蚯蚓堆肥在污泥处理中的应用

2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 蚯蚓堆肥在污泥处理中的应用 盛倩1，吴星五1’2 (1．同济大学环境科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，上海200092；2．同济大学城市污染控制国家工程研 究中心，上海200092) 摘要：概述了蚯蚓处理污泥技术的基本原理，生活污泥和工业污泥蚯蚓堆肥研究的历史 和现状，介绍国内外的应用实例。指出：蚯蚓污泥堆肥技术具有设备简单、操作方便、费用 低廉等特点；能处理多种类型的污泥；处理后污泥无害化、稳定化和减量化，可资源化利用； 该技术应用前景可观，特别适合城镇小型污水厂的污泥处理，但仍需进一步加强研发工作． 关键词：蚯寓I堆肥；赤子爱胜蚓；生活污泥；工业污泥；化粪池污泥；蚓粪 Applicationofvermicompostingonsludgetreatment SHENGQianl，wuXing．wul’2 (1．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity,Shanghai200092，China；2． NationalEngineeringResearchCenterforUrbanPollutionControl，TongjiUniversity,Shanghai 200092，China) Abstract：Thefundamentalprinciples，historyandpresentsimation，andapplicationcasesof vermicompostingappliedinsewagesludgeandindustrialsludgewereintroduced．Itwaspointedout thatwiththecharacteristicsofsimplefacilities，convenientoperationandlowexpense， vermicompostingCanbeusedtotreatvariouskindsofsludge，toreducethetoxicityandvolumeof sludge，andtorecycleandreusetheresultproducts．Vermicomposting，suitableforthesludge treatmentofsmallscalewastewaterplants，hasapromisingapplicationprospect，butstillneeds furtherresearchanddevelopment． Keywords：vermicomposting；Eiseniafoetida；sewagesludge；industrialsludge；septictank sludge；earthwormcast 工业化和城市化在2l世纪的迅速发展使得污水处理厂产生的污泥量大大增加。这些污泥 通常是由活性污泥 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 处理污水而产生的，主要由生物质和无机物质组成I¨。“十一五”期间， 我国的干污泥产量预计达到5．4x106Vat21。大量的污泥如不能得到及时、合理的处理，不仅会 造成对环境的二次污染，还会造成资源的浪费。目前国际上污泥的处理工艺包括重力浓缩、 化学调理、厌氧消化、脱水和消毒以及随后的最终处置包括焚烧、堆肥、土地利用、填埋和 投海等【3】。通常，污泥处理和处置费用较高，可占到污水处理厂总处理费用的50％～60％【4】。 基金项目：国家科技部国际合作重点项目(2006DFA92690) 194 2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集 对于发展中的国家和地区，污泥的管理更是一个棘手的问题。因此，突破传统的污泥处理方 式，寻求新的污泥处理策略是近年来研究的热点。 