（环境工程专业论文）蚯蚓处理对淮南市污泥肥效及重金属的影响研究.pdf

摘要 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，本文结合淮南污泥成分复杂特性，主要开展的研究如下：对淮南城市污泥 农用进行可行性分析；蚯蚓对重金属的富集情况；蚯蚓处理对城市污泥中重金属 含量及形态组成的影响；蚯蚓处理对城市污泥肥力的影响；施用蚯蚓处理的污泥 对小白菜产量及重金属含量的影响等。 本文选取了淮南市首创第一污水处理厂的污泥进行实验研究，主要研究结果 如下：( 1 ) 淮南市首创第一污水处理厂的污泥农用是可行的。( 2 ) 在一定浓度范 围内，蚯蚓对污泥中的c u 、z n 有富集作用，而对污泥中元素c d 、p b 没有明显 的富集作用。( 3 ) 蚯蚓处理可以降低污泥中重金属元素c u 、c d 、p b 、z n 的交换 态含量，增加污泥中这几种金属的不可利用态含量。( 4 ) 蚯蚓能够加速污泥中有 机质的分解和转化，改变污泥的理化性状，能够缓解污泥p h 值的降低。同时， 蚯蚓处理能降低污泥中全氮的含量，增加污泥中速效氮和速效磷含量，对污泥中 全磷、全钾和速效钾含量没有明显的影响。( 5 ) 施用经蚯蚓处理的污泥能够增加 小白菜的产量，降低小白菜中重金属元素的含量，提高小白菜的品质。 图 1 4 】表 2 4 】参 1 6 9 】 关键词：蚯蚓处理；污泥；重金属；淮南 a b s t r a c t 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 ，a u 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 e i 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 c a 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 l lr 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 i t w 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 ee f f e c t i v e l yt h a t f e a s i b i l i t ya n a l y s i so fa g r i c u l t u r a l ；e n r i c h m e n to fh e a v ym e t a l s ；t h ec o n c e n t r a t i o n sa n d f r a c t i o n so fh e a v ym e t a l si nt h ee a r t h w o r m sb e f o r eo ra f t e rd i s p o s i n gs e w a g e s l u d g e ；t h ee f f e c to fe a r t h w o r mt r e a t m e n to nf e r t i l i t yo fs e w a g es l u d g e ；t h ee f f e c to f a p p l y i n g e a r t h w o r m - t r e a t e d s e w a g es l u d g e o nt h e o u t p u t a n dt h e h e a v y m e t a l sc o n c e n t r a t i o n so fc a b b a g e t h i sp a p e rs t u d i e do nh u a i n a ns l u d g ef r o mt h ef i r s tm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ，t h em a i n l ys t u d yr e s u l t sa sf o l l o w i n g ：( 1 ) a g r i c u l t u r a lu s eo fs l u d g e o ft h ef i r s tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nh u a i n a ni sf e a s i b l e ( 2 ) t h e e a r t h w o r mh a se n r i c h m e n te f f e c tf o rc o p p e ra n dz i n ci ns o m ec o n c e n t r a t i o n ，b u ti th a s n oe f f e c tf o rc a d m i u ma n dl e a d ( 3 ) 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 