接種蚯蚓堆制處理造紙污泥的試驗研究

李 丹 王德漢 曾 婷 李 亮 謝錫龍

（華南農業大學資源環境學院，廣東廣州，510642）

廣州造紙集團有限公司紙及紙板年生產能力50萬t，是我國南方重要的制漿造紙基地，但每年產生的造紙污泥量也達到20多萬t［1］。由于填埋場所相對短缺，國內許多紙廠污泥隨意棄置或不經無害化處理在農田上濫用現象很普遍，造成新的環境污染，生態風險愈來愈大，因此，迫切需要解決污泥無害化處理問題。

利用蚯蚓分解污泥的研究起源于20世紀70年代，Hartenstein等［2-3］將利用人工控制的方法實現蚯蚓堆肥處理過程稱為蚯蚓生物分解處理技術。蚯蚓作為主要的大型土壤動物之一，組成了重要的二級分解者群體。蚯蚓是降解有機廢棄物的重要生物。

蚯蚓堆肥技術是一種環境友好型方法，它利用蚯蚓作為天然的生物反應器，將廢棄物轉化為有營養的堆肥產品施用于作物生產，達到有效回收利用排放到土壤的有機廢棄物的目的。在微生物的協同作用下，蚯蚓利用自身豐富的酶系統（蛋白酶、脂肪酶、纖維酶、淀粉酶等）將有機廢棄物迅速分解、轉化成易于利用的營養物質，加速堆肥穩定化過程［4］。

本研究考察了在赤子愛勝蚓堆制處理造紙污泥過程中，蚯蚓的生長、繁殖特性以及蚯蚓對堆制產物（蚯蚓糞）化學特性〔pH值、VS（揮發性固體）、有機質、TN（總氮）、TP（總磷）、TK（總鉀）〕的影響，為該項技術的進一步發展完善提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

（1）供試蚯蚓

赤子愛勝蚓（Eisenia foetida），購自廣州市洋興畜牧有限公司。

（2）供試有機物料

造紙污泥：取自廣州造紙集團有限公司生化法廢水處理系統的生物污泥（活性污泥）。

培養基質：經蚯蚓堆制處理造紙污泥與落葉堆肥混合物后的產物，挑出蚯蚓與蚓繭，自然風干，備用。供試物料的基本理化性質見表1。

表1 供試物料的基本理化性質

1.2 具體試驗設計

試驗采用上口直徑為25cm、下底直徑為18cm、高20cm、底部有透水孔的花盆，底部放有細紗網防止蚯蚓逃逸。按不同處理加200、150、120、100g（風干質量）的造紙污泥及0、50、80、100g（風干質量）的蚓糞，使堆制有機物總質量為200g。每盆接種大小相當的成年蚯蚓30條［5-6］。試驗設4個處理配料比，每個處理設4個重復，共16盆，在常溫、陰暗處培養，本次蚯蚓堆制試驗時間為：2008年7月17日—9月14日。堆制過程中通過稱重法判斷含水量是否在最適范圍，若含水量太高，則將盆放于通風處使過多的水分蒸發，若含水量太低，則用噴水器均勻噴灑蒸餾水加以調節。整個堆制過程物料含水量控制在（70±10）％。具體實驗設計見表2。

分別在堆制15、30、45、60d時進行蚯蚓計數和稱重。計數時先將堆制的混合物緩慢倒出，仔細挑出其中的成蚓、幼蚓和蚓繭，對成蚓和幼蚓進行計數和稱重，對蚓繭進行計數。采取破壞性取樣，樣品風干后測定其pH值、VS、有機質、TN、TP、TK，進而初步評價堆制產物的化學性質。

