廢紙脫墨污泥蚯蚓生物處理效應(yīng)

2014-11-15 21:39:47李恒

江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期

摘要：探討采用大平2號(hào)蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的最佳工藝條件、污泥重金屬和肥效等變化，以及蚯蚓對(duì)污泥重金屬的吸收或富集作用，結(jié)果表明，在脫墨污泥 ∶大豆秸稈 ∶稻殼（大豆秸稈、稻殼為輔料）質(zhì)量比為100 ∶1 ∶1 條件下，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳培養(yǎng)時(shí)間為30 d，最佳蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥；最佳工藝條件下，蚯蚓生物處理污泥Cu、As的去除率分別達(dá)到43%、57%，污泥全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量分別上升25%、75%、10%；蚯蚓對(duì)于污泥中Cu的吸收系數(shù)K=0.47，對(duì)As的富集系數(shù)K=1.73，蚯蚓對(duì)脫墨污泥中重金屬的去除能力As>Cu。

關(guān)鍵詞：脫墨污泥；蚯蚓；重金屬；肥效；富集作用

中圖分類號(hào)： X793文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0358-03

收稿日期：2013-11-19

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：BE2012427）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程。

作者簡(jiǎn)介：李恒（1989—），男，江蘇無錫人，碩士，從事造紙工業(yè)固體廢棄物的資源化利用研究。E-mail：liyuheng1989@126.com。

通信作者：龍柱，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事制漿造紙技術(shù)、纖維功能材料和生物資源綜合利用研究。E-mail：longzhu@jiangnan.edu.cn。廢紙資源的循環(huán)利用是我國(guó)造紙工業(yè)發(fā)展的一大特色，廢紙?jiān)旒埖呐d起推動(dòng)了我國(guó)造紙工業(yè)的快速發(fā)展；但是，從目前我國(guó)造紙生產(chǎn)的運(yùn)行情況及環(huán)境保護(hù)角度來看，造紙工業(yè)主要固體廢棄物——廢紙脫墨污泥的無害化處理與資源化利用是造紙工業(yè)亟待解決的重大問題。據(jù)中國(guó)造紙協(xié)會(huì)調(diào)查資料顯示，2012年全國(guó)紙漿生產(chǎn)總量為7 867萬t，其中，廢紙漿5 983萬t，較2011年增長(zhǎng)5.71%[1]。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全國(guó)廢紙脫墨污泥的產(chǎn)量為200萬～250萬t。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求越來越高，廢紙循環(huán)利用的比例進(jìn)一步增大，廢紙脫墨污泥的產(chǎn)量也將會(huì)更加巨大。目前，對(duì)廢紙脫墨污泥的處理主要是堆積填埋和焚燒。堆積填埋的缺點(diǎn)是占用大量土地、不能根治污染；焚燒處理的缺點(diǎn)是投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高，易產(chǎn)生尾氣污染[2]。Hartenstein最早提出的蚯蚓生物處理技術(shù)具有成本低廉、二次污染少等特點(diǎn)，可以有效降低污泥中重金屬含量，提高污泥肥效，使處理后的脫墨污泥可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)污泥的“減量化、無害化、資源化”[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用蚯蚓生物處理造紙污泥的研究已有少量報(bào)道。劉鴻雁等對(duì)蚯蚓生物處理竹漿造紙污泥后污泥的肥效和重金屬Pb、Zn、Cu的變化進(jìn)行了研究[4]；李丹等研究了蚯蚓生物處理造紙活性污泥過程中蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖情況[5]；Banu等對(duì)生物處理造紙廢水污泥的蚯蚓種類及接種密度進(jìn)行了研究[6]。對(duì)于利用蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的研究還未見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)對(duì)大平2號(hào)蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的最佳工藝條件、污泥重金屬和肥效等變化，以及蚯蚓對(duì)污泥重金屬的吸收或富集作用等進(jìn)行研究，為蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

廢紙脫墨污泥來自廣西某造紙廠，利用100%廢紙生產(chǎn)新聞紙，所用廢紙由85%的8#美國(guó)廢紙和15%的10#美國(guó)廢紙組成。供試的蚯蚓品種為日本大平2號(hào)蚯蚓，購(gòu)于無錫市某養(yǎng)殖場(chǎng)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥最佳培養(yǎng)時(shí)間和最佳蚯蚓投放量的單因素試驗(yàn)（1）最佳培養(yǎng)時(shí)間：將蚯蚓放于裝有脫墨污泥的花盆中，置于陰暗處培養(yǎng)，每個(gè)花盆中污泥重量為500 g，蚯蚓投放量為 20 g，培養(yǎng)時(shí)間分別設(shè)定為15、30、60 d；（2）最佳蚯蚓投放量：設(shè)置3個(gè)不同的蚯蚓投放量，蚯蚓和污泥的質(zhì)量比分別為1 ∶50、1 ∶25、1 ∶12.5，即每500 g脫墨污泥中分別投放10、20、40 g蚯蚓，培養(yǎng)時(shí)間為30 d。培養(yǎng)溫度均為25～30 ℃，污泥濕度均為70%～85%[7]。根據(jù)蚯蚓生物分解脫墨污泥重金屬去除效果，確定最佳的培養(yǎng)時(shí)間和蚯蚓投放量。

