超聲波對污泥蚯蚓堆肥有機質和重金屬的影響

鄭西朋,曹洲榕,陳 鈺,楊順生*

?

超聲波對污泥蚯蚓堆肥有機質和重金屬的影響

鄭西朋1,曹洲榕2,陳 鈺3,楊順生1*

(1.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031；2.成都市興蓉環境股份有限公司 四川 成都 610040；3.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川 成都 610031)

聯合超聲波破解技術、好氧堆肥技術及蚯蚓處理技術,對污水處理廠剩余污泥進行處理,探討超聲波預處理對污泥蚯蚓堆肥有機質降解和重金屬的影響.結果表明:超聲波預處理技術對污泥腐殖化程度表現出協同效應,最優TOC反應動力學常數為0.0084d-1,是對照組的2.1倍;胡敏酸和HA/FA平均增長率分別為97.4%和191.5%,是對照組的1.26倍和1.37倍;可輕度減少污泥堆體重金屬含量,同時對蚯蚓處理階段重金屬富集存在緩減效應,但對各階段重金屬形態影響不顯著;蚯蚓處理可明顯降低重金屬生物有效性,至處理結束Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非穩定態平均占比較好氧堆肥結束時下降28.3%、29.5%、29.1%、35.2%、3.3%、25.3%、36.4%、21.9%.

超聲波；污泥預處理；蚯蚓處理；腐殖化；重金屬

隨著人口增加和城市擴張,生活污水廠剩余污泥的二次污染問題越來越受到業界廣泛關注[1-3].而農業利用作為一種污泥資源化利用途徑,受到普遍接受和認可[4-6].通過單一或組合技術生產堆肥產品是實現污泥農用的一條有效途徑.

如何生產優質高效的堆肥產品成為諸多學者研究的重點,提升堆肥效果的研究主要包括:一是通過外加碳源提升C/N,如秸稈[7-8]、菌渣[8]、蔗糖[9]等;二是通過外加調理劑或緩沖劑改善污泥堆體特性,如生物炭[10-11]、石灰[11-12]、沸石[13]等;三是通過聯合堆肥技術,如蚯蚓堆肥技術[14-15],好氧堆肥階段可實現污泥的無害化處理和有毒化合物的消除,后續蚯蚓處理可以降低污泥C/N,提高營養物質的有效性.然而以上研究多集中于考慮外源物質添加對堆肥效果的影響,對于通過提升污泥內源物質可生化性,提升污泥堆肥效率和堆肥產品肥效研究較少.

超聲波預處理污泥技術,通過擊破微生物的細胞壁,導致胞外聚合物(EPS)溶出,提升污泥可生化性,能夠加快水解和發酵速度[16],因此該技術被應用于改善污泥性狀,為微生物生長提供優質碳源,從而達到改善污水脫氮除磷效果的目的[17-19].研究表明,超聲波預處理污泥可顯著增加污泥溶解性有機物,從而增強厭氧消化反應器處理能力[16-17].然而,超聲波預處理技術對污泥好氧堆肥和蚯蚓處理技術的單一和聯合處理的影響研究仍然缺乏.

本研究以城市生活污水處理廠剩余污泥為研究對象,耦合超聲波破解技術、好氧堆肥技術及蚯蚓處理技術對污泥進行減量化、穩定化和無害化處理,研究3種技術的協同作用下,超聲波預處理技術對好氧堆肥及蚯蚓處理的促進作用,以及對污泥腐殖化水平、重金屬的含量變化(Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、Hg、As)及其化學形態的變化規律和相關機理的影響,以期加速污泥處理效率和腐殖化水平,提高污泥源肥料穩定性和肥效,提升污泥資源化產品品質,從而為剩余污泥的資源化處理提供一條新途徑.