污泥中含有丰富的有机质、N、P、K及其他植物所需元素，土地利用是污泥资源化的一 种有效形式，但由于污泥是组份极其复杂的非均质体，还含有难降解的有机污染物、重金属、 盐类、病原微生物和寄生虫卵等，处理不当极易造成二次污染，这极大地限制了污泥的土地 利用。用蚯蚓处理污泥始于上世纪70年代末，美国的Hartenstein等在纽约州立大学校园内将 赤子爱胜蚓应用于污泥处理并加工成表层土壤【51。此后这项研究相继在其他国家展开[6-91，陆 续有研究表明蚯蚓可以有效地富集污泥中的重金属，去除有毒有害物质，使污泥性质稳定、 无臭不生蛆，施用蚯蚓处理过的污泥可以增加土壤肥效和改良土壤结构，在减少污泥的二次 污染的同时实现资源化利用。 1蚯蚓污泥处理技术的基本原理 蚯蚓堆肥(Vermicomposting)，又称蚯蚓生物稳定化(vermistabilization)，基本原理是利 用蚯蚓食腐、食性广、食量大(日吞食量可达其体重的数倍)及其消化道可分泌出蛋白酶、 脂肪分解酶、纤维分解酶、甲壳酶、淀粉酶等酶类的特性，将经过一定程度消化或未消化处 理的污泥作为食物喂食给蚯蚓，经过蚯蚓的吞食、消化、代谢以及蚯蚓消化道的挤压作用， 破坏污泥的含脂块状结构，生成一种无气味的、像腐殖质的、含高营养值的物质(物理、化 学以及生物学特性都很好的蚓粪)，适于用作作物生长的培养基或肥料。不同于传统的依靠微 生物的污水污泥堆肥处理工艺，蚯蚓堆肥是一种新型的污泥和其他有机固体废弃物生物降解 工艺。蚯蚓堆肥处理污泥不仅利用蚯蚓特殊的生态学功能，还利用了蚯蚓与环境中某些微生 物的协同作用，从而经济有效地实现污泥减量化、无害化、稳定化和资源化的目的。 2蚯蚓处理污泥技术的研究现状 将蚯蚓用于不同种类有机废物处理，寻找新的蚯蚓品种和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 产物(蚓粪和固体残余物)， 是近年来研究的热点【101。目前，蚯蚓污泥处理技术的研究大多集中在蚯蚓在污泥中的生长条 件(包括污泥与膨胀剂的配比、放养密度、含水率等)、蚯蚓品种的选择、蚓粪的评价，以及 蚯蚓在各种污泥环境中的生长和繁殖状况等方面。 2．1蚯蚓处理生活污泥 2．1．1污泥中添加膨胀剂 在用蚯蚓处理生活污泥时，通常添加牛粪、秸秆、甘蔗渣等作为膨胀剂，以提高污泥的 孔隙率和透气性，为蚯蚓创造适宜的生长和繁殖环境，从而提高污泥处理的效果。Gupta和 Gargtn】考察了Eiseniafoetida(赤子爱胜蚓)对混入不同比例牛粪的初沉污泥的蚯蚓堆肥过程， 通过11周不同的蚯蚓反应器中赤子爱胜蚓的生长和繁殖情况和15周蚯蚓堆肥产品的肥质来评 价工艺效果。在所有工况中，pH、总有机碳浓度(TOC)和C／N均有所降低，而电导率(EC)、 总凯氏氮(nⅢ)、总钾(TK)和总磷(TP)浓度均有所升高；蚓粪中的重金属含量比初始 混合物中的高。10％初沉污泥+90％牛粪混合的工况可得到最大量的蚯蚓生物质，而蚯蚓生长 速率在30％初沉污泥+70％牛粪混合的工况下最大。向牛粪中添加40％的初沉污泥对蚓粪的肥 195 2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集 质和赤子爱胜蚓的生长均无负面影响，得到的产品仍然品质优良。蔡玉琪等【12】研究了不同的 秸秆掺入量对蚯蚓处理污泥的效果，得出结论：掺入10％--一30％秸秆显著提高蚯蚓对污泥的消 解速率；掺入10％和20％秸秆的处理蚯蚓生物量的增长速率显著高于掺入50％秸秆的处理； 掺入10％"-"50％秸秆均显著提高蚯蚓转化污泥一秸秆混合物料形成有机肥的速率；蚓粪的有机 质含量随着掺入秸秆比例的增加而提高，对TN和TK含量无显著影响；与单纯处理污泥相比， 当掺入秸秆比例达40％和50％时，蚓粪全磷含量显著降低。Suthar[131研究表明向生活污泥中添 加甘蔗渣作膨胀剂不仅可促进蚯蚓生长，还可降低蚯蚓堆肥过程中蚯蚓的死亡风险。污泥中 添加20％--一60％甘蔗渣的实验结果显示蚯蚓的生长和繁殖状况良好，蚓粪中N和P含量丰富， 金属含量较低。马莉和殷秀琴【141以赤子爱胜蚓处理不同配比(1：1"--5：1)的污泥和牛粪得到蚓 粪，再以干物质量占10％--。30％的比例与黑土混合，研究其对万寿菊生长发育的影响。