表2 堆制處理中初始物料的含量

1.3 測定分析方法

1.3.1 蚯蚓生長、繁殖特性的測定方法［7］

蚯蚓日增重倍數：（堆制一定天數后蚯蚓總重量-初始蚯蚓重）/（初始蚯蚓重×堆制天數）

蚯蚓日增殖倍數：（堆制一定天數后蚯蚓總條數-初始蚯蚓條數）/（初始蚯蚓條數×堆制天數）

式中蚯蚓總條數包括成蚓數、幼蚓數和蚓繭數，每個蚓繭按1條蚯蚓計算，處理時間以d計，蚯蚓重以g計。

1.3.2 樣品測試項目及方法

含水率、pH值、VS、有機質、TN、TP、TK的測定方法見文獻［8］中的常規測定方法。

1.4 數據統計分析

樣品分析數據在Excel下建立數據庫，并進行標準差分析，然后采用SAS統計軟件，采用鄧肯法（Duncan’s multiple range test）進行顯著性檢驗，同一處理間字母相同表示無顯著性差異，字母不同表示有顯著性差異［9-10］。本研究利用簡單相關分析來討論變量之間的聯系程度，并對所有相關系數r都進行統計意義檢驗，若不注明，顯著差異指p＜0.05，極顯著差異指p＜0.01。

2 結果與討論

2.1 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的生長和繁殖特性分析

在利用蚯蚓處理有機廢棄物時，蚯蚓的生長和繁殖直接影響處理效果［11］，因而有必要對蚯蚓的生長和繁殖進行統計。在接種蚯蚓的4個處理中，均未發現蚯蚓的死亡逃逸現象，且生長繁殖狀況良好，這表明直接用蚯蚓堆制處理造紙污泥是可行的。蚯蚓堆制過程中赤子愛勝蚓日增重倍數和日增殖倍數見圖1和圖2。

2.1.1 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的生長特性分析

從圖1可以看出，在堆制期間（0～60d），4個處理的蚯蚓日增重倍數均呈平穩下降趨勢，E4處理在15～30d內，降幅最大達到了54％。在堆制結束時，E1處理中赤子愛勝蚓的日增重倍數出現了負值，較0～45d降低了119％，較堆制之初其蚯蚓生物總量明顯地下降，而其余各處理（E2、E3、E4）較0～45d降幅繼續增大，在83％～90％之間，其蚯蚓日增重倍數已降至接近于零。至此，蚯蚓堆制處理造紙污泥已處于穩定。各處理中的營養已消耗殆盡，蚯蚓體色由紅轉為暗黃，長勢瘦弱。同時，與堆制之初的造紙污泥成團結塊、短纖維清晰可見相比，各處理的堆制產物（蚯蚓糞）呈現出顆粒均勻細小等特點。

以上結果表明，可直接接種赤子愛勝蚓處理造紙污泥，但以E4處理（50％造紙污泥+50％培養基質+蚯蚓）最利于蚯蚓的生長。以一定比例培養基質加入造紙污泥，不僅接種了豐富的微生物，促進了蚯蚓的攝食、生長，還為蚯蚓提供了氮源，平衡其生長所需營養，同時調節了其pH值至弱堿性，更利于蚯蚓的生長。

2.1.2 蚯蚓在造紙污泥堆制過程中的繁殖特性分析

由圖2看出，在堆制15～30d內，E1、E2、E3、E4各處理的蚯蚓日繁殖倍數，分別顯著增加了10、5.0、4.0、2.7倍，此后，E1處理的蚯蚓日繁殖倍數一直小幅增加，E2處理的先是小幅下降而后又上升，E3、E4則呈下降態勢。與上述的赤子愛勝蚓的日增重規律相比較，其日繁殖規律具有滯后性。相比較而言，E4處理中造紙污泥、培養基質各占50％的配料比，最適合蚯蚓的生長，但同時蚯蚓也最快將餌料中的養分消耗掉，由此可推論，提供適宜蚯蚓攝食、生長的餌料，具體說就是調節其C/N、pH值，可以提高蚯蚓處理造紙污泥的效率。