1 實驗材料

1.1 實驗材料

試驗污泥取自成都市第五污水處理廠濃縮池,含水率為97.4%,污泥預處理后采用SS2002型離心機脫水,轉速為2800r/min.采集污泥存儲于4℃冰箱備用,5d內完成檢測和實驗.試驗采用秸稈作調理劑,使用前晾干,并粉碎成粉末狀,含水率為9%.選用的蚯蚓為赤子愛勝蚓(),購自成都市某蚯蚓養殖場.

1.2 好氧堆肥和蚯蚓處理裝置

圖1 蚯蚓堆肥反應器

污泥好氧堆肥和蚯蚓處理反應器呈長方體狀,長45cm,寬17cm,高31cm,有效容積約17.5L,反應器采用PVC材料制成,頂部加蓋,頂部、底部和側壁設有通氣口如圖1所示,底部設蓄水盤,收集反應器中的滲濾液.

1.2 實驗方法

1.2.1 超聲波預處理污泥 采用成都九州超聲波公司的超聲波設備,功率3000W,頻率20kHz,有效容積約25L.該設備處理污泥時,從上部進料,下部出料.通過預處理實驗控制污泥擊破率為5%左右,實驗方法參照文獻[4,20].

1.2.2 污泥蚯蚓堆肥試驗 研究不同超聲波破解污泥投配比例對污泥堆肥和蚯蚓處理的影響,共設4個處理組(含對照組),如表1所示,其中第1~4組超聲波預處理污泥投配比例分別為0%、20%、60%和100%,每個組別設置3個重復.采用秸稈粉調節污泥含水率和C/N,秸稈的添加量為污泥濕重的15%,混和均勻后分別放入相應的反應器,每個反應器的重量均為19kg.試驗分為2個階段,每個階段均為28d,一共進行56d的試驗:

表1 試驗方案設計

注:脫水污泥(DSS);秸稈粉(WS);超聲波預處理污泥(UPDSS).

表2 主要指標測試方法及采樣頻次

好氧堆肥階段:進行28d堆肥處理,所有的組別均置于室內,放置陰涼處.采用自然通風和人工翻堆通氣,翻堆頻率為每7d一次,同時通過監測反應器內的物料溫度,調節翻堆頻率,使其充分發酵腐熟.

蚯蚓處理階段:待第一階段結束后,各組反應器內溫度降至室溫(25±3)℃附近時,按40g/kg的密度接種蚯蚓,進行28d的蚯蚓處理試驗.監測反應器內的溫度和含水率,通過人工灑水保持堆體含水率在(60±5)%左右(見圖2(e)),達到蚯蚓的生存條件,并定期翻堆(每7d一次)反應器內的污泥,確保蚯蚓和污泥充分接觸.

1.2.3 檢測指標 參照中國《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJ/T221-2005)[21]和中國《土壤農化分析》[22].采用重金屬生物有效性BCR三步連續分級提取法[23],對污泥樣品中的重金屬形態進行分級測定,主要包括弱酸提取態 (F1),可還原態(F2),可氧化態(F3),殘渣態(F4)4種形態.主要測試方法及采樣頻次見表2.

