责处理生产涂料、染料、橡胶、医药和香料等多种精细 化工产品的废水，其规模为6 0 0 0 0 吨天。企业内部对污水进行一定处理后，在水质达 到园区污水的纳管标准后排入污水处理厂进行几种处理。采用催化铁碳内电解法作为生 物预处理工艺后，c o d 。和b o d 。的去除率分别达到了7 9 和9 4 ，出水c o d 平均值为 7 0 m g l ，达到了标准浓度。出水磷酸根浓度也达标了，处理程度已经达到了生活污水生 化工艺处理的程度。 然而。该污水处理厂污泥成分更加复杂，污泥呈灰黑色，周围散发出一股明显的刺 上海大学硕士学位论文 激性气味，表层结块，颗粒极不均匀。有机组分近7 0 ，接近发达国家水平；重金属 含量也较高，营养元素以及病源微生物成分较为复杂。桃浦污水处理厂污泥经过浓缩脱 水处理后，为了进一步减量化处置，采用流化床低温干化系统，干化温度8 5 ( 2 ，系统 内控制含氧量 c i i ) c d ( i i ) z n ( i d 9 1 0 桃浦污泥含较大数量有机质、氮、磷、钾和其他植物生长所需要的营养元素。污泥 的土壤施用不但可以增加农作物的产量，还可改良土壤的理化和生物学性质。速效氮是 污泥中不需要转化可以被植物根系直接利用的那一部分氮，一般是易溶性的盐类和胶体 2 上海大学硕士学位论文 吸附的代换性离子，其大小与污泥农用后作物产量有直接关系，是污泥农用肥效的重要 指标。速效磷是化学活性较高的磷的形态，般认为包括水溶性磷和弱酸溶性磷，有时 还包括一部分络溶性磷。速效钾包括交换性钾和水溶性钾两种形态，其中交换性钾占 9 0 以上，含量最能直接反映出供钾能力。污泥经稳定化处理后交换性钾和水溶性钾与 加入的药剂反应，含量会有所降低。 1 0 - 1 3 1 。经过浓缩脱水后含水率也在8 0 以上，给污 泥的后续处理和运输带来极大困难。病源微生物，通过多种途径对人体和动物造成污染。 此外，污泥散发恶臭气味，严重影响周围环境的空气质量，且杂乱的堆放形态也对环境 美感产生破坏f 1 4 】。由于我国污泥数量庞大，全部填埋将占用大量宝贵的土地资源，许 多发达国家都在严格控制污泥填埋量，如美国和日本分别控制在2 1 和3 5 ，而焚烧需 要昂贵的费用，对于发展中国家来说是一项很大的负担，只有采用合适的处理方法，使 污泥变废为宝，才符合我国的国情【l ”。 1 1 3 污泥不同形式碳的转化 蚯蚓堆制过程中污泥有机物降解和转化的得研究中，多以有机质作为指标参数。但 这种方式过于简单，不能全面了解污泥有机物的转化。而碳是有机物中的重要元素，其 存在形式和量的变化可反映有机物的降解和转化规律。为了探寻蚯蚓微生物体系中污 泥有机物的富集、分解和转化规律，本研究在比较蚯蚓堆制和普通堆制过程中污泥c o d 和挥发性固体的基础上，以不同形式碳为主线对有机物的降解和转化规律进行了探讨。 将不同形式碳和目标有机化合物进行结合，对目标有机化合物的降解和转化规律进行讨 论。通过找到水溶性有机碳向难溶性有机碳转化和有机碳向无机碳转化，以及总碳以气 体形式排出等转化路线来推断污泥有机物转化方向。无机碳百分含量、有机碳百分含量 和水溶性有机碳百分含量通过不同化学方法测定，总碳百分含量和难溶性有机碳百分含 量通过计算得出。 1 1 4 污泥选择性目标有机化合物 蚯蚓堆制过程中，污泥周围的刺激性气味于1 4 d 左右消失，经过资料查阅和细致分 析，发现苯酚和挥发性脂肪酸是两种极易产生气味的有机物质，是污泥散发刺激性气味 的主要原因。