2.2 蚯蚓堆制處理造紙污泥過程中pH值的變化

圖3顯示：在整個蚯蚓堆制期間（0～60d），E1、E2、E3、E4各處理中造紙污泥蚯蚓堆制物的pH值變化趨勢大致相同，均是先下降后微有上升，最后趨于穩定。堆制之初（0d），E1處理（新鮮造紙污泥）的pH值為8.3，E2、E3、E4各處理的pH值分別為8.2、8.1、8.0，在第60d時，E4處理中造紙污泥蚯蚓堆制物pH值最低，為7.8，其余各處理（E1、E2、E3）的pH值分別降至7.8、7.8、7.9，均為弱堿性。與堆制之初相比較，E1處理中造紙污泥蚯蚓堆制物pH值降幅最大，為7.0％，其余則依次為E2、E4、E3各處理的4.0％、3.0％、2.0％。這是由于在開始階段，蚯蚓和微生物對有機質的降解產生大量的有機酸，pH值降低；隨著實驗的進行，蚯蚓和微生物對有機物進一步降解，尤其是對有機酸的降解，同時含氮有機質生物轉化產生氨，導致pH值升高，一般達到8.0左右；當堆體趨于穩定時，由于堆體中氨的揮發，pH值回調，一般達到7.5～8.0左右，呈弱堿性，這有利于提高肥料和土壤中陽離子的交換能力，提高土壤肥力［12］。

2.3 蚯蚓對造紙污泥堆制產物VS的影響

VS含量的高低反映了堆肥過程中可被赤子愛勝蚓利用的能量的多寡，反映了堆肥過程中有機質的降解，可以指示堆肥的進程［13］。從圖4可以看出，在堆制之初（0d），各處理中原始物料VS相近。在整個堆制時期，E2、E1、E3各處理VS均在15～30d內下降最快，這與上述的赤子愛勝蚓在此階段的總生物量、日繁殖倍數達到最高相一致，故此階段為造紙污泥快速穩定時期。在第30～60d內，E4處理蚯蚓堆制物VS降低最多，明顯高于其余各處理。在第60d時，各處理VS趨于穩定，尤以E1處理中蚯蚓堆制物VS最低，接近50％，與堆制之初相比，其降幅最大，約為15％。

2.4 蚯蚓對造紙污泥堆制產物有機質影響

圖5為赤子愛勝蚯蚓對造紙污泥堆制物有機質的影響。從圖5可知，在堆制之初，各處理中初始基質的有機質含量在549.19～654.39g/kg，經過蚯蚓堆制60d后，其有機質含量為472.39～508.69g/kg，最終各處理中堆肥產物的有機質含量差異顯著，其中E1最高，其次為E4、E2、E3。與初始基質相比，經過60d的蚯蚓堆制后，各處理堆制產物中的有機質含量均顯著下降，其降幅分別為22％、19％、17％、11％。有機質含量降低的結論已被早期研究者證明［14-15］，他們報道，不同工業污泥蚯蚓堆制后，以CO2形式減少的有機質含量占總有機質含量的20％～43％。Suthar［16］在3種不同的物質（瓜爾豆膠工業廢棄物、牛糞和木屑）按不同比例混合，進行實驗室條件下的Perionyx excavatus（Perrier）蚯蚓堆制處理，得出有機質含量減少的原因為：蚯蚓的堆制處理加速了微生物的分解作用和有機殘余物的同化，同時由于蚯蚓活動改善了微生物小氣候，從而通過蚯蚓的呼吸作用加速了物料中碳元素的損失，而蚯蚓促進了微生物的繁殖，進一步加速了有機廢棄物的降解。因此，蚯蚓的堆制處理直接影響了廢棄物中有機質的含量［17-18］。