2 實驗結果及討論

2.1 基本屬性變化

2.1.1 溫度、電導率(EC)、pH值、有機質、含水率和蚯蚓生物量變化 對于好氧堆肥,溫度是堆肥無害化效果評價、堆肥腐熟度、影響微生物活動和堆肥工藝過程中的重要參數,因此溫度的高低決定有機物分解速度的快慢,是堆肥反應和堆體內微生物活性的最直接體現[2].由圖2(a)可知,堆體溫度均經歷了升溫階段(0~2d)、高溫階段(3~10d)和降溫階段(11~28d)3個階段,其中最高溫度為60.7℃,4個組別中溫度變化規律并未產生明顯差異,均呈現先增大后減小直至平穩.相較于對照組1,添加超聲波預處理污泥組別,能夠更快進入高溫期,且與超聲波預處理投配比例正相關,同時具有較長的高溫期維持時間.同時隨超聲波污泥投配比例增加,反應器升溫速率呈上升趨勢,這與堆肥反應的初期嗜溫微生物(包括真菌、細菌和放線菌)較為活躍有關.嗜溫微生物主要利用物料中易分解的簡單有機物(糖類和淀粉等)進行代謝活動,并釋放出熱量.而超聲波預處理污泥溶出的EPS屬于易分解有機物[16].圖2(b)和圖2(c)中,污泥中EC和pH值隨時間變化呈現反向趨勢,在好氧堆肥階段(1~28d)各堆體pH值呈現先降后升趨勢,而EC呈現先升后降趨勢.而隨蚯蚓對污泥的不斷生物處理,污泥中pH值呈現下降趨勢.溫度和EC均在第7d左右出現極大值,而pH值在第14d左右出現極小值,相對而言在堆肥初期,pH值出現極值時間滯后于堆體溫度和EC.圖2(d)中,污泥經過好氧堆肥后,大量的有機質被分解,各試驗組的有機質含量,隨著堆肥的進行而降低;平均降解率達到17.13%,堆肥過程中有機質的降解主要發生在前期(第1~14d),平均降幅達到13.71%.超聲波預處理組別在第7d后有機質降解速率明顯高于對照組.與有機質變化類似,堆肥階段(1-28d)各試驗組物料含水率由初始的69.7%~73.0%降至50.0%左右,污泥顯著減容,見圖2(e).

在蚯蚓處理階段,pH值變化呈下降趨勢,而EC呈上升趨勢(圖2(b)、(c)).接種蚯蚓后,污泥堆體pH值和EC變化主要因為蚯蚓體表與污泥鹽分交換有關[24-25],蚯蚓通過食道分布的鈣腺,調節堆體酸堿平衡,創造適合生活的環境,同時通過蚯蚓及其體內微生物的活動進一步分解礦化有機質,釋放礦物鹽,從而使堆體EC增加.同時蚯蚓經過28d生長,平均體重由0.40g左右上升至0.50g左右,超聲波組別蚯蚓生物量增幅優于對照組,分別為25.9%和21.8%.

1~4分別代表組別1~4;超聲波污泥投配率分別為0、20%、60%和100%;RT為室溫;1-1,1-28和1-56分別指堆肥初始、第28d和第56d

圖3 TOC隨時間變化

2.1.2 TOC、C/N 由圖3可知,隨時間變化,不同試驗組的有機碳(TOC)均成下降趨勢;從21d開始到堆肥結束,TOC變化緩慢,維持在30%附近,進入相對穩定的階段.C/N也呈下降趨勢,在蚯蚓處理階段下降速率較好氧堆肥階段快(圖4).TOC和C/N下降的原因是蚯蚓活動和微生物在協同作用下(蚯蚓在中期占主導,微生物在前期和后期起主要作用[26]),使有機質不斷分解為二氧化碳揮發所致,由二氧化碳揮發引起的碳損失量可達20%~45%[27-28].此外,蚯蚓的活動會改善反應器中微生物的生存環境,尤其是氧氣的供應,能夠提高微生物種群的生長繁殖和呼吸代謝活動,結合蚯蚓腸道中豐富的酶系統調節微生物的種群結構和生物活性的作用,共同強化了微生物降解有機物的效率;另一方面,好氧微生物活動又有利于提高蚯蚓的吞食量,進而引起蚯蚓的呼吸作用增強消耗了反應器中的碳.

圖4 C/N隨時間變化

2.1.3 TOC變化的動力學分析 蚯蚓反應器內進行著復雜的物質遷移和流動,建立完整的模型較為困難,為此參照文獻[29]將部分過程簡化,采用完全混合間歇式反應器模型推導蚯蚓處理階段TOC反應動力學常數.

式中:為反應速率系數,-1;c為TOC含量,其中0表示初始含量;為反應級數.