1.2.2蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥添加輔料對(duì)照試驗(yàn)在原始脫墨污泥中添加輔料，輔料為大豆秸稈和稻殼，輔料與污泥質(zhì)量比為：脫墨污泥 ∶大豆秸稈 ∶稻殼=100 ∶1 ∶1，培養(yǎng)時(shí)間和蚯蚓投放量根據(jù)單因素試驗(yàn)得到的最佳培養(yǎng)時(shí)間和最佳投放量進(jìn)行設(shè)定。

1.3測(cè)定方法與儀器

污泥和蚯蚓金屬含量參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，采用原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；污泥有機(jī)質(zhì)、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、pH值測(cè)定方法參考土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[10]。

試驗(yàn)儀器包括原子吸收分光光度計(jì)（美國(guó)Varian公司，型號(hào)Spectr AA-220/220Z）、元素分析儀（德國(guó)Elementar公司，型號(hào)Vario ELⅢ）、可見光分光光度計(jì)（日本島津公司，型號(hào)UV-2450）等。

2結(jié)果與分析

2.1不同培養(yǎng)天數(shù)和蚯蚓投放量對(duì)廢紙脫墨污泥產(chǎn)金屬的去除效果

廢紙脫墨污泥是廢紙?jiān)诟∵x脫墨過程中形成的固體廢渣。本試驗(yàn)脫墨污泥中主要含有8#美國(guó)廢舊報(bào)紙中的填料和涂料以及10#美國(guó)廢舊雜志紙中的顏料、膠黏劑、助劑等，另外還含有細(xì)小纖維、短纖維、粗渣、油墨粒子和雜質(zhì)等。由表1可見，農(nóng)用污泥中As含量控制標(biāo)準(zhǔn)超過酸性土壤和堿性土壤，Cu含量控制標(biāo)準(zhǔn)超過了酸性土壤，As和Cu是污泥主要的污染控制源。表1脫墨污泥中重金屬含量與農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)（GB 4284—1984）

名稱含量（mg/kg）CuZnNiCrPbCdAsHg農(nóng)用污泥控制標(biāo)準(zhǔn)269328402142350.06114-酸性土壤控制標(biāo)準(zhǔn)2505001006003005755堿性土壤控制標(biāo)準(zhǔn)5001 0002001 0001 000207515endprint

由圖1可見，在0～30 d內(nèi)，脫墨污泥中重金屬Cu和As的含量逐步減少，30 d時(shí)Cu和As的含量降至最低，這主要是由蚯蚓對(duì)脫墨污泥的攝食及其體表對(duì)重金屬的被動(dòng)擴(kuò)散吸收[11]所致；在30～60 d內(nèi)，污泥中重金屬Cu和As均有小幅增加，這可能是由于蚯蚓的排泄等所致，使蚯蚓吸收污泥中的重金屬重新轉(zhuǎn)移到脫墨污泥中。因此，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳培養(yǎng)時(shí)間為30 d，此時(shí)，脫墨污泥中重金屬Cu和As的去除率分別高達(dá)37%和51%。

由圖2可見，隨著蚯蚓投放量的增大，脫墨污泥中重金屬Cu含量先減小再增大；在蚯蚓投放量為20 g時(shí)，脫墨污泥中重金屬Cu含量降至最低；當(dāng)蚯蚓投放量繼續(xù)增大，重金屬Cu含量反而升高，這可能是由于過多的蚯蚓投放量導(dǎo)致蚯蚓的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)劇烈，蚯蚓吸收重金屬Cu的能力下降；隨著蚯蚓投放量的增加，重金屬As含量逐步降低，蚯蚓投放量為20～40 g 時(shí)，脫墨污泥中重金屬As的去除效果無明顯差異。因此，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥，此時(shí)，蚯蚓對(duì)污泥中重金屬Cu和As的去除效果最好。

