蚓糞污泥特性及其資源化利用前景

劉 靜， 畢東蘇， 周 豫

（上海應用技術學院化學與環境工程學院，上海 201418）

蚓糞污泥特性及其資源化利用前景

劉 靜， 畢東蘇， 周 豫

（上海應用技術學院化學與環境工程學院，上海 201418）

蚯蚓攝食消化污水廠剩余污泥后排泄的蚓糞污泥具有重要的生態和經濟利用價值.從蚓糞污泥的物理化學性質、微生物特性、抗菌活性、植物營養組分及生長調節激素等方面介紹了有關蚓糞污泥特性的最新研究進展，并通過分析國內外對蚓糞污泥產品的研發情況及資源化利用前景，提出深入研究蚓糞污泥的生化作用機理、拓寬蚓糞污泥應用范圍、制定蚓糞污泥的相關施用標準和規定，以及構建蚓糞污泥生態產業鏈，將是實現蚓糞污泥循環經濟協調發展的重要手段.

蚓糞污泥；物理化學性質；微生物特性；資源化利用；生態產業鏈

生活污水處理廠在實現污水凈化的同時產生了大量的剩余污泥，由于污泥中含有許多易于生物利用和轉化的碳、氮元素和營養物質，常被認為是一種錯放的資源［1］.蚯蚓生態處理污泥是利用蚯蚓和微生物的協同作用實現污泥穩定化處理的一類生態型污泥處理技術.蚯蚓可將污泥中的有機質轉化為易于被植物吸收的各種營養成分，排出具有抗菌活性和生物穩定性的蚓糞，從而涉及到重建物質再循環的過程.蚓糞污泥是指蚯蚓攝食消化剩余污泥后排出的蚓糞和污泥混合物［2］.盡管研究學者普遍認為蚓糞具有重要的土地資源化利用價值，但是對蚓糞污泥生化特性和利用途徑的報道卻相對較少.本文主要概述了國內外蚓糞污泥特性和資源化利用途徑的最近進展，以期為蚯蚓生態處理污泥技術最終產物（蚓糞污泥）的資源化利用和實現循環經濟再生產提供理論依據和優化建議.

1 蚓糞污泥特性

1.1 物理化學性質

蚓糞污泥是一種多孔狀的細碎類物質，具有良好的吸附性、通氣性和排水性［3-4］，其掃描電鏡圖（SEM）如圖1所示.Yang等［5］發現，蚯蚓攝食活動可將復雜有機物轉化成小分子有機酸，使蚓糞污泥p H值較原污泥更低、生物穩定性更高.蚯蚓活動也能增加污泥的水穩性團聚體含量，改善蚓糞污泥的團聚性能［6］.Hait等［7］研究表明，蚯蚓生物處理污泥進程中釋放的氨氮、亞硝酸鹽和磷酸鹽等溶解性鹽類物質使蚓糞污泥的電導率（EC）比原泥增加了35.4%～56.4%.電導率表征的是測試樣品中的鹽分含量.蚓糞污泥中電導率提高的原因可能是蚯蚓及其體內微生物的協同作用致使污泥中的有機物降解，釋放出礦物鹽和無機離子等所致［8］.另一方面，蚯蚓自身也可以通過生理排泄和黏液分泌等活動產生鹽類物質［9］.另外，蚯蚓分泌物的絡合／鰲合作用也能夠降低污泥中重金屬Cu、Pb、Zn和Cd的不穩定態含量和潛在遷移指數，并通過增加穩定態重金屬的含量，提高蚓糞污泥在環境中的穩定性［10］.Khwairakpam等［11］也報道了蚯蚓處理后的污泥浸出液毒性明顯減少，其重金屬含量能夠滿足土地回用標準.

圖1 蚓糞污泥的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of the vermicast sludge