結合先前學者的研究[28,30],基于一級反應動力學方程建立相應的模型,以處理前后TOC隨著時間的變化作為參數,積分可得:

式中:c表示在時刻對應的濃度值.

表3 蚯蚓處理反應器模型參數

對比表3中降解速率常數,發現第2組提升速率最優,較對照組提升2.1倍,可推斷投加超聲波預處理污泥可顯著提高蚯蚓處理階段TOC的降解反應速率.

2.2 超聲波預處理對污泥蚯蚓堆肥腐殖化水平的影響

胡敏酸(HA)和富里酸(FA)是腐殖質的重要組成成分,由表4可知,在好氧堆肥和蚯蚓處理后HA呈增長趨勢,FA呈下降趨勢.HA/FA被稱為腐殖化指數,代表著堆肥產品的腐殖化程度,該指標能夠在一定程度上表示堆肥產品腐殖質質量的優劣,一般認為當HA/FA>1.4時,堆肥產品達到腐熟[31].由圖5可知,在好氧堆肥階段HA/FA值上升速度較慢,但在加入蚯蚓處理后,HA/FA值上升速度較快.說明在好氧堆肥階段,在微生物的單獨作用下,HA和FA的變化較為緩慢,腐殖化系數也相對較低,但在加入蚯蚓處理后,它能調節其中的微生物數量、種群和結構,并與之共同對反應器中的有機物質進行分解利用[9,14].這可能是由于簡單的小分子FA存在聚合作用,會形成大分子的固相HA,加之在有機質的降解過程中,低分子量的FA具有相對較高的酸性官能團,水溶性較大,使得FA相較與HA更易被降解,最終導致其含量降低,使得HA/FA比值增大[32].而HA/FA增大,對降低堆肥原料中重金屬的有效性有重要意義[33].

同時由圖5和表4可以看出, 超聲波預處理污泥的投配對HA和HA/FA有較大促進作用,投配預處理污泥組別HA和HA/FA平均增長率分別為97.4%和191.5%,而對照組為77.6%和139.9%.蚯蚓處理后投配超聲波預處理污泥組別HA/FA上升速率顯著高于對照組,結合表4可以見腐殖酸上升差異是造成這一現象的主要原因.

圖5 HA/FA隨時間變化

圖6是污泥掃描電鏡(SEM)照片,觀察污泥在第1, 28, 56d微觀結構,選取有代表性的第1組(CK)和第3組(超聲波預處理)照片.污泥在堆肥初期呈泥水結合較為緊密的團絮狀,好氧堆肥結束后一定程度呈現孔隙及片狀結構,至蚯蚓處理結束呈現疏松的粒狀或碎塊狀結構、團粒結構豐富.相比于對照組,超聲波處理組在堆肥初期團絮狀結合相對松散,好氧堆肥結束后孔隙及片狀結構更明顯,至蚯蚓處理結束團粒結構更豐富.結合2.1節分析,可以推斷:因為投配超聲波預處理污泥顯著提升堆肥效率,使得堆體取得較好的腐熟水平,較低的EC和有機碳礦化率,從而使得蚯蚓有更好的生活環境,取得更優生物量(圖2(f)),進一步促進腐殖化率的提升,這與Gunadi 等[24]和Mitchell等[25]研究成果類似.