e dt h e c o n c e n t r a t i o n so fe x c h a n g e a b l ec o p p e r , c a d m i u m ，l e a da n dz i n c ，a n di n c r e a s e dt h e c o n c e n t r a t i o n so fu n a v a i l a b i l i t yc o p p e r , c a d m i u m , l e a da n dz i n c ( 4 ) e a r t h w o r m - t r e a t e d c o u l da c c e l e r a t e dt h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r , c h a n g e dt h ep h y s i c o c h e m i c a l c h a r a c t e r sa n di n c r e a s e dp hv a l u eo fs e w a g es l u d g er e l a t i v e l y m e a n w h i l e ，e a r t h w o r m t r e a t m e n tc o u l di n c r e a s et h e t r a n s f o r mo ft o t a ln i t r o g e ni ns e w a g es l u d g e ，a n da st i m e w e n to n , t h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e ra n dt o t a ln i t r o g e nd e c r e a s e d ，w h i l et h e c o n c e n t r a t i o no fa v a i l a b l en i t r o g e na n da v a i l a b l ep h o s p h o ri n c r e a s e d e a r t h w o r m t r e a t m e n th a dr i or e m a r k a b l ee f f e c to nt o t a lp o t a s s i u m ，t o t a lp h o s p h o ra n da v a i l a b l e p o t a s s i u mi ns e w a g es l u d g e ( 5 ) e a r t h w o r m t r e a t e dc o u l di n c r e a s e dt h eo u t p u ta n d d e c r e a s e dt h eh e a v ym e t a l sc o n c e n t r a t i o n sa n di m p r o v e dt h eq u a l i t yo fc a b b a g e f i g u r e 14 】t a b l e 2 4 r e f e r e n c e 16 9 k e y w o r d s ：e a r t h w o r mt r e a t m e n t ，s e w a g es l u d g e ，h e a v ym e t a l s ，h u a i n a n i i i 列表清单 列表清单 表1 我国部分城市污水厂污泥中所含营养物质2 表2 其他国家污水厂中污泥所含营养物质2 表3 城市污水厂污泥细菌、寄生虫卵均值表4 表4 世界一些主要发达国家城市污泥产出量与处置途径4 表5 重金属的最高含量( m g k g 叫干污泥) 5 表6 各种污泥处置方法对比表6 表7 污泥的基本性质2 3 表8 污泥中有机质及养分含量( g k g 干污泥) 2 4 表9 污泥中重金属元素含量( m g k g 干污泥) 2 4 表1 0b c r 重金属分级萃取方法2 7 表1 1 处理污泥前后蚯蚓中c u 、c d 、p b 、z n 的含量( m g k g ) 2 9 表1 2 蚯蚓处理对污泥中重金属c u 形态组成的影响3 2 表1 3 蚯蚓处理对污泥中重金属c d 形态组成的影响3 3 表1 4 蚯蚓处理对污泥中重金属p b 形态组成的影响3 4 表1 5 蚯蚓处理对污泥中重金属z n 形态组成的影响3 5 表1 6 蚯蚓处理对污泥p h 值的影响3 5 表1 7 无公害蔬菜中重金属含量的标准3 9 表1 8 施用污泥对小白菜中c u 含量的影响( m g k g ) 3 9 表1 9 施用污泥对小白菜中c d 含量的影响( m g k g ) 4 0 表2 0 施用污泥对小白菜中z n 含量的影响( m g k g ) 4 1 x i 插图清单 插图清单 图1 技术路线8 图2 污泥处理工艺流程图2 2 图3 处理污泥前后蚯蚓中c u 、c d 、p b 