为证实这一结论，结合我国优先控制污染物和部分文献资料，选取挥发酚 和挥发性脂肪酸两种有机物质作为目标有机化合物，研究其在污泥中浓度及堆制过程中 的降解和转化规律，找出其与污泥刺激性气味消失的关系。我国污泥农用标准虽未对苯 上海大学硕士学位论文 酚的最高含量作出明确限制，但在优先控制污染物中列出，因此进行检测也是必要的。 苯酚及其衍生物随污泥施用农田后，会导致农作物可食部分产生令人不快的异味。挥发 性脂肪酸也是引起污泥周围环境恶臭问题的主要物质，其含量可作为污泥处理程度的标 志之一。 1 2 污泥处置的主要方式 近二十年污泥处置方式的变化趋势如图1 1 ，经过近几十年的发展形成了4 种主要处 置方式 m 】，同时其他方法也在广泛研究。焚烧应用最广，在国外许多污水处理产得到 成功运用，但费用昂贵，且易产生毒害较大的二恶英和高浓度重金属飞灰。无论哪种处 置方式，污泥都需要经过适当的处理，使污泥中的污染物和病菌减至最少。 至 薹 黑 黾 量 镎8 51 9 。o1 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 恸 圈1 - 1 欧洲污泥处置方式趋势圈 f i g1 - 1t r e e dm a po f s l u d g et r e a t m e n tm a n u e r j l ue u r o p e 1 2 1 污泥填埋 填埋需合适场地将污泥填埋后加以固封，费用昂贵，还会污染地下水。随着人口增 加，可供填埋场地非常有限。脱水后直接填埋，不仅是资源的一种严重浪费，还给填埋 场带来诸多困难。目前对于污泥的填埋处置已有所限制，主要包括污泥含水率须小于4 0 ；有机质含量须低于3 0 等【 7 l s 】。在我国，污泥填埋仍然是主要处置方式之一。因此 有必要在填埋之前对污泥进行预处理，使污泥的危害性和量都减到最小。污泥危害性来 自易腐化有机物质、重金属、臭味、有害病原体、有害细菌和高含水率等。污泥预处理 主要有生物消化、物理调理、化学稳定、超声波处理和臭氧技术等【1 9 删。 1 2 2 污泥焚烧 焚烧是较彻底的处置方法，优点是污泥体积大量减少( 至少减量6 0 ) ，底部灰烬 4 上海大学硕士学位论文 中有毒有害金属得到稳定，有毒有机组分进行热分解，产物为无菌无臭的无机残渣，迅 速实现了无菌化和减量化，此外干污泥热值和棕色煤差不多，这样能减少能源的消耗 1 3 5 1 ；缺点是设备、能源及操作费用很有限，还不具备广泛推广应用的条件，且产生大 量二恶英、二氧化硫和盐酸等有害气体物质，同时形成重金属烟雾和污泥灰，还会浪费 污泥中大量营养物质。即使采用了清除工艺，仍然存在微量金属以气相逃逸或在细小颗 粒中富集 3 6 3 7 1 。为解决污泥焚烧过程中重金属的挥发问题，需根据污泥中的重金属和碱 金属的含量大小选择温度来实现分离【3 8 1 。在德国、日本和奥地利等国家污泥焚烧所占 比例较高，我国在短时间内还不能全面推广采用。污泥的燃烧过程可描述如下：从内部 同步脱水和液化，从内部产生蒸汽和挥发流，通过热层和脱水作用产生的碳发生反应； 挥发物和混合气体在颗粒表面燃烧从而增加表面温度；当温度足以融化灰层时形成一些 融化小滴覆盖在颗粒表面；剩余碳燃烧使得灰滴块更容易形成。焚烧过程中污泥表面颜 色发生变化，红色、绿色和蓝色亮度随污泥灰增加而逐渐减弱1 3 9 , 4 0 l 。干污泥挥发性物质 含量高，适宜流化床来焚烧，一般流化床焚烧炉包括3 大部分：固体进料器，电加热反应 器和体样品持续收集和分析装置【4 1 1 。在流化床燃烧加入其他一些物质可提高污泥的燃 烧效率，减少s c h 和重金属的排放，然而并不能完全解决流化床燃烧过程中各种重金属 污染物颗粒的去除问题，还需适当的气体清洗法【4 2 删。 