表4 腐殖質含量及變化水平

圖6 污泥掃描電鏡照片

2.3 超聲波預處理協同對污泥蚯蚓堆肥重金屬及其形態的影響

2.3.1 污泥重金屬含量的變化 污泥重金屬的含量高低及其生物毒性的強弱,是影響試驗最終產品的處置和利用方式的主要因素.由圖7(a)~(h)可知,堆肥初始超聲波污泥投配量為20%時,重金屬含量表現最優,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Hg、As分別為690.67, 162.01,57.66,28.57,1.91,1.25, 10.03mg/kg,較對照組下降7.60%、10.78%、28.51%、12.66%、1.86%、8.00%、8.14%,而Cr為84.94mg/kg,較對照組升高3.55%,可見除Cr外投配超聲波預處理污泥可輕度減輕污泥堆體重金屬濃縮水平,而最優投配比為20%;各試驗組在經過蚯蚓處理后,重金屬含量大小依次為Zn>Cu> Pb>Cr>Ni>As>Cd>Hg,其中,Zn含量較高,而毒性較強的Cd和Hg含量均較低.各試驗組在經過超聲強化好氧堆肥結合蚯蚓處理后,污泥的重金屬含量有所增長(表5).好氧堆肥結束時(第28d),投配超聲波污泥組別(第2~4組)重金屬含量增長率高于對照組(第1組),Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As平均增長率分別為9.3%、12.4%、5.9%、8.9%、6.9%、10.2%、5.6%、7.6%和7.2%、9.9%、4.4%、5.9%、4.6%、7.6%、4.6%、4.6%;而至蚯蚓堆肥結束時(第56d)蚯蚓糞中重金屬的相對含量有所升高,但各組別重金屬含量增長率差異不大.與超聲強化好氧堆肥結束時(第28d)相比,蚯蚓處理階段結束時(第56d)蚯蚓糞中重金屬的相對含量有所升高,其中投配超聲波污泥組別增長率較對照組低,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As含量的平均相對增長率分別為3.4%、1.7%、1.9%、4.5%、1.2%、1.7%、0.4%、1.8%和4.3%、3.7%、3.1%、7.2%、3.1%、4.3%、1.1%、4.3%.

表5 重金屬含量的增長率對比(%)

表6 重金屬含量增長率與TOC的分解率相關性分析

由表6可知,各組別重金屬含量增長率與TOC的分解率總體存在很強的相關性,有機質降解率越大,重金屬相對增量越明顯[34];這也可解釋投配超聲波預處理污泥組在好氧堆肥階段重金屬含量增長率高于對照組的原因.但在蚯蚓處理階段其重金屬含量增長率低于對照組的原因與污泥堆體較高腐熟度(圖5)有關. 因為較好的腐熟水平(圖5)、較低的EC和較高的有機碳礦化率(圖1b,d)有助于蚯蚓生長[24,25],蚯蚓在礦化有機物質的同時蓄積某些重金屬從而減緩重金屬含量增長速率,與Khwairakpam等[34]研究結論相似.可見在蚯蚓處理階段超聲波預處理技術對好氧蚯蚓堆肥的重金屬富集率減輕表現出協同效應.

圖7 重金屬形態分布

2.3.2 污泥重金屬形態的變化 由圖7(a)~(h)可知,重金屬的不穩定形態(F1和F2)占比均有下降趨勢,投配超聲波預處理污泥組別與對照組無明顯差異,從好氧堆肥結束至蚯蚓處理結束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As不穩定形態平均占比從34.65%、12.77%、30.56%、40.07%、67.78%、10.11%、19.91%、13.54%下降至24.85%、9.00%、21.66%、25.95%、65.55%、7.55%、12.67%、10.58%.其中Pb、Ni、Cd、Cr的F1含量下降,Zn、Ni、Cr的F2含量下降,Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As的F3含量升高,Zn、Ni、Hg、As的F4含量升高,Ni的F3下降,Cd的F2升高,Cr的F4含量下降.可見蚯蚓處理促進了污泥中的重金屬由不穩定形態向穩定形態轉化,能有效降低重金屬的生物毒性.而蚯蚓對Cd和Ni表現出生物富集作用,對Hg、As、Cr、Pb、Zn和Cu則表現為生物吸收.其主要原因是由于:一是污泥在處理過程中,有機質通過微生物和蚯蚓的作用,分解轉化為復雜且穩定的腐殖質類物質,這些物質能夠通過絡合、螯合或者吸附等作用,使不穩定的重金屬形態減少,好氧堆肥具有鈍化重金屬的作用,使重金屬的化學穩定形態升高,二是污泥中的重金屬會通過不同的機理與胞外聚合物結合,也會影響污泥中重金屬的形態變化[35].