、z n 的含量( m g k g ) 2 9 图4 蚯蚓处理对污泥中重金属c u 含量的影响3 1 图5 蚯蚓处理对污泥中重金属c d 含量的影响3 2 图6 蚯蚓处理对污泥中重金属p b 含量的影响3 3 图7 蚯蚓处理对污泥中重金属z n 含量的影响3 4 图8 蚯蚓处理对污泥中n 、速效n 含量的影响3 6 图9 蚯蚓处理对污泥中p 、速效p 含量的影响3 7 图1 0 蚯蚓处理对污泥中k 、速效k 含量的影响3 8 图1 l 施用污泥对小白菜中c u 含量的影响( m g k g ) 4 0 图1 2 施用污泥对小白菜中c d 含量的影响( m g k g ) 4 1 图1 3 施用污泥对小白菜中z n 含量的影响( m g k g ) 4 2 x i i i 绪论 1 绪论 1 1 研究现状 城市污泥资源化利用有利于城市可持续发展，由于我国城镇众多，且污泥具 有体积大、含水率高等特点，如何妥善处置和利用一直是个棘手的问题。城市污 泥在我国己造成严重二次污染问题。国外曾采用污泥投海的消极处置，但因污染 海洋现在世界范围内己立法禁止【l 】。污泥土地填埋，也易产生渗滤液而污染地下 水。在国外，近年来发现填埋对环境不利影响很大，故欧美地区有将填埋污泥与 垃圾挖出重新进行处理的趋势。污泥农用在美国、欧洲和日本均占有较大比例p 4 1 。因此，从经济的发展、城市生态环境和资源的开发与有效利用等方面分析， 城市污泥的理想处置应该是资源化利用。使其具有良好的生态效率、环境效益、 经济效益和社会效益，是城市污泥出路与城市可持续发展的必然要求和发展趋 势。 由于污泥中含有大量有机质和氮、磷、钾以及微量元素，可以作为土壤改良 剂和肥料施用。但是污泥中也含有很多有害成分，如果施用不当，有害成分就会 在农田土壤中积累，达到一定数量就会危害农作物或通过食物链危害人体健康。 污泥中的重金属是污泥农用的一个重要限制因素，因此如何降低重金属含量就成 为污泥农用的关键。而蚯蚓是土壤中最常见的腐食性动物，通过与微生物的协同 作用，它可以明显加速有机物质的分解，并且蚯蚓可以富集重金属【5 】，其富集量 随着污染程度的增加而上升。因此，利用蚯蚓处理污泥就成为一项新技术而发展 起来了。 1 1 1 城市污泥的组成与利用现状 1 1 1 1 城市污泥的组分 ( 1 ) 有益组分 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；所含的有机物和腐殖 质也是一种有价值的有机肥料【1 0 1 。 表1 我国部分城市污水厂污泥中所含营养物质 t a b l e in u t r i t i o ni ns l u d g eo f s o m em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t so f c h i n a 我国城市居民饮食结构有别于发达国家。居民住宅的卫生设施仍不十分完善， 这部分污水大多未接入城市下水工程。因此造成城市污水污泥的有机构含量较低 【1 1 1 。表1 蚴和表2 【1 3 】分别列出我国和其他几个国家的城市污水处理厂的污泥中营 养物质含量。 表2 其他国家污水厂中污泥所含营养物质 t a b l e 2n u t r i t i o ni ns l u d g eo fs o m em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t so fa b r o a d 从表1 看出，我国8 座城市的污水处理厂的污泥中含有的有机构质平均含量 大约为3 7 8 ，而发达国家城市污水厂污泥的有机组分为7 0 - 8 0 。除了有 机物外，污泥中台有大量植物生长所必需的肥分，如氮、磷、钾等微量元素及有 机腐殖质，这是城市污泥农业利用的基础。 ( 2 ) 污染组分 任何进入环境的有机化合物均可能在污泥中发现。2 0 世纪特别是5 0 年代以 来，化学工业的发展使人工合成的有机物种类与数量与日俱增，目前全球合成有 机物总量已达2 5 亿t 。这些有机物已经并正在通过各种途径进入环境，现已发现 绪论 的就有数十万种，对入类生活环境造成了种种影响。在德国城市污泥中，已发现 3 3 2 种可能危害人体与环境的有机污染物，其中有4 2 种被经常检出，而且很多是 属优控污染物【1 4 1 7 1 。 污泥中无机污染物质 污泥中的重金届可分为两部分，一部分为水溶性的，可被植物吸收；另一部 分为非水溶性的，不易被植物吸收。通常以土壤中可被0 5 m o l 醋酸萃取的重金 属量作为水溶性重金属离子含量可被植物吸取量指标【1 8 1 9 1 。 各种重金属对于动、植物的作用各不相同。微量重金属是动、植物必不可少 的生长助剂，浓度超过一定值后，即产生毒害作用。主要表现为；抑制植物的生 长，可使土壤贫瘠；在植物中，特别是在淀粉类块根中积累，然后经食物链进入 人体或动物体内【2 0 2 3 1 。城市污泥中的重金属种类繁多，主要有c u 、p b 、z n 、n i 、 c r 、h g 、c d 等。不同城市污泥中重金屈离子含量存在着很大区别。