1 2 3 海洋处置 海洋处置包括海洋倾倒和远洋焚烧两种。海洋倾倒实际是选择距离和深度适宜的处 理厂，把污泥直接到入海洋。该方法简单，不需花费大量能源，但可污染海洋，会引起全球环 境问题，此方法己受到限制。1 8 9 9 - - 1 9 6 5 年的6 0 年期间，美国向海洋中倾倒了大量污泥等 废弃物。1 9 9 1 年起美国禁止污泥向大海投弃，1 9 9 8 年欧盟也做了类似的规定。远洋焚烧 是近十余年发展起来的一项海洋处置方法。该技术用焚烧船在远海对污泥进行焚烧 4 5 4 6 1 。 1 2 4 土地利用 综上几种处置方式，许多国家不再采用海洋处置，焚烧、卫生填埋是污泥处置的重 要方式，但存在经济、管理和二次污染等方面的缺陷。污泥其它用途虽可行，但对于日 益增长的污泥，从经济角度难以大量采用。从经济、环保、处置效果等方面综合考虑， 污泥农用是一个重要途径，有利于城市规模化和农业的可持续发展，尤其是在我国将有 更广阔的应用前景。污泥农用和其他利用相比有诸多方面的优势，污泥农用可提高农作 5 上海大学硕士学位论文 物产量，报道中涉及的作物较多，主要有大小麦、燕麦、黑麦、裸麦、水稻、玉米、蔬 菜、青饲料、牧草、葡萄以及藜科植物等 4 7 - 5 1 】。经过处理后，污泥能对作物的产量有较 大提高；对花卉开花时间和花期有所延长，开花量也有增加；可促进草和其他苗木的生 长。经过蚯蚓堆制处理污泥农用后可以改善土壤理化性状，蚯蚓堆制后污泥中含有大量 的n 、p 、k 以及有机质等植物生长所需的营养元素，其中n 的有效率可提高到5 0 ， p 和k 的有效率也近1 0 ，合理的旌用对土壤植物系统具有积极作用5 2 - q 。蚯蚓作为 土壤污染的生物指示剂，易受到污染；蚯蚓堆制处理污泥也并不能解决污泥中所有的污 染物，需要和其他一些技术进行组合，如化学稳定法、微生物法和植物修复等。污泥中 的藜科植物对重金属具有较强的富集作用，可以将其和蚯蚓堆制处理联合使用，提高污 泥农用效果 5 8 - 6 2 l 。 目前，污泥的农业利用是一种普遍认可的经济有效的资源化利用方式，英、法等发 达国家的污泥农用率约为7 0 ，有的高达8 0 以上，而在我国污泥农用率不到1 0 哪】。 经过蚯蚓微生物体系处理的污泥，可以使多数污泥达到农用标准从而施用于土地。一 方面污泥在土壤的自净能力作用下得到进一步稳定；另一方面，也为农作物提供适量的 营养物质，改良土壤的原有微观结构，提高土壤肥效。因此，针对桃浦污泥特征，选择 合适的蚯蚓堆制条件，是桃浦污泥处理后能达到农用标准的重要方式之一。 1 2 5 其他处置方式 除上述四种处置方式外，还没有大规模应用但研究较多的处置方式也很多，如制吸 附剂、氢气、沼气、脂肪酸以及其他有用物质： ( 1 ) 吸附剂制取 在控制条件下用污泥制吸附剂，是当前污泥资源化利用的热点方向之一。污泥制取 吸附剂的途径主要有三条：物理活化、化学活化和空气直接氧化等。对污泥进行改性， 所得活性炭是一种性能优良的有机废水处理剂；市政污泥和工业污泥在惰性条件下高温 炭化，可得到对h 2 s 动态吸附效果较好的吸附剂；6 5 0 c 条件下对城市污泥、含油污泥、 重金属污泥进行单独或混合碳可得到不同性质的吸附剂，室温条件下所得吸附剂对硫化 氢的效果良好：风干后污泥可直接作为水溶液中苯酚的吸附剂 6 4 - 6 8 j 。 ( 2 ) 有用物质的提取 从污泥中回收有用的物质和能源，是实现污泥资源化的重要手段，污泥成分多种多 样，有些含量比较高，针对不同的污泥选择不同的方式提取污泥能够得到较好的产品。 