3 結論

3.1 投配超聲波預處理污泥可提升堆體堆肥速率,取得更快的升溫速率和較長的高溫維持時間,有機質和TOC降解速率顯著提高.同時也可提升污泥堆體腐殖化水平,至處理結束,HA和HA/FA增長顯著,平均增長率分別為97.4%和191.5%,較對照組提升25.5%和36.9%.

3.2 超聲波預處理污泥投配可輕度減少污泥堆體重金屬含量,最優投配比為20%.好氧堆肥和蚯蚓處理對重金屬均產生濃縮效應,但超聲波預處理技術對蚯蚓堆肥的重金屬濃縮有減輕效應.

3.3 蚯蚓處理可明顯降低重金屬的非穩定態(F1和F2)占比,而超聲波預處理對其影響不明顯,至蚯蚓處理結束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非穩定態平均占比從34.65%、12.77% 、30.56%、40.07%、67.78%、10.11%、19.91%、13.54%下降至24.85%、9.0%、21.66%、25.95%、65.55%、7.55%、12.67%、10.58%.

[1] Hazrati H, Shayegan J. Upgrading activated sludge systems and reduction in excess sludge [J]. Bioresource Technology, 2011,102(22): 10327-10333.

[2] 朱欣潔,孫先鋒,周秋丹,等.好氧堆肥與蚯蚓堆肥對污泥處理污泥效果比較研究[J]. 環境科學與技術, 2015,38(4):79-83.Zhu X J, Sun X F, Zhou Q D, et al. Comparative study on influence of aerobic composting and earthworm composting on sludge treatment [J]. Environmental Science and Technology, 2015,38(4):79-83.

[3] Anjum M, Almakishah N H, Barakat M A. Wastewater sludge stabilization using pre-treatment methods [J]. Process Safety & Environmental Protection, 2016,102:615-632.

[4] Cao Z R, Yang S S, Zheng X P, et al. Experimental study of ultrasonic disintegration on biological nitrogen and phosphorus removal [J]. Nature Environment and Pollution Technology, 2014,13(2):421-424.

[5] 翟麗梅,習 斌,劉宏斌,等.城市生活污泥農用對作物和土壤中汞的影響[J]. 中國環境科學, 2013,33(11):2035-2039. Zhai L M, Xi B, Liu H B, et al. Effects of domestic sewage sludge on the accumulation and transfer of mercury in crop-soil system [J]. China Environmental Science, 2013,33(11):2035-2039.

[6] Kavitha S, Rajesh Banu J, Ivinshaju C D, et al. Fenton mediated ultrasonic disintegration of sludge biomass: Biodegradability studies, energetic assessment, and its economic viability [J]. Bioresource Technology, 2016,221:1-8.

[7] U?aro?lu S, Alkan U. Composting of wastewater treatment sludge with different bulking agents.[J]. J Air Waste Manag Assoc, 2016, 66(3):288-295.

[8] Meng L, Li W, Zhang S, et al. Feasibility of co-composting of sewage sludge, spent mushroom substrate and wheat straw. [J]. Bioresource Technology, 2017,226:39-45.

[9] Meng L, Li W, Zhang S, et al. Effects of sucrose amendment on ammonia assimilation during sewage sludge composting [J]. Bioresource Technology, 2016,210:160-166.

[10] 閆金龍,江 韜,趙秀蘭,等.含生物質炭城市污泥堆肥中溶解性有機質的光譜特征[J]. 中國環境科學, 2014,34(2):459-465. Yan J L, Jiang T, Zhao X L, et al. Spectral characteristics of dissolved organic matter in co-composting process of municipal sludge with biochar [J]. China Environmental Science, 2014,34(2):459-465.