城市性质、工 业布局、地理位置等都会导致其重金属含量的差异。以处理生活污水为主所产生 的污泥，重金属含量通常较低；以处理工业废水为主所产生污泥，重金属含量则 往往较高。 污泥中有机污染物质 1 9 8 9 年，美国环保局提出的污泥农用处置规范中，曾特别提到需要监测的 2 5 种毒性有机物，并于1 9 9 3 年重新予以修订。其中有毒污染物主要是难分解有 机氯杀虫剂，如艾氏剂、狄氏剂、苯并芘、氯丹、七氯、六氯代苯、多氯联苯等。 由于这类优控污染物含量较高，农用后作物中的含量可能比未施用时土壤培养物 高出1 0 倍以上【2 5 1 ，因此可能对环境和入类具有长期危害性。 我国在这方面研究工作起步铰晚，但北京高碑店污水处理厂的污泥中已经检 测到3 5 种含氯芳香族化合物，并有7 种已经定量化。广州市大坦沙污水处理厂 的污水中己检测毒性有机污染物5 4 种，主要包括邻苯二甲酸酯类、单环芳烃、 多环芳烃、苯酸类、芳香胺类、芳香酸类、氨基甲酸甲脂衍生物和杂环化合物等， 其含量在数l o i - t g l ，最高达8 0 0 r t e d t , 以上【2 6 1 。这些有机物通过颗粒吸附大量富集 于污泥中。因此，污泥必须经过妥善处置后方可资源化用于农业。 污泥中的病原微生物 污泥中含有比污水中数量高得多的病原物主要有细菌类、病毒与虫卵等。常 见的细菌有沙门氏菌、志贺氏茵、致病性大肠杆菌、埃希氏杆菌、耶尔森氏菌等， 常见的病毒有肝类病毒肠道病毒、脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、轮状病毒等； 3 常见的虫卵有蛔虫、绦虫卵等【2 7 】。各种病原体在环境中的存活力取决于病原体本 身生存能力，也与环境的温度、温度、光照、p h 值等因素密切相关，有的仅存活 几小时，有的可存活数月直至数年。这些有毒物质与寄生虫卵与病菌，主要来自 生活污水，在污水处理过程中，它们5 0 以上浓缩到污泥中口剐。污泥中所含细菌 总数、大肠菌群、寄生虫卵及扬道致病菌等见表3 1 2 9 1 。 表3 城市污水厂污泥细菌、寄生虫卵均值表 t a b l e3b a c t e r i aa n dp a r a s i t ei ns l u d g eo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s 1 1 1 2 污泥利用途径 污泥的处理和处置主要有减量化、稳定化、资源化。目前，国内外传统污 泥处置的方法归纳起来主要有四种：农业利用、土地填埋，大海投弃，焚烧处理。 表4 世界一些主要发达国家城市污泥产出量与处置途径 t a b l e4t h eq u a n i t yo fs e w a g es l u d g ed i s p o s e db yk i n d so fm e t h o d si nd e v e l o p p e dc o u n t r i e s 4 一 绪论 ( 1 ) 农业利用 表5 重金属的最高含量( m g k g 叫干污泥) t a b l e5t h em a x i m u mc o n t e n t so fh e a v ym e t a li ns l u d g e ( m g k 9 1 ) 污泥中的氮、磷、钾是农作物生长所必须的养分，熟污泥中的腐殖质是良好 的土壤改良剂，因此，我国污泥的重要利用途径是在农业上的利用。但在施用前 应采取堆肥、厌氧消化等技术措施消除其中的病原体、寄生虫卵和重金属，使其 达到有关卫生标准和农业要求。表5 所列举的是我国和德国对农用污泥中几种重 金属最高含量的规定。 ( 2 ) 填埋处理 污泥单独填埋或者与垃圾混合填埋是常用的最终处置方法。污泥在填埋之前 要经过稳定处理，在选择填埋场时要研究该处的水文地质条件和土壤条件，避免 地下水收到污染。对填埋场的渗滤液应当收集并作适当处理，场地径流应妥善排 放1 3 l j 。填埋场的管理非常重要，要定期检测填埋场附近的地下水、地表水。土壤 中的有害物( 如重金属) 等。 ( 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧可以迅速地将污泥氧化并释放出一定的能量。焚烧可使污泥体积大 幅度减少，且可灭菌。污泥灰量大约是含水率7 5 的污泥的1 1 0 。焚烧后的灰烬 可填埋或利用。焚烧时的尾气必须进行处理。焚烧设备的投资和运行费用都比较 大，在单纯用作处置手段时需要慎重研究【3 2 3 5 1 。 ( 4 ) 海洋排放 利用海洋的自净能力，投海处理污泥一直被许多国家所采用。为避免海岸线 5 及近海污染，要求将污泥投入远洋【3 6 3 9 1 。投入远洋虽暂时没有出现问题，但后果 可能极为严重，己在各国环保人员和公众当中引起激烈的争论，遭到严厉的批评； 然而少数国家仍在沿用h 1 1 。 表6 各种污泥处置方法对比表 t a b l e6d i f f e r e n tm e t h o d so fs l u d g ed i s p o s a l 处置方法特点 填埋方法简单，运行成本低。