6 上海大学硕士学位论文 在p h 范围4 o 1 1 o 内提取短链脂肪酸可得到不同的产量，最佳提取p h 值为9 0 和1 0 0 ，以 c o d 计时，两个p h 值条件下最大产量为每千克挥发性悬浮固体产生2 5 6 2 m g 短链脂肪 酸；氢气作为二十一世纪的新型能源，其生产一直是困绕氢能源发展的瓶颈，如果从污 泥中提取氢气将会推动整个产业链的发展，对污泥的处理处置也是莫大的喜讯；对污泥 进行热处理，可以提取出对某种微生物培养有用的成分，用于提取纯度较高的微生物种 群 6 9 - 7 1 j 。 ( 3 ) 作为建筑材料 污泥除了可以在农业和林业方面进行资源化利用，美国在污泥用于农田、林地、育 苗、观赏植物、公园、草皮和高尔夫球场等方面进行了细致的研究，还可以在开垦荒地、 填埋矿坑、固定海滩和构筑供游乐用的海岛等方面做了许多尝试。当然美国和欧共体在 进行污泥农林资源化利用时注意了有害细菌和重金属等物质的不良影响，反映在法规上 有严格的规定。日本近年成功的开发了用污泥焚烧后的灰渣制造结晶石材，是污泥高度 减容、无害化和资源化的代表性技术之- - 7 2 1 。 1 3 蚯蚓在环境中的作用 蚯蚓属于环节动物门，在自然界中已经存在了六亿年以上，在亚洲以巨蚓超科和连 蚓超科为主，蚯蚓生物多样性的发展是以适应植被为主的各种生态环境变化而进行的。 蚯蚓按照其适应能力和生态功能可划分为三类：表层种，内层种和深层种。蚯蚓雌雄同 体，异体受精，蚯蚓肠壁上有纵肌和环肌，都很薄，壁的表面是脏壁体腔膜，在膜的表 面和附近的血管有狭长的黄色细胞，蚯蚓的背面凹陷成一纵槽，这就是盲肠，它可以增 加消化和吸收的面积。这些构造决定了蚯蚓具有吞食分解有机物质的能力，且对重金属 有一定的耐受性。此外，蚯蚓的胃部有砂囊结构，能够磨碎体积较大的物体；蚯蚓体内 具有丰富的酶系统，蚯蚓体内物质经酶作用形成高度融合的有机无机复合肥，即蚓粪。 1 3 1 固体废弃物处理中的应用 蚯蚓处理垃圾的两个主要方法是蚯蚓生物反应器和土地处理法。1 9 9 1 年法国在罗 纳河畔的l a v o u l t e 市建立了世界上第一座利用蚯蚓处理城市生活垃圾的垃圾处理场，现 代化程度较高，只处理垃圾2 0 - - - 3 0 t , 只要4 个工人操作，垃圾的处理成本低。2 0 0 0 年澳大利 亚悉尼奥的运会期间，利用蚯蚓处理奥运村的生活垃圾，实现了垃圾不出村就地消纳的目 标；针对不同的垃圾，选择的指标不同所得到处理效果也会存在差异，如在其他条件相 7 上海大学硕士学位论文 同的情况下，对厨房垃圾，农业残渣，纺织和工业废弃物，如市政和工业污泥以及纤维 等分别采用蚯蚓堆制处理，选择凯氏全氮作为衡量的指标时其增加范围为重4 5 ，8 倍， 而增加的倍数由高到低的顺序为：纺织污泥 纺织纤维= 市政废弃物 农业残渣 厨房垃 圾，选择t o c 作为指标时，效果不尽相同。所以合理选择指标是研究堆制效果的重要 一环；但国内对用蚯蚓处理垃圾的研究较少，离产业化尚有距离f 7 3 1 7 4 。 1 3 2 土壤性状改良中的应用 蚯蚓是土壤中主要动物之一，其在土壤熟化和有机质转化中起重要作用的动物，是 宝贵的土壤生物资源。蚯蚓活动能改变土壤的理化性质，加速土壤养分循环，有利于作物 根系生长发育和对养分的吸收。