结果表 明，污泥和牛粪配比值越小得到的蚓粪对万寿菊生长发育最有利，蚓粪含量20％的混合黑土 对万寿菊生长发育最为有利，蚓粪含量继续增加万寿菊生长发育状况有所下降。 2．1．2污泥中未添加膨胀剂 用蚯蚓处理纯污泥是近几年来研究的热点。陈学民等【15】研究表明蚯蚓能很好地适应直接 投加纯污泥的生存环境；随着处理时间的增加，污泥的理化性质、营养物质含量及重金属含 量都有显著的变化；蚯蚓处理后污泥小团粒化明显，无臭味，不生蛆。徐轶群等【16】将赤子爱 胜蚓直接处理纯生活污泥，研究认为磷酸酶、脲酶、蛋白酶和蔗糖酶等4种酶的活性随着时 间延长有下降的趋势，其中蛋白酶的活性下降最为显著，并指出处理过程中有机质的含量减 少可能是酶活性下降的主要原因。伏小勇等【17】的研究表明蚯蚓处理纯污泥时对其中的Pb有较 强的富集作用，其作用大小与污泥中Pb的含量呈正相关关系；蚯蚓对重金属Pb有较强的耐 受性，但当污泥中Pb浓度超过3500mg／kg时会由于急性毒性而使蚯蚓全部死亡。 2．1．3蚯蚓品种的影响 Khwairakpam和Bhargava[1Sl研究了三种蚯蚓品种，Eiseniafoetida(赤子爱胜蚓)、Eudrilus eugeniae和Perionyxexcavatus(掘穴环爪蚓)，单独和联合处理污泥，根据产品的质量来筛选 合适的蚓种。结果表明，采用单个蚓种或联合蚓种，未与添加剂混合的污水污泥均可直接堆 肥。总体上说，联合蚓种堆肥得到的污泥产品在TOC、氨氮、BOD、COD和细菌学指标等方 面占优，而单个蚓种堆肥得到的污泥产品农用副作用小，因为其中的重金属(Cu、Mn、Pb和 Zn)含量较低。Sinha等亦对上述三种蚯蚓处理污泥的效果进行了对比研究，认为，总体上讲， 赤子爱胜蚓是最好的有机废物降解和污泥堆肥的蚓种。陈学民等【l9】比较了两种表居型蚯蚓 (Bimastusparvus(微小双胸蚓)和赤子爱胜蚓)对城市生活污泥的处理效果。结果表明，两 种蚯蚓对污泥的降解、矿化及减量能力基本一致。接种微小双胸蚓和赤子爱胜蚓污泥的pH分 别由7．83降至6．27和7．07，接种微小双胸蚓使污泥的N、P和K含量分别增加了31．96％、5．76％ 和17．91％，C／N和C／P分别降低了44．14％和30．69％；接种赤子爱胜蚓使污泥的N和K含量 分别增加了35．48％和11．58％，P含量、C／N和C／P分别降低了10．12％、46．73％和20．50％。 接种两种蚯蚓均能降低污泥中重金属含量，其降低次序分别为Zn>Cu>Pb>Cr和Cu>Zn>Pb>Cr。 196 2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集 实验结束后，两种蚯蚓的体重、数量和卵数均显著增加，表明，微小双胸蚓和赤子爱胜蚓均 可成为处理城市生活污泥的适宜蚓种。 2．2蚯蚓处理工业污泥 蚯蚓在纺织、酿酒、制糖和造纸等工业污泥处理中应用广泛。Oarg等【20，211将赤子爱胜蚓 用于纺织工业污泥处理，得到的蚓粪比原污泥N、P和K的含量增大，而pH值和TOC含量 降低。与未接种蚯蚓的空白工况相比，在蚯蚓堆肥100d周期结束时，纺织污泥TKN增加了 5．8倍，增加幅度比其他有机废物(厨余垃圾、农业加工残余物、公共机构区垃圾)大，说明 采用赤子爱胜蚓堆肥可将纺织工业污泥转化为具有附加值的工业原料。同时指出蚯蚓放养密 度会影响蚯蚓的生长和繁殖，27"-'53个蚯蚓每千克纺织污泥是最佳的放养密度。Addisl22]将蚯 蚓用于处理酿酒工业污泥。以牛粪和稻壳为膨胀剂，研究了赤子爱胜蚓堆肥处理酿酒工业污 泥过程中C／N的影响，结果表明基质C／N为25时可显著增加产品中有效P、K和有机碳含量， 且该条件下蚯蚓生存和繁殖力较强。将60--一70个成年蚯蚓接种刭18k925锄厚的堆肥基质中， 并覆盖细颗粒材料，在上述C／N条件下，60d即可得到可与传统堆肥相媲美的腐熟蚓粪。Suthar 和Singht23l将蚯蚓堆肥技术用于处理制糖工业污泥中，通过添加不同比例(20％、40％、60％ 和80％)的牛粪做膨胀剂，考察了掘穴环爪蚓的堆肥效果。90d的实验表明，蚓粪的pH值和 TOC含量下降显著，分别降低了10．5％～19．5％和12．8％～27．2％，而TN、有效P和可交换态 K、CB和Mg含量则分别升高了128．