但侵占土地，可能污染地下水。 使污泥矿物化并减至最小量，可部分利用能量。但运行费用高，废气处理复 焚烧 杂。 方法简单，运行成本低。但污染海洋，已受到严格限制，并于1 9 9 8 年1 2 月 投海 3 0 日终止使用。 运行成本低，可资源化利用污泥。但污泥含有重金属和病原体等有害物质， 农用 存在二次污染的可能性。 1 1 2 蚯蚓处理污泥研究现状 近二十年来，各国对蚯蚓的研究和利用在更大范围内进行，集生物工程学、 营养学、土壤学、化学、生态学等多学科知识并交叉应用【1 0 7 圳4 】，对蚯蚓系列产 品做了不同程度的开发研究。利用蚯蚓将富含有机质的城市污泥转化为高效的生 物有机肥蚓粪，实现城市污泥的“三化 处理目标，并且降低生产成本，提高 经济效益，为污泥资源化和产业化提供技术支撑。 目前国内城市污泥的处理方法多以堆肥等方法为主，但堆肥法占地大，用工 多，而且不能有效的利用生物有机能源和营养物质生产高质量的有机肥，有时容 易产生二次污染。利用蚯蚓的生命活动来处理城市污泥是一项古老而又年轻的生 物技术。城市污泥通过蚯蚓的消化系统，在各种酶的作用下，能迅速分解、转化， 成为自身或其他生物易于利用的营养物质，既可以生产优良的动物蛋白，又可以 生产肥沃的复合有机肥。蚯蚓与微生物的相互作用是一个非常复杂的过程。沿着 蚯蚓消化道的前后，微生物区系发生了十分深刻的变化。利用蚯蚓处理城市污泥 的一个最根本的原因就是通过蚯蚓与微生物的协同作用可以加速有机物质的分 解转化。有研究表明，加入蚯蚓后比没加蚯蚓垃圾中有机物质的发酵分解速度提 高了3 - 一4 倍。蚯蚓还有一定的农药和重金属的富集能力，目前也有将蚯蚓用来 6 一 绪论 处理农药和重金属等有害物质的报道【1 1 5 7 】。因此对于城市污泥重金属的富集问 题，利用蚯蚓便可以很好的解决。蚯蚓现在已经成为环境保护的功臣。一般的堆 肥需要几周才能成为质量较低的腐殖土，而l 公斤蚯蚓只要4 8 小时就能把l 公 斤有机废料变成富有养分的粪便。现在美国最大的蚯蚓养殖场可饲养蚯蚓5 0 0 0 万条，每周可吃掉9 0 吨垃圾，而每吃掉1 吨垃圾就可得到6 0 0 千克的生物腐殖 土。日本的许多家庭都利用蚯蚓来消灭每日的生活垃圾。相比较而言，城市污泥 的成分相对稳定，有机质含量高，n 、p 、k 等营养物质也较为丰富，因此也是蚯 蚓的乐土。 利用蚯蚓消化城市污泥是包括诸如污泥的病原物处理、有害元素的降解、营 养添加剂的开发研制、微生物和蚯蚓的相互作用机理、蚯蚓自动化分离、蚯蚓分 解污泥的最佳生态条件和物质能量转换效率、蚯蚓品种的筛选驯化以及蚯蚓杂交 育种等一系列相关技术的组合。所有这些技术最终将体现在蚯蚓对城市污泥的消 化与有机肥料的生产上面，从而解决困扰污水处理界的难题，并促进我国有机农 业的进一步发展。 1 2 课题研究的目的、内容和意义 1 2 1 课题研究的内容和目的 课题研究内容： 1 ) 采用原子吸收测定蚯蚓处理后污泥中重金属的含量，研究蚯蚓对重金属的 富集作用及对污泥中重金属的形态和其生物有效性的影响； 2 ) 通过测定蚯蚓处理的污泥中全量n 、p 、k 、速效n 、p 、k 含量，揭示 蚯蚓处理对污泥肥力的影响； 3 ) 取蚯蚓处理后的污泥，用于栽植植物，探明蚯蚓处理的污泥施用对植物产 量以及品质的影响，证实蚯蚓处理的污泥在农业利用上的安全性。 课题研究目的：据报道，蚯蚓能够吸收及富集污泥中重金属，而且费用较低， 因而可以考虑利用蚯蚓降低污泥中重金属的含量。另外，蚯蚓处理能够改变污泥 的理化性状，而污泥中重金属的形态受p h 值、有机质等因素的影响，因此蚯蚓 处理可能改变污泥中重金属的形态。污泥农业利用存在重金属污染问题，如何有 效的降低污泥中重金属含量，为污泥的农业安全利用寻求处理途径是众所关注的 问题。本次实验利用蚯蚓处理污泥，对蚯蚓堆制和普通堆制效果进行比较；以重 7 金属的有效性为研究重点，通过周期性测定污泥中重金属含量的变化，分析其变 化规律及影响因素；以生物反应动力学为理论依据，结合蚯蚓消化过程中新陈代 谢特点，对蚯蚓堆制过程中对污泥肥力的影响进行分析探讨。通过比较蚯蚓处理 的污泥中重金属含量以及施用污泥后植物中重金属和硝态氮含量，揭示蚯蚓处理 对污泥中重金属生物有效性及植物生长、产量和品质的影响，为污泥的农业安全 利用寻求处理途径，为我国污泥处理处置提供了更多的基础数据和应用参考。 1 2 2 技术路线 图1 技术路线 f i g u r elt e c h n i c a lr o u t e 8 一 绪论 1 2 3 课题研究的意义 本课题选用赤子爱胜蚓大平二号作为堆制处理污泥主体，在对污泥性质进行 全面分析的基础上，对蚯蚓堆制和普通堆制效果进行比较；以重金属的有效性为 研究重点，通过周期性测定污泥中重金属含量的变化，分析其变化规律及影响因 素；以生物反应动力学为理论依据，结合蚯蚓消化过程中新陈代谢特点，对蚯蚓 堆制过程中对污泥肥力的影响进行分析探讨。 