[11] Awasthi M K, Wang Q, Huang H, et al. Effect of biochar amendment on greenhouse gas emission and bio-availability of heavy metals during sewage sludge co-composting [J]. Journal of Cleaner Production, 2016,135:829-835.

[12] 馮 瑞,銀 奕,李子富,等.添加低比例石灰調質的脫水污泥堆肥試驗研究[J]. 中國環境科學, 2015,35(05):1442-1448.Feng R, Yin Y, Li Z F, et al. Experimental study on composting of dewatered sewage sludge by addition of low ratio lime mixture [J]. China Environmental Science, 2015,35(5):1442-1448.

[13] Kumar A M, Wang M, Pandey A, et al. Heterogeneity of zeolite combined with biochar properties as a function of sewage sludge composting and production of nutrient-rich compost [J]. Waste Management, 2017,68:760-773.

[14] Garg V K, Kaushik P, Yadav Y K. Effect of stocking density and food quality on the growth and fecundity of an epigeic earthworm (eisenia fetida) during vermicomposting [J]. Environmentalist, 2008,28(4): 483-488.

[15] Lazcano C, Gómez-Brandón M, Domínguez J. Comparison of the effectiveness of composting and vermicomposting for the biological stabilization of cattle manure [J]. Chemosphere, 2008,72(7):1013- 1019.

[16] Tiehm A, Nickel K, Neis U. The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge [J]. Water Science and Technology, 1997,36(11):121-128.

[17] Tiehm A, Nickel K, Zellhorn M, et al. Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization [J]. Water Research, 2001,35(8):2003-2009.

[18] Ghafarzadeh M, Abedini R, Rajabi R. Optimization of ultrasonic waves application in municipal wastewater sludge treatment using response surface method [J]. Journal of Cleaner Production, 2017: 150.

[19] Zielewicz E . Effects of ultrasonic disintegration of excess sewage sludge [J]. Applied Acoustics, 2016,103(5):182-189.

[20] Cao Z R, Yang S S, Sun K K, et al. Study on influence of ultrasonic disintegration on anaerobic digestion performance of urban sludge [J]. International Journal of Applied Environmental Sciences, 2013,8(9): 1055-1062.

[21] CJ/T221-2005 城市污水處理廠污泥檢驗方法[S]. CJ/T 221-2005 Municipal Sewage Treatment Plant Sludge Inspection Method [S].

[22] 鮑士旦.土壤農化分析[M]. 北京:中國農業出版社, 2000:438-440. Bao S D. Soil agrochemical analysis [M]. Beijing: China Agricultural Press, 2000:438-440.

[23] Ignatowicz K. The impact of sewage sludge treatment on the content of selected heavy metals and their fractions [J]. Environmental Research, 2017,156:19.

[24] Gunadi B, Edwards C A. The effects of multiple applications of different organic wastes on the growth, fecundity and survival of eisenia fetida (savigny) (lumbricidae) [M]. [S.l.]: Science Press, 1998: 321-329.

[25] Mitchell A, Edwards CA. Production of eisenia fetida and vermicompost from feed-lot cattle manure [J]. Soil Biology & Biochemistry, 1997,29(3):763-766.

[26] Majumdar D, Patel J, Bhatt N,et al. Emission of methane and carbon dioxide and earthworm survival during composting of pharmaceutical sludge and spent mycelia [J]. Bioresource Technology, 2006,97(4): 648-658.

[27] Kaviraj S S. Municipal solid waste management through vermicomposting employing exotic and local species of earthworms [J]. Bioresource Technology, 2003,90(2):169-173.

[28] Wan N, Young HE, Seok PJ, et al. Bioremediation of diesel- contaminated soil with composting. [J]. Environmental Pollution, 2002,119(1):23-31.