1.2 微生物特性

微生物個體小、比表面積大、代謝活性強，能夠在生態環境的物質循環和轉化中起決定作用.蚯蚓排泄的蚓糞中含有一定數量的細菌、放線菌和真菌.盡管蚯蚓體內的微生物多來自其生活環境，但蚯蚓消化道及蚓糞中的微生物在種群類別和數量等方面都有別于蚯蚓所取食的物質［12］，這是因為，蚯蚓覓食、黏液分泌和蚓糞排泄等活動能夠顯著改變基質的物理化學性質、激活或抑制某類微生物種群［13］.由于蚯蚓腸道分泌物中富含易被微生物消化和吸收的氨基酸、多糖類和生物酶等成分，使得蚓糞中的微生物數量往往高于蚯蚓的攝食對象，如土壤和污泥等［12，14］.Li等［15］通過構建16S r DNA克隆文庫的方法發現，蚯蚓腸道內的微生物群落與其攝食的剩余污泥之間存在相互作用.Liu等［16］借助聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術發現，蚓糞污泥具有較高的微生物多樣性，其優勢微生物種群為Flavobacterium、Myroides和Aeromonas.其中，Flavobacterium和Myroides對碳、氮、磷的分解和轉化具有積極作用，而Aeromonas是一種重要的產酶微生物，可與其他產酶微生物共同作用提高蚓糞污泥中的蛋白酶、脂肪酶和α-淀粉酶的活性［17］.這些具有重要生態功能的微生物能夠促進有機質礦化，合成葡萄糖、氨基酸和纖維素等具有生物活性的物質，從而賦予蚓糞污泥特殊的生化特征.

1.3 抗菌活性

蚯蚓生活的環境中充滿了各種各樣病原微生物.蚯蚓在長期進化過程中形成一套針對各類病原菌的有效防御和免疫機制.在蚯蚓體液和蚓糞中含有包括凝集素、抗菌蛋白和溶菌酶，以及氨類、有機酸、過氧化氫酶等代謝產物在內的特定抗菌物質［18］，以及對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見細菌和露濕漆斑菌、總狀毛霉等真菌具有廣譜抗菌能力的抗菌肽［19］.Sinha等［20］報道，蚯蚓能夠通過促進某些分泌抗生素的微生物生長，抑制或殺死固廢中的病原微生物.Arora等［21］在蚓糞中分離到的放線菌Streptomyces和Micromonospora對金黃色葡萄球菌也具有一定的抗菌活性.胡艷霞等［22］也從蚓糞中分離出球孢鏈霉菌（Streptomyces globisporis）和丁香苷鏈霉菌（Streptomyces syringini）兩種具有較強拮抗活性和范圍的拮抗微生物.陳浩［23］在蚓糞中分離出的8株芽孢桿菌屬（Bacillus）和4株鏈霉菌屬（Streptomyces）不僅對病原菌具有較好的廣譜拮抗作用，同時還具有不同程度的體外促生能力.此外，蚯蚓能減輕由病原真菌引起的植物病害，是由于真菌細胞壁的主要組成成分為幾丁質（甲殼素），而蚯蚓消化道內具有降解幾丁質的消化酶，使真菌菌絲通過蚯蚓消化道后被破壞［12］.因此，蚓糞也能夠通過富集幾丁質鏈霉菌，有效促進拮抗植物病原真菌的增長［24］.

1.4 營養物質組分

蚓糞污泥不僅富含糖類、蛋白質、脂肪和腐植酸等有機質，也含有硝酸鹽、可交換磷、可溶性鉀、鈣、鎂等易于被植物吸收的營養組分.鐵、錳、銅、鋅和硼等植物必需的微量元素也頗為齊全［25］.這些營養物質具有促進植物根系發育、作物生長和提高作物產量的作用.另外，由于蚓糞能夠顯著增加土壤溶解性碳、堿解氮和速效磷的含量，提高土壤的微生物碳和氮含量，使微生物量碳氮和酶活性顯著增強（P＜0.05）［26］.因此，蚓糞的合理施用對增加土壤養分含量和促進番茄、油菜和玉米等農作物的生長具有積極作用.Arancon等［27］研究表明，蚓糞中的腐植酸不僅是維持土壤酸堿平衡的重要物質，也是植物和微生物的必要營養物質，能夠促進玉米、大豆和其他谷物的生長.陳學民等［28］研究發現，蚓糞污泥中的總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）含量較原污泥有顯著增加.其原因一方面是由于蚯蚓與微生物的協同作用能夠加速有機氮和有機磷的礦化和分解，另一方面則是微生物及蚯蚓體內分泌的各種酶類物質的產酸作用也會引起鉀含量的增加［29］.故蚓糞污泥中的微生物代謝活動也能夠促進碳、氮物質循環，具有提高蚓糞污泥肥力和營養物質含量的重要作用［16］.