随着工业技术的深入发展，蚯蚓堆制处理技术在环境污染治理领域尤其是污 泥处理中的应用将会增加，一方面，蚯蚓堆制处理污泥的研究将会朝深度方向发 展，针对蚯蚓本身在堆制过程中生物量、繁殖生长情况、重金属和有机污染物毒 理毒性、以及微生物的影响等方面进行研究；针对污泥有毒有害有机物的降解、 转化和迁移的机理以及生物毒性进行研究；针对污泥重金属总量、化学形态、生 物毒性、生物有效性和浸出毒性等方面的变化机理进行研究；针对污泥中氮、磷、 钾营养元素的总量、有效性及其转化迁移机理，农用前处理条件的控制等方面进 行研究：针对污泥生物种群、数量瞬时和始末变化，与蚯蚓协调作用机理，分解过 程中酶催化反应等进行研究。另一方面，蚯蚓堆制处理污泥等固体废弃物技术发 展还将朝产业化方向发展，经过该技术处理后，体系中大部分研究对象可作为资 源进行产业化，蚯蚓可作为医药、美容、饲料等原材料，蚓粪可作为配制复合肥 的原材料，建立集蚯蚓培殖、应用、深加工和研究于一体的产业链是蚯蚓堆制处 理技术发展的重要方向。 9 2 污泥在农业中的利用情况 污泥在农田上利用，是污泥利用最经济的方法。其利用价值是在于具有肥效 性。污泥与其他有机肥、栽培介质、优良耕作土填一样，含有作物生长的养分i ” 4 5 、4 引。有研究表明：污泥中有机质含量为4 0 ，明显高于腐殖质土、火山灰土等 优质栽培土，与几种优质农肥接近；而且污泥中p 的含量显著高于其他有机肥料， 这对于开花结果的植物而言是非常重要的元素1 4 9 5 1 】；污泥中的速效n 、p 、k 含 量都较高，这部分养分更容易被植物吸收利用，是植物有效吸收的元素【5 2 1 。同时 污泥中也含有大量m o 、f e 等植物所需的微量元素，其含量和土壤相比m o 为3 倍，f e 为2 8 倍。因此，污泥还是提供植物微量元素的来源。此外污泥在形成及 堆放过程中还繁殖了大量的微生物、藻类、原生动物等活性物质。其中的消化茵、 甲烷单胞茵、假单胞茵等是污泥中特有有机物分解为无机物的重要菌种，在自然 界的n 循环中起着重要作用。因此，污泥也是一种微生物肥料，对提高土壤微生 物活性具有积极作用。 有研究结果表明，施用一定量城市生活污泥对土壤有机质、土壤腐殖化程度、 土壤结构性等均有明显的提高和改善，合理施用符合控制标准的污泥有利于提高 土壤肥力水平。把经过处理的污泥辅以其他物料制成有机复合肥，对水稻进行肥 效试验和重金属含量检测，结果表明，污泥复合肥有较高的增产效果【5 3 1 ，作物中 重金属含量无显著差异。将城市污泥用于农业，其研究表明：污泥与化肥配合施 用，玉米、白菜增产率分别达到2 1 7 4 和2 1 5 5 ，污泥肥效显著【5 4 1 。解庆林等 的试验表明：污泥有机肥施用后水稻增产1 3 1 9 ，肥效略优于或等同于市场 上出售的复合肥；施用于甘蔗后，产量比施用市场上出售的复合肥高2 2 ，比施 用尿素、钙镁磷肥和氯化钾混合肥高2 9 t ”j 。 国内外污泥农田利用试验结果表明： ( 1 ) 施用污泥后，土壤中n 、p 、k 、t o c ( 总有机碳) 等营养成分及田间持水量、 团粒结构、土壤空隙度都相应增加，土壤结构与物理性能明显改善； ( 2 ) 污泥还能提高土壤的阳离子代换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养 分交换与吸附的话件，从而提高土壤的保肥性。可使土壤孔隙增多，土壤的通气 透水性好； ( 3 ) 据资料报道，施用污泥后，土壤中微生物总量及放线菌所占比例增加，细 菌数和真菌数分别比不施用污泥的高5 1 0 倍和3 4 倍，提高了土壤的代谢强度， 1 0 怕 蚯蚓在农业中的利用情况 改善了土壤的生物学性能； ( 4 ) 污泥的长效作用比较明显。农业工作者都知道，化肥仅使当茬作物增产， 而有机肥不仅使当茬作物增产，还可在施用2 3 年内表现增产的潜力。据北京市 农科院在北京双桥采用燕山石化公司污水厂的污泥进行试验，结果表明施用污泥 不仅使当茬作物玉米增产，对第二茬作物小麦和第三茬作物水稻都有明显的增产 效果。每施用i t 污泥三茬作物共增产4 7 3 4 k g ，是施用1 0 0 k g 优质含氮、含解化 肥( 磷酸二铵) 增产的1 3 倍，说明施用污泥农田地块的农作物还有继续增产的潜 力。 ( 5 ) 作物增产显著。南京农业大学和湖南农学院的试验结果表明，城市污泥不 仅可取代一般的粪厩肥，也可取代7 0 的化肥。将其施人农田后，对改善土壤结 构、增加土壤肥效、调节土壤p h 值，对土壤的透气性、透水性、蓄水保肥性都 具有重大作用。但是，农田利用污泥时，必须采取措施尽可能减少污泥中的污染 物所带来的危害，特别是重金属和病原体。 2 1 污泥在农业利用中的环境影响 2 1 1 污泥对作物品质的影响 施用污泥与城市垃圾混合的堆肥，能提高春小麦中蛋白质的含量，施用污泥 可以增加籽实中有益元素的含量【5 6 1 。也有研究表明，施用污泥须控制用量才能达 到增产的目的，污泥用量达6 0 t h m 2 时土壤所增加的养分已基本满足青菜生长的 需要，当再加大污泥施用量时，养分来不及吸收，而重金属、盐分等抑制生长物 质的浓度却提高了，总的作用结果表现为植物产量增长的降低【5 7 】。