通过盆钵生物试验和采用h e d l e y 磷素分级方法研究秉 氏环毛蚓( p h e r e t i m a p i n 舀) 对红壤磷素主要形态和红壤有效磷含量的影晌，结果表明，在蚯 蚓和有机物料( 稻草、花生秸、油菜秸) 的共同作用下，经过l o o d 培养后土壤有效磷含量 显著提高；蚯蚓活动可以促进黑麦草对c d 的吸收，但吸收的c d 积累于黑麦草根部。接 种菌根不仅能促进黑麦草对c d 的吸收，而且还能促进c d 从植物的根部向地上部转移， 由于接种蚯蚓可以提高菌根的浸染率，所以二者具有促进c d 向地上部分转移的协同作 用；蚯蚓对土壤中重金属的生物有效性产生积极作用 7 5 - $ 0 1 。这对于重金属污染土壤的植 物修复具有十分重要的意义。此外，蚯蚓还可作为环境中土壤重金属等污染的毒性生物 指示剂( 8 i j 。 1 3 3 污泥处理中的应用 由于世界各地污水处理厂的污水性质不尽相同，相应的污泥性质也不尽相同，蚯蚓 作为一种土壤微型生物，有其生活规律和对生存条件的需求，如果能够将其的生物学和 生态学功能充分发挥出来，以污泥等各种废气物作为其生存所需的食料，一方面，蚯蚓 可以得到较好的生长和繁殖，另一方面，污泥等废气物得到了良好的处理效果，可以从 表观性状到内在的各种性质向适合土地利用等处置方式转化。但是，并不是所有的污泥 都适合其生存，在应用前应具体分析，从碳、氮及其比值等方面适当配比，使其能够适 应蚯蚓生活所需。纺织厂污泥作为一种特殊污泥和其他固体垃圾一起使用蚯蚓堆制处理 法进行处理，比较结果表明，纺织污泥经过蚯蚓堆制处理后，凯氏总氮增加最为明显； 蚯蚓可以提高污泥中氮、磷两种元素的速效成分从而提高污泥的肥效，同时减少铜、钙 等金属在污泥中的生物有效性从而减少它们对污泥农用后的危害；用蚯蚓和不用蚯蚓堆 g 上海大学硕士学位论文 制处理的比较结果表明，蚯蚓活动除了能加速有机质降解，增加总氮有效氮、磷的含量， 还能增加污泥施用后卷心菜的生物量，减少卷心菜内镉和铜的生物累计效应，比未接种 蚯蚓堆制污泥安全性有很大提高；污泥的处理过程中有甲烷、二氧化碳和氮的氧化气体 等排出f 8 2 删。桃浦污泥虽然有机污染物和重金属污染物含量都比较高，但是其臭味不明 显，只具有一定刺激性味道，对于靠皮肤呼吸氧气的蚯蚓来说是可以适应的。蚯蚓处理 污泥的常用技术流程如图1 2 所示。蚯蚓处理污泥有许多优点：( 1 ) 有效减少污泥数量， 从而大大降低了污泥的运输费用和难度；( 2 ) 研磨和破碎有利于污泥和其他物质的分离； ( 3 ) 有效降低污泥重金属含量，减少危害；( 4 ) 污泥臭味大大减弱，颗粒变得细小均 匀呈多孔状；( 5 ) 肥力提高明显；( 6 ) 可用蚯蚓作指标对污泥处理过程进行独立监测。 图1 - 2 蚯蚓处理污泥技术流程 f i g1 - 2t e c h n i cf l o wo fs l u d g ed i s p o s a lw i t he a r t h w o r m 1 3 4 蚯蚓处理系统的类型 接种蚯蚓堆制处理污泥的系统种类较多，有相对简单的大田养殖处理系统，也有劳 动密集全程自动化的高科技连续养殖处理系统。从形式上可以划分为以下几大类：条跺 式处理系统、多层立体系统、标准化的蚯蚓处理床、工艺设计精美绝伦的养殖箱和全自 动连续反应器。下面按照装置不同进行分类说明： ( 1 ) 条跺式处理系统 该系统是指将污泥堆成一定体积的长条形状，将蚯蚓接种于其中，且将新鲜的喂养 饲料添加到锥体表面，到一定高度后采集蚓粪和蚓体。常规的条跺式处理系统一般不超 9 上海大学硕士学位论文 过l m ，每周需要向表面投加5 8 伽的污泥等有机废弃物。经过多年的发展，j e n s e i l 等人在条跺式处理系统基础上开发了一种改进的系统楔形