2.5 蚯蚓對造紙污泥堆制產物TN、TP、TK的影響

與堆制之初相比，各處理堆制產物中的氮含量相差不大（見表3）。E1處理全為造紙污泥，蚯蚓堆制處理后其含氮量略有降低，但差異不顯著；E2、E3、E4處理堆制產物含氮量均比堆制之初高，其中E2、E4各顯著增加9％、5％。S.Bansal［19］、R.M.Atiyeh［20］、C.Elvira［21］也做過有相關的研究，得出了類似的結論?？赡苁怯袡C質的降解、礦化，使得含氮量增加。但是，Ndegwa等［22］和Mitchell［23］的研究認為，初始基質與堆制產物的含氮量沒有顯著差異。同時，也有研究［24］報道在整個蚯蚓堆肥過程中，其氮含量變化很大。蚯蚓堆肥處理不同的廢棄物，得出堆肥過程中全氮含量結論的不同，原因在于蚯蚓攝食的餌料不同，以及其物理結構、化學組成影響了含氮有機物的礦化，化合物中含氮量的多寡。

造紙污泥、蚯蚓糞的TP含量分別為0.67g/kg、15.60g/kg，4個處理的初始TP含量差異顯著。經過60d的蚯蚓堆制后，最終各處理TP含量為0.66～0.99g/kg（見表3）。堆制產物中的TP含量與初始基質相比，除E1堆制產物中的TP顯著增加了48％，其余3個處理都大幅下降，且差異顯著。堆制結束時，E1、E2、E3之間差異不顯著，E1、E4間差異顯著，且各堆制產物中TP含量隨著C/N比的降低而降低，即高C/N比的初始基質經過蚯蚓堆肥后，TP含量增加，這與Ndegwa P.M.［25］在研究C/N比在蚯蚓堆制處理生物污泥中的影響得出的結論是一致的。

表3 堆制前后各處理TN、TP、TK的含量

各處理中初始基質的TK含量在9.64～47.77g/kg（見表3），經過蚯蚓堆制60d后，其TK含量為9.78～12.33g/kg，其最高、最低含量分別出現在E2、E3。堆制結束時，E2處理中的含鉀量E2、E3與E1、E4間的含鉀量差異顯著，而E1、E4間差異不顯著。堆制產物中的TK含量與初始基質相比，除E1堆制產物中的TK顯著增加了11％，其余3個處理都大幅下降，且差異顯著。C.Elvira［14］研究蚯蚓堆制處理造紙污泥與乳品廢棄物時，發現與初始基質中的TK含量相比，堆制產物中鉀的含量顯著降低了。這可能是由于過量澆水而使鉀元素從基質中瀝出了，Benitez等［26］就曾收集過蚯蚓堆肥期間的瀝出液，分析發現其中含鉀量很高，而且可以用作農業生產中的優質鉀肥。

3 結論

3.1 對蚯蚓的日增重倍數、日繁殖倍數的分析表明，可直接接種赤子愛勝蚓處理造紙污泥，但與其他處理相比，以E4處理（50％造紙污泥+50％培養基質+蚯蚓）最利于蚯蚓的生長；在堆制15～30d內，各處理的蚯蚓日繁殖倍數均顯著增加，但以E2處理（75％造紙污泥+25％培養基質+蚯蚓）最利于蚯蚓的繁殖。

3.2 對堆制產物（蚯蚓糞）的化學特性分析表明，各處理的pH值均有降低并呈弱堿性，均在7.7～7.9之間；E2、E1（100％造紙污泥+蚯蚓）、E3（60％造紙污泥+40％培養基質+蚯蚓）各處理中蚯蚓糞VS（揮發性固體）均在15～30d內下降最快，說明15～30d是蚯蚓堆制造紙污泥的快速穩定期；各處理有機質含量均顯著下降，降幅在11％～22％；與堆制之初相比，E1處理含氮量略有降低，但差異不顯著，E2、E3、E4處理含氮量均比堆制初高，其中E2、E4各顯著增加9％、5％；與初始基質相比，除E1堆制產物中的全磷顯著增加了48％，其余3個處理都大幅下降，且差異顯著；與初始基質相比，除E1堆制產物中的全鉀顯著增加了11％，其余3個處理都大幅下降，且差異顯著。

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