8％～151．9％、19．5％～78．3％、95．4％～182．5％、45．9％～ 115．6％和13．2％"--'58．6％。蚯蚓堆肥对污泥中的重金属含量也有显著的降低作用：Zn，15．1％～ 39．6％；Fe，5,2％"--'29．8％IMn，2．6％"-'36．5％；Cu，8．6％"--'39．6％。在低成本、可持续的土 地修复方面，蚯蚓所具有的缓解污泥中的金属毒性和强化回收营养物质的功能具有用武之地。 Suthart城25】以牛粪、麦秆等为膨胀荆，以赤子爱胜蚓作为接种蚯蚓处理制糖污泥得到了相似的 结论。李丹等【26】研究了赤子爱胜蚓堆制处理造纸工业污泥过程中，蚯蚓的生长、繁殖特性以 及蚓粪化学特性的变化。结果表明，50％造纸污泥+50％培养基质(经蚯蚓堆肥处理造纸工业 污泥与落叶混合后，挑出蚯蚓和蚓茧并自然风干的产物)+蚯蚓、75％造纸污泥+25％培养基质 +蚯蚓两种工况较适合于蚯蚓的生长和繁殖；对蚓粪的化学性状分析结果表明，各工况pH值 均有降低且呈弱碱性，TN、TP、TK均有不同程度的提高。Yadav和Gargf27】指出通过蚯蚓 堆肥将工业污泥转化为蚓粪具有双重好处：其一是控制了工业化进程带来的污染，其二是将 废物转化为了具有附加价值的产品。 2．3蚯蚓处理化粪池污泥 蚯蚓用于化粪池污泥处理是近几年来一个新的研究方向。Rodriguez-Canche等f28】评价了赤 子爱胜蚓对化粪池污泥的致病菌的去除能力。选取三个蚓种密度(1、2和2．5kg／m2)进行了 为期60d的实验，结束时测得污泥中的粪便大肠杆菌、沙门氏菌和蛔虫卵的干基浓度分别在 1000MPN／g、3MPN／g和活卵1个／g，未超过墨西哥相关环保法规 (NOM．004．SEMARNAT-2002)的限值。化粪池污泥中的重金属含量较生活污泥和工业污泥 都低，采用蚯蚓处理化粪池污泥得到的产品质量较优，可用作林业、农业肥料和土壤改良材 197 2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集 料。 3蚯蚓处理污泥技术的主要影响因素 3．1温度 蚯蚓属于变温动物，环境温度不仅直接影响蚯蚓的体温及其活动，而且还影响其新陈代 谢的强度，以至于呼吸、消化、生长发育、繁殖等生理机能。不同种类的蚯蚓和同一种蚯蚓 处在不同的生长发育阶段，其对温度的适应也有较大的差异；即使同一种蚯蚓的不同个体， 因其生理功能、营养状况以及处在某一温度下时间的长短不同，均会导致有关蚯蚓适宜生活 温度测定值的差异。 不同种类的蚯蚓生长发育所需要的适宜温度是不同的，其最高和最低致死温度也有差异。 Reinecke等【29】的研究结果表明，赤子爱胜蚓比Eudriluseugenina和掘穴环爪蚓有一个更宽的温 度范围，最高可耐温度达43"(2，最低温度可在5。C以下。一般来说，蚯蚓的活动温度为5℃～ 30℃，最适宜的温度为20℃左右。在这样的温度条件下，蚯蚓能较好的生长发育和繁殖。5℃ 以下则进入休眠状态。对于赤子爱胜蚓而言其最适宜温度为25℃，最大致死温度为39℃～ 40℃。 3．2基质含水率 水分是蚯蚓的重要组成成分(体内含水量75％-～90％)和必需的生活条件。因此，湿度对 蚯蚓的新陈代谢、生长发育和生殖有显著的影响，成为蚯蚓生长发育的限制因子之一。当外 界湿度过低时，蚯蚓呼吸和新陈代谢困难。湿度对蚯蚓的生长、繁殖和孵化的影响也非常大。 Kaplan等‘301在研究利用蚯蚓处理污水处理厂污泥时发现，在基质含水率为70％"-85％时可获 得最大的蚯蚓生物量。 3．3污泥中的重金属 蚯蚓可以富集污泥中的重金属。郭永灿等‘311的研究表明蚯蚓对重金属的富集随着污染程 度的增加而上升；土壤中重金属元素浓度与蚯蚓体内重金属元素在一定范围内成线性关系； 当土壤中重金属浓度超过这一范围则随浓度的增加蚯蚓对重金属的吸收显著减弱。蚯蚓对不 同的重金属有着不同的耐受能力。蚯蚓对污泥中的镉有明显的富集作用。当重金属元素的浓 度超过蚯蚓的耐受极限时，它就会通过排粪或其他方法将其排出体外【321。 3。4污泥的C／N 在蚯蚓堆肥处理污泥过程中，污泥不仅是蚯蚓的处理对象，也是蚯蚓新陈代谢和生长繁 殖所需物质和能量的供应者，污泥对蚯蚓的适口性和营养性决定着蚯蚓的污泥处理效率。