青菜是速生蔬 菜，适宜在疏松、肥沃、保水和保肥的土壤上栽培，生长期需氮量较多，施用污 泥能明显提高青菜体内硝酸盐含量，且青菜内硝酸盐随污泥施用量的增加而增加 1 5 8 1 。 2 1 2 污泥农用对土壤理化性状的影响 污泥及污泥堆肥对于土壤的水力学性质( 如持水性、水分稳定性) 、土壤结 构( 如孔隙率、团粒稳定性) 、土壤的化学性质( 如吸附性、代换性、缓冲性) 、 以及土壤的生物学性质均有良好的影响【6 1 6 4 1 ，合理施用对土壤一植物系统起到积 极的作用，施用污泥能增加土壤中全碳和全氮的含量 6 2 】。郭眉兰等在山西将城市 污泥与垃圾堆肥施用于农田时，发现污泥堆肥因本身密度小及能增加土壤的孔隙 率，显著减少土壤的容重，促成团粒形成及提高团粒的水稳性，增加土壤总的空 隙容积并改善空隙大小的分布【6 5 1 ，有利于排气、通气，减少土壤地面冲刷，减少 田间径流引起的植物养分损失，增加土壤的持水能力从而提高土壤水分含量，增 加土壤的透水性及防止土壤表面板结，改进了土壤的蓄水能力，改良土壤的适耕 性，在土壤三相容积的分布中，固相减少，气相和液相相对增加，明显改善了土 壤的理化性状【6 6 , 6 7 】。施用污泥将显著提高土壤肥力【6 8 6 9 1 ，表现在改善土壤对酸碱 的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性点，增加土壤有机质和氮磷水平【j 7 0 1 ，并 增加土壤生物活性，从而提高作物对化肥的利用率，有利于后茬作物的正常生长 【7 l 7 5 1 。 2 1 3 污泥农用对土壤、地下水的影响 污泥中通常含有丰富的n 、p 等各种养分，污泥中氮素以有机及无机状态存 在，它们与土壤胶体间发生着各种物理、化学、生物等综合作用7 6 1 ，一部分氮素 形成n 2 n 0 2 而逸散到大气中，另一部分经硝化作用而形成硝态氮随水在土壤中 移动而污染地下水。 2 2 污泥土地利用应注意的问题 城市污泥是良好的有机肥料资源，土地利用资源化前景广阔。但是，污泥中 存在多种有毒有害物质，如使用不当，会导致土壤污染，作物生长不良，产量下 降，造成土壤一水体一植物污染，甚至被农作物吸收后，又通过食物链进人人体， 从而影响人体健康，因此，污泥土地利用必须强化管理与严格控制。 2 2 1 污泥农业利用的前提条件与施用规定 2 2 1 1 污泥农业利用的前提条件 全而分析和调查可利用的污泥量、脱水效果、营养物质和有害物质的含量， 确定是否满足控制标准和施用要求； 全面调查和了解拟施用污水处理厂污泥土地的性质、地点、有害物质的本 底值、种植情况、地下水情况等； 应根据污泥的性质和拟施用污泥土地的实际情况，对施用后污泥对施用土 地、地下水、植物或者农作物、动物和人体等方面的影响进行全面的分析、预测 1 2 - 蚯蚓在农业中的利用情况 和评价； 在确定了污泥农业利用后，污水( 包括工业废水) 的收集系统和污水处理厂 的运行必须严格执行有关规定和标推，在满足农用污泥标推的前提下，尽可能减 少有害物质进入管网。 2 2 1 2 施用规定 ( 1 ) 污泥处理厂污泥用于农业，包括林业、园林等时，污泥性质必须符合有 关法规或者规定及实际污泥农用的要求； ( 2 ) 用于农业的污泥必须按照植物的类型、种植的时间、对营养物质物质的 需要情况、土壤的性质、本身营养物质和有机物质含量情况等施用； ( 3 ) 用于农业的污泥及施用的土壤应由有关部门定期进行重金属和其他有害 物质的检测； ( 4 ) 为防止对地下水的污染，在沙质土壤和地下水位比较高的农田上不宜施 用污泥，在饮用水水源保护区不得施用污泥； ( 5 ) 用于农业的污泥必须经过消化处理或者高温塔肥处理； ( 6 ) 出于卫生原因，污水处理厂污泥不宜用于种植蔬菜和水果的土地，适宜 应用于林土、园林绿化与花卉等。 ( 7 ) 为防止污泥对地下水和地表径流的污染，对污泥处理与堆放场地必须进 行严格设计与管理。污泥处理场地应有防止渗滤液下海、防止地面径流将污染物 带人地表水体。污泥投配人员，应有卫生安全防护措施。 2 2 2 污泥中置金属及其有毒有机物的控制 污泥中含有一定量的n 、p b 、n i 、a s 、h g 等重金属离子，这些重金属的量决 定于城市污水中工业废水所占的比重与工业性质。一般情况下污水经二级处理 后，污水中重金属离于约有5 0 以上转移到污泥中。在这些重金属中，c d 和h g 是最主要控制污染物，所以世界各国在农用污泥标淮中，c d 和h g 的最大允许浓 度最小。芬兰标推规定，土壤中c d 年负荷不得超过o 0 2 k g h m 2 ，这样污泥固体物 年负荷降至4t h m 2 以下。美国标淮规定，对于p h 5 时， 青菜中c u 、z n 超过允许标推；弯施用量在1 0 以上时，c d 超标。重金属在植物 体内累积规律大致为：根系 茎叶 籽粒和果实。 污泥中有机污染物的研究工作在发达国家已研究多年，我国仅刚刚起步。北 京高碑店污水处理厂的污泥中已检测到3 5 种含氯芳香族化合物，其中7 种已经 定量化。因此，污泥的土地利用，首先要重视污泥中重金属与有毒有机物质的危 害性。 