2.2蚯蚓生物處理脫墨污泥中添加輔料對(duì)重金屬的去除效果

大豆秸稈和稻殼中富含N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，通過在脫墨污泥中添加一定量的大豆秸稈和稻殼，不僅可以調(diào)節(jié)污泥的碳氮比例（C/N），促進(jìn)蚯蚓生長(zhǎng)繁殖[12]，還可以調(diào)節(jié)污泥中水分含量和透氣性，使蚯蚓在脫墨污泥中的生存環(huán)境得以改善。由圖3可見，脫墨污泥中添加大豆秸稈和稻殼后，污泥中重金屬Cu、As的去除率分別高達(dá)43%、57%，處理效果均高于未添加輔料的，這與Lee的研究結(jié)果一致[13]。

由表2可見，通過蚯蚓+輔料生物處理脫墨污泥，脫墨污泥中的TN、TP、TK含量均有不同程度增加，增長(zhǎng)幅度分別為25%、75%、10%，含量均高于國(guó)家一級(jí)土壤養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)，污泥肥效增加的主要原因是蚯蚓有著豐富的酶系統(tǒng)，通過蚯蚓與微

生物的共同作用，可以促進(jìn)污泥中N、P的轉(zhuǎn)化，蚯蚓排泄的蚯蚓糞中富含蛋白質(zhì)、磷脂等有機(jī)養(yǎng)分[14]，另一個(gè)原因是大豆秸稈和稻殼的加入，增加了污泥中TN、TP、TK的總量；污泥中有機(jī)質(zhì)含量有所降低，這主要是由于蚯蚓的生物分解作用，使污泥中的有機(jī)碳向無機(jī)碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化，小分子有機(jī)和無機(jī)氣體會(huì)不斷排出[15]；污泥pH值變化不明顯，pH值由處理前的7.7增加至7.9，這可能是由于蚯蚓消化道產(chǎn)生了一定量的氨、蚯蚓體內(nèi)鈣腺還會(huì)分泌一定量的碳酸鈣 [16]所致。

2.3蚯蚓對(duì)脫墨污泥重金屬的吸收或富集作用

根據(jù)蚯蚓體內(nèi)重金屬含量濃度與脫墨污泥中重金屬含量濃度比值K的大小，可以分析蚯蚓對(duì)脫墨污泥中重金屬的吸收或富集能力。當(dāng)K小于等于1時(shí)，稱其為吸收系數(shù)，說明蚯蚓對(duì)某種重金屬有吸收作用，但是沒有富集作用；當(dāng)K大于1時(shí)，稱其為富集系數(shù)，說明蚯蚓對(duì)某種重金屬有吸收富集作用[17]。對(duì)添加輔料的脫墨污泥進(jìn)行蚯蚓生物處理試驗(yàn)，試驗(yàn)前蚯蚓體內(nèi)重金屬Cu和As的本底值分別為25 mg/kg和 53 mg/kg，試驗(yàn)結(jié)束后蚯蚓體內(nèi)Cu和As含量分別為 72 mg/kg 和85 mg/kg。經(jīng)計(jì)算，蚯蚓對(duì)重金屬Cu的吸收系數(shù)K=0.47（<1），只具有吸收作用，不具有富集作用，這說明蚯蚓可能會(huì)在吸收重金屬Cu的過程中，當(dāng)Cu濃度超過其耐受極限后，會(huì)把一部分Cu排出體外；蚯蚓對(duì)于重金屬As的富集系數(shù)K=1.73（>1），不僅具有吸收作用，還可以通過其消化系統(tǒng)富集重金屬As，這說明蚯蚓對(duì)于As有很高的耐受極限，As可以在蚯蚓體內(nèi)不斷累積，蚯蚓對(duì)As有更好的吸收富集作用。

3小結(jié)

在培養(yǎng)時(shí)間為30 d、蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥的試驗(yàn)條件下，利用日本大平2號(hào)蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥（添加一定量輔料），蚯蚓對(duì)污泥中Cu、As的去除率分別達(dá)到43%、57%，污泥中超標(biāo)重金屬Cu、As含量均能符合國(guó)標(biāo)（GB 4284—1984）要求；處理后污泥肥效有所增加，TN、TP、TK增幅分別為25%、75%、10%，其含量均高于國(guó)家一級(jí)土壤養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)；蚯蚓對(duì)Cu的吸收系數(shù)K=0.47，對(duì)As的富集系數(shù) K=173，蚯蚓對(duì)脫墨污泥中重金屬As的去除能力大于Cu。

利用蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥，不僅可以降低脫墨污泥對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以把處理后的污泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，作為有機(jī)肥料使用，變廢為寶，這為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，為造紙工業(yè)主要固體廢棄物——廢紙脫墨污泥的處理處置和資源化利用提供了經(jīng)濟(jì)、便捷、有效的途徑。

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