物 料C／N为25时蚯蚓可以获得最高的生殖率以及最高的摄食能力，而且堆制后的产物具有较高 的肥力并对环境黼+t33】。一般情况下，C／N为25"'35时蚯蚓堆肥处理污泥的效果较优‘341。 3．5其他因素 污泥中的有机质含量、pH值等对蚯蚓堆肥也有着重要的影响。例如，蚯蚓喜欢生活在中 性或弱碱性的pH条件下【351。 4蚯蚓处理污泥技术应用例 198 2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集 4．I国外的应用实例 波兰Brezesko的一个污水厂用蚯蚓处理剩余污泥。蚯蚓处理占地200me，1996年，从180 m3的剩余污泥中生产出了80m3的蚯蚓肥料。在波兰Zambrow的一个厂，处理占地1400m2， 1995年，从2300m3的污泥中生产出约1000m3的蚯蚓肥料p6】。 利用蚯蚓堆肥技术处理污泥在韩国已经得到了大规模的应用。在韩国，2003年7月1日 起，已经禁止污泥填埋、投海。出于焚烧处理费用高昂且产生大量温室气体等因素的考虑， 韩国从印度引进蚯蚓品种进行驯化，建立了一整套利用蚯蚓规模化处理处置污泥的技术。首 尔市污泥32％以上由蚯蚓处理(目处理污泥150t，年处理量5．5万t)，利用蚯蚓生物转化的 污泥产品达到了资源化利用的目的。 另外，蚯蚓堆肥(包括处理污泥)技术在印度、荷兰、墨西哥、美国、澳大利亚和日本 等国也得到了较广泛的应用。 4．2国内的应用实例 我国从上世纪80年代初期开始研究将蚯蚓用于污泥处理，长沙市环卫处、郑州五龙口污 水厂、天津纪庄子污水厂、四川维尼纶厂和江北织布厂等单位通过养殖蚯蚓处理和利用市政 污泥、生活污泥、制革污泥、造纸污泥和化纤污泥等，取得了较好的经济效益和环境效益【3”91。 目前，国内应用蚯蚓堆肥处理污泥的报道主要集中在造纸污泥，江苏、浙江、山东等地建有 蚯蚓处理污泥示范基地，培育的蚓种繁殖能力强、适应性好，污泥处理快速效果稳定，得到 的蚓粪富含腐殖质和微量元素等，甚至可达到商品有机肥标准(GB／T-8172)[40,411。 5结论与展望 蚯蚓污泥堆肥技术具有设备简单、操作方便、费用低廉等特点，适合处理多种类型的污 泥，且处理后污泥可实现无害化、稳定化和减量化，并可资源化利用。该技术适合我国国情， 尤其是城镇小型的污泥(水)处理厂，应用前景可观。但是，蚯蚓污泥处理过程中蚯蚓品种、 污泥性质(含水率、有机质和重金属含量、pH、C／N等)、膨胀剂类型、蚯蚓放养密度和环境 温度等均会影响产品(蚓粪和固体残余物)的性质。而且目前的研究主要是在实验室规模进 行，尚需大规模的中试和工程应用验证。生产设施(车间或场地)、生产方式(连续)、机械 设备的效率和自动化水平有待提高。因此，应加强研究各种影响因素对蚯蚓污泥处理技术的 影响，扩展污泥类型，并重点加强蚯蚓对污泥中重金属和有机污染物的富集和去除、污泥对 蚯蚓的毒性评价、蚓粪对土壤和植物的毒性评价以及蚯蚓体、蚓粪和污泥的分离等方面的技 术研究。 参考文献： 【l】ElisscnHJH，HendrickxTLGTemminkH’eta1．Anewreactorconceptforsludgereductionusingaquatic worms阴．WaterRes。2006，40(20)：3713—3718， 。 【2】2孙颖，桂长华，孟杰．接种蚯蚓堆肥处理压滤污泥的试验研究【J1．中国给水排水，2006，22(21)：35-38． 【3】3 WangJL，WangJZ．Applicationofradiationtechnologytosewagesludgeprocessing：Areview阴．JHazard Mater,2007，143(1-2)：2-7． 199 【4】WeiYVanHoutenRT，BorgerA＆eta1．Minimizationofexcesssludgeproductionforbiologicalwastewater treatment【J】．WaterRes，2003，37(18)：4453-4467． 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