2 3 3 污泥施用量与病原菌、寄生虫的监控 2 2 3 1 污泥施用量的控制与监测 不合理施用与超量使用污泥，会导致土壤中重金属元素的积果。一般而言， 农田利用污泥量是有一定限度，当达到一定限度时，污泥的农田就应停止一段时 间后再继续进行施肥。具体的污泥施用量应在调查研究的基础上，根据气候条件、 地理环境、作物种类及土壤同化作用能力制定适合本地区特点的污泥施用额定负 荷量，以确保污泥的农田施用安全。对于施用污泥的土地和作物应建立技术档案， 有必要进行连续跟踪观察与监测，了解土壤中重金属是否产生富集、富集过程与 迁移转化情况，是否产生淋镕作用，土壤结构与性能影响状况以及对地下水是否 造成影响等。 2 2 - 3 2 病原菌和寄生虫的控制 污泥中含有大量的病原微生物和寄生虫卵，在污泥施肥时，它们可通过各种 途径传播、污染土壤、空气、水泥，并通过各种接触、呼吸和食物链危及人类与 畜牧健康，也在一定程度上加速植物病虫害的传播。如不加以控制，则污泥在土 地利用或使用过程中会出现对人与畜类的健康造成危害。常用的灭菌的方法有厌 氧法、空气干燥分解法、石灰消毒法、加热干燥法和巴氏灭菌法等。前三种只能 起到大量减少病原体的作用，后两种方法虽污泥质量可控，但能耗太高。高温发 酶法虽能耗低，但污泥质量不稳定。相比之下，辐射处理和冻、融调节显得较为 1 4 - 蚯蚓在农业中的利用情况 突出，适子处理量大的污泥。 2 2 4 要注意氮、磷营养物与盐分的影响 污泥中通常含有丰富的n 、p 等各种养分，如果在降雨量较大地区的土质疏 松土地上大量施用，造成有机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度，就会随 水流失，进入地表水时会造成水体富营养化，进入地下时会引起地下水的硝酸盐 污染。 污水厂的污泥的磷含量主要来自洗涤剂中的磷酸盐。由于磷酸盐在土壤中 短时间内就会转化为土壤中典型的磷酸盐化合物形式，与n 一样，如大于植物对 p 的吸收速度，就会造成流失，产生相同的污染与危害。含盐高的污泥会干扰植 物的渗透过程，导致植物叶子干枯；含盐高的污泥明显提高土壤的电导率，破坏 营养物的平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至会对植物根系造成直接的伤害。离 于间的拮抗作用也会加速有效养分k + 、n 0 3 、n h 4 + 等的淋失。因此，污泥土地 施用应注意盐分和氮、磷养分的影响与控制。 2 2 5 完善用肥标准与管理法规 城市污泥土地利用是国内外研究的热点化、解决污泥出路的最经济、最有效 的上策。关键是要完善用肥标淮和管理法规。众多研究表明，污泥农用是实现污 泥资源而要实现污泥有效地、科学的农业利用，发达国家对污泥土地利用制定了 完善的标准和相应的管理法规。英国的标淮内容主要有污泥中各类有毒有害物 质、p h 值的指标以及污泥无害化、卫生化、稳定化的各项指标值，对污泥的土地 适用范围、土地类型、性质等都有明确规定。美国政府在有机固体废弃物处置 规定中，将污泥分为a 、b 两类。经脱水、高温堆肥无茵化处理后，各项有毒 有害物指标达到环境允许标准的为a 类，可作为肥料、园林植土、生活垃圾填埋 覆盖土等所有土地利用类型，经脱水或部分脱水简单处理的为b 类污泥，只能作 为林业用肥，不能直接用于粮食作物。 我国农用污泥标准( g b4 2 8 4 8 4 ) 对污泥污染物列出最大允许浓度的规定， 这对农业上的滥用污泥起到了一定的控制作用。但是该标淮制定的基础是在研究 小麦的基础上建立起来的，存在片面性，有待完善与提高。特别是对污泥施用范 围与土地类型、性质等控制技术要求、管理制度、监控制度等有待建立；缺乏污 泥土地利用的环境法律、法规和科学施用的技术规范。 1 5 3 蚯蚓处理污泥技术概述 3 1 蚯蚓的生活习性及其对土壤的改良作用 3 1 1 蚯蚓的生活习性 蚯蚓是土壤中的主要动物类群，是一种喜温、喜湿、喜安静、怕光的夜行性 环节动物，喜欢生活在潮湿肥沃、有机质含量丰富的土壤中，白天多窝居在其通 气潮湿的土层中，一般夜晚出来活动取食，以土壤中的落叶、枯草等有机物为食， 特别喜欢吃甜食，如腐烂水果等。它是维持土壤肥力的重要生物，是陆生生物与 土壤生物之间传递污染物的桥梁，是农田生态系统中土壤物质生物小循环的重要 一环 7 刀。蚯蚓以土壤中的动植物碎屑为食，经常在地下钻洞，把土壤翻得疏松， 具有混合土壤、改善土壤结构、提高土壤透气、排水和深层持水能力的作用，能 够使水分和肥料易于进入而提高土壤的肥力，有利于植物的生长，促进农业增产。 蚯蚓属于陆生环节动物门，在自然界已经存在了六亿年以上，环毛属，广种 类多，我国有2 0 0 0 多种【7 8 】。蚯蚓是变温动物，体温随着外界环境温度的变化而 变化 8 0 , 8 1 】。因此，蚯蚓对环境的依赖一般比恒温动物更为显著，环境温度不仅影 响蚯蚓的体温和活动，还影响蚯蚓的新陈代谢、生长发育及繁殖等，而且温度也 对其他生活条件产生较大的影响，从而间接影响蚯蚓。因此，温度是蚯蚓最重要 的生活条件之一。 一般来说，蚯蚓的活动温度在5 - - - , 3 0 范围内，0 5 c