[29] 尹朝陽,雍 毅,葉 宏,等.蚯蚓生物處理污泥系統動力學研究及探討[J]. 四川環境, 2016,35(3):101-106.Yin Z Y, Yong Y, Ye H, et al. Study on the kinetics of sludge treatment with earthworm [J]. Sichuan Environment, 2016,35(3): 101-106.

[30] Bernal M P, Navarro A F, Roig A, et al. carbon and nitrogen transformation during composting of sweet sorghum bagasse [J]. Biology and Fertility of Soils, 1996,22(1):141-148.

[31] 陳同斌,鄭國砥,高 定,等.城市污泥堆肥處理及其產業化發展中的幾個關鍵問題[J]. 中國給水排水, 2009,25(9):104-108.Chen T B, Zheng G D, Gao D, et al. Key problems in municipal sludge composting and its industrialization process [J]. China Water & Wastewater, 2009,25(9):104-108.

[32] 鄭西朋,楊順生,陳 鈺,等.超聲強化好氧堆肥結合蚯蚓處理對污泥營養成分的影響[J]. 環境污染與防治, 2017,39(11):1235-1237.Zheng X P, Yang S S, Chen Y, et al. Effect on nutrients of sludge by ultrasonic wave enhanced aerobic composting and vermicomposting [J]. Environmental Pollution & Control, 2017,39(11):1235-1237.

[33] Hsu J H, Lo S L. Chemical and spectroscopic analysis of organic matter transformations during composting of pig manure [J]. Environmental Pollution, 1999,104(2):189-196.

[34] Khwairakpam M, Bhargava R. Vermitechnology for sewage sludge recycling [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,161(2):948-954.

[35] 葛 驍,李買軍,張盛華,等.調理劑對堆肥產品重金屬生物有效性的影響[J]. 環境工程學報, 2014,8(7):3047-3052.Ge X, Li M J, Zhang S H, et al. Effect of conditioners on bioavailability of heavy metals in sludge compost [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2014,8(7):3047-3052.

Study on the influence of ultrasonic technology on sludge earthworm composting.

ZHENG Xi-peng1, CAO Zhou-rong2, CHEN Yu3, YANG Shun-sheng1*

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2.Chengdu Xingrong Environmental Co., Ltd, Chengdu 610040, China；3.Southwest Jiaotong University, Faculty of Geosciences and Environmental, Chengdu 610031, China).2019,39(4)：1654~1663

The combination of technologies including ultrasonic disintegration, aerobic composting and earthworm treatment was used to dispose the residual sludge of wastewater treatment plant in order to evaluate the effect of ultrasonic pretreatment on the degradation of organic matter and heavy metals. The results showed that the ultrasonic pretreatment technology had synergistic effect on the degree of sludge humification. The optimal TOC value of kinetic constant was 0.0084d-1, which was 2.1times higher than that of the control group. The average growth rates of humic acid and HA/FA were 97.4% and 191.5%, respectively, which were 1.26and 1.37 times higher than that of the control group. Meanwhile, it has a mitigating effect on the heavy metals accumulation in earthworm treatment stage and no significant effect on the heavy metals speciation in other stages. At the end of vermicomposting, the average proportion of non-steady state of heavy metals (Zn, Cu, Pb, Ni, Cd, Cr, Hg, As) decreased by 28.3%, 29.5%, 29.1%, 35.2%, 3.3%, 25.3%, 36.4%, 21.9% compared with at the end of the aerobic composting stage, respectively.

ultrasonic；sludge pretreatment；earthworm treatment；composting；heavy metals

X703.5

A

1000-6923(2019)04-1654-10

2018-09-10

中央高校基本科研業務費專項(2682016CX080);崇州市科技創新驅動專項(2017-HM010-NY)

*責任作者, 教授, seanse@126.com

鄭西朋(1984-),男,四川眉山人,市政公用工程一級建造師,博士研究生,主要從事污泥處理與資源化利用研究.發表論文10余篇.