1.5 植物生長調節激素

眾多研究學者發現，蚓糞對促進根系生長、植株發育和提高植物品質具有積極作用.早期研究認為，蚓糞中含有的吲哚乙酸、赤霉素和細胞分裂素等多種天然植物生長調節激素是促進種子發芽和植物生長的重要原因.王斌等［9］研究也證實，蚓糞中的赤霉素（GA3）相對于對照土壤增幅達到35%～114%，而吲哚乙酸（IAA）的增幅則為78%～236%.其原因可能是蚯蚓腸道內的微生物及相關酶把蚯蚓食物中的植物激素前體物質轉化成了植物激素.也有最新研究表明，這些植物激素是由蚯蚓腸道或蚓糞中的產激素類微生物釋放出來的［30］.另外，蚓糞中的腐植酸類物質也能夠通過形成激素—腐植酸結合體的形式，影響植物的營養吸收和蛋白合成，促進植物生長發育和提高作物品質.蚓糞富含的谷氨酸、天門冬氨酸和纈氨酸等多種氨基酸既是產激素微生物的重要營養物質來源，又是影響微生物代謝活性的重要因素，也能夠通過直接或間接作用影響植物的新陳代謝，促進植物的生長發育.

2 蚓糞污泥的資源化利用途徑

2.1 高效生物有機肥

蚓糞作為一種高效生物有機肥已在農業生產上得到廣泛應用，是因為蚓糞具有獨特的物化性質和微生物區系，富含多種植物營養元素和生長激素，并對植物病原微生物具有很好的抗菌活性，具有促進作物生長，增加產量和改善作物品質的顯著效果［25］.此外，生活污水廠的剩余污泥經蚯蚓攝食消化后產生的蚓糞污泥具有較高的生物穩定性，其重金屬含量遠低于國家土地農用標準，可以放心施用.因此，經過適當加工和處理后的蚓糞污泥可以作為園林綠化和生產綠色無公害蔬菜的首選生物有機肥料，具有廣闊的生產應用前景.

2.2 優質育苗基質

基于蚓糞比表面積大、孔隙度高，富含各類營養物質、植物生長激素和抗菌活性物質等特點，國內外研究學者對蚓糞在育苗基質上的資源化利用做了大量研究［31-32］.研究發現，以蚓糞為主要成分的營養基質，能夠有效改良土壤結構，抑制土傳病蟲害，對茄子、黃瓜和辣椒等蔬菜幼苗和康乃馨、萬壽菊和一串紅等花卉幼苗的生長和發育具有顯著促進作用.蚓糞污泥的生物理化特性能夠促進植物種子發芽和根系生長，表明其在作為優質育苗基質材料方面具有巨大發展潛力.

2.3 土壤改良劑

蚓糞污泥也可以作為土壤改良劑改善土壤的理化性質、增強土壤微生物多樣性和促進植物生長.申雪慶［33］發現，在鹽堿化土壤中施入蚓糞污泥不僅能夠降低土壤p H、堿化度和鈉吸附比，增加微生物數量，而且可以顯著增強鹽堿地的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性，提高土壤的速效氮、磷和鉀含量.袁紹春等［34］研究表明，蚓糞污泥富含氮、磷、鉀等植物養分、病原菌含量較低，重金屬含量低，符合中國土地改良控制標準，可作為土壤改良劑用于堿性或貧瘠土壤改良.Kwon等［35］利用蚯蚓處理城市污泥和廢牡蠣殼產生的蚓糞污泥，其水分含量、p H值、鹽度、有機碳、氮、磷和重金屬等均符合韓國環境部制定的土地施用標準.把該蚓糞污泥產品投加到土壤中后，能夠通過緩慢釋放有機質，提高土壤為植物輸送養分的能力，改善土壤的通氣性和排水性，也適合應用到酸性或退化土壤的土質改良.

2.4 重金屬污染修復劑

蚯蚓活動能夠對污泥中的重金屬產生深遠影響［36］（見圖2）.一方面，蚯蚓腸道分泌的酚氧化酶可將有機質縮合形成具有羧基和羰基等多種官能團的腐殖質，提高蚓糞的腐殖化程度［37］，使其與重金屬發生絡合反應，改變重金屬的生物有效性和活性.另一方面，蚓糞中富含的多種微生物對重金屬的生物吸附、富集和沉淀等行為也會降低重金屬的生物有效性.Maity等［38］研究證實，蚯蚓處理重金屬Zn和Pb污染的土壤后排出的蚓糞中二乙烯三胺五醋酸-鉛（DTPA-Pb）和二乙烯三胺五醋酸-鋅（DTPA-Zn）的含量顯著降低.因此，富含腐殖質和各種微生物種群的蚓糞污泥具有修復重金屬污染土壤的潛力，可作為重金屬污染修復劑做進一步的研究與開發.改善污泥絮凝效果［42］.隨著人們對蚓糞污泥生化特性的深入了解，蚓糞污泥作為一種新型吸附劑和微生物接種源在污水和廢氣的生物治理領域將具有更加廣泛的應用前景.

圖2 蚯蚓活動對污泥中重金屬的影響示意圖Fig.2 Schematic diagram of impacts of earthworms on heavy metal in sewage sludge

圖3 蚓糞污泥的生態產業鏈示意圖Fig.3 Schematic diagram of the vermicast sludge eco-industrial chain

3 蚓糞污泥的生態產業鏈構建

循環經濟是國際社會推進可持續發展戰略的一種優選模式，強調最有效地利用資源和保護環境，以最小成本獲取最大的經濟、社會和環境效益.依據循環經濟理念，構建“蚯蚓生態處理污泥—蚓糞污泥資源化利用—生態環保產業”的蚓糞污泥生態產業鏈是實現經濟、社會和環境效益協調發展的重要手段（見圖3）.蚓糞污泥生態產業鏈的關鍵環節體現在3個方面：一是蚓糞污泥的批量生產和收集，這是實現蚓糞污泥循環經濟發展的關鍵；二是將蚓糞污泥轉化為高附加值產品的技術支持，這是實現蚓糞污泥資源化利用的關鍵，也是蚓糞污泥生態產業鏈附加值的主要來源；三是蚓糞污泥生產企業與環保部門的合作組織建設.在產業鏈上游，該組織能夠增強蚓糞污泥產品的研發和擴展資源化利用途徑；而在產業鏈下游，該組織又能夠把蚓糞污泥產品同生態環保產業連接在一起，為蚓糞污泥產品的推廣和應用提供規模化供應，發揮政策扶持、運營模式和信息資源共享對產業鏈的優化和調整.

4 結論與展望

本文從物理化學性質、微生物特性、抗菌活性、植物營養組分和生長調節激素等方面介紹了蚓糞污泥特性的最新進展，研究表明，蚓糞具有較高的孔隙率和比表面積、污泥團聚性能高，富含易于被微生物和植物吸收的有機質和氮磷鉀等營養組分、能夠通過富集具有特定生態功能的微生物種群提高蚓糞污泥的肥力和營養物質含量、促進植物根系和拮抗植物病原菌的生長，降低重金屬的生物有效性.盡管蚓糞污泥特性優良，具有較高的資源化利用價值，但其產業化應用僅在生物有機肥和育苗基質兩個領域有所體現，在土壤改良劑、重金屬污染修復劑和污水廢氣處理新材料等領域的應用尚在起步階段.進一步研究蚓糞污泥的生化作用機理、拓寬其應用范圍、制定相關施用標準和規定，構建蚓糞污泥生態產業鏈，將是實現蚓糞污泥循環經濟協調發展的重要手段.

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（編輯 呂丹）

Characteristics and Prospects of Vermicast Sludge for Resource Utilization

LIU Jing， BI Dong-su， ZHOU Yu
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Vermicast sludge，the fecal of earthworms fed on sewage sludge，has important ecological and economic value.An up-to-date review of the characteristics of vermicast sludge was provided，including physicochemical properties，microbiologic properties，antimicrobial activity，plant nutrient composition and growth regulating hormones，and the research and development situation and resource utilization prospects of vermicast sludge products were analyzed.Furthermore，the biochemical mechanism of indepth research into vermicast sludge was proposed，for the sake of broadening the scope of application of vermicast sludge，formulating standards and regulations related to the administration of vermicast sludge products，and constructing vermicast sludge eco-industrial chain，which was also proved as an important means for the realization of coordinated development of vermicompost economic cycle.

vermicast sludge；physicochemical properties；microbiologic properties；resource utilization；eco-industrial chain

X 705

A

1671-7333（2015）01-0049-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.008

2014-07-27

中央財政支持地方高校發展專項基金（城市安全工程學科）；上海市高校青年教師培養基金資助項目（ZZyy14002）；上海應用技術學院引進人才基金資助項目（YJ2014-29）；上海應用技術學院大學生創新基金資助項目（DCX2014039）

劉 靜（1981-），女，講師，博士，主要研究方向為水污染控制和微生物技術.E-mail：liujing_sit＠163.com