垂直流濕地接種蚯蚓對剩余污泥中有機物的去除效果*

楊 競 桑春雷 黃 魁

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環境重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

剩余污泥是指活性污泥系統中從二次沉淀池(或初次沉淀池)排出系統外的活性污泥。據預計,2025年以后,我國污泥年產量將突破6 000萬t(以含水率80%計)[1]。剩余污泥除了含有大量有機質及氮、磷、鉀等營養物質外,還含有重金屬、病原微生物等有毒有害物質,若對其處理不當,既對環境和社會造成危害,也是種資源浪費。現有的剩余污泥處理方法中濃縮和脫水過程成本高昂,其產生的污泥仍需要后期處置[2]。鑒于農村地區的分散式污水處理設施和小城鎮的小型污水處理廠無法承擔污泥脫水和處置裝置的昂貴成本,剩余污泥的傳統處理和處置方法可能不適用于農村地區或小城鎮[3]。因此,迫切需要尋找一種適用于農村或小城鎮地區的經濟、環保、高效的剩余污泥處理處置技術。

表1 剩余污泥理化性質Table 1 Physicochemical parameters of excess sludge

人工濕地是一種低能耗、可持續、環境友好的污泥處理方式[4]。垂直流人工濕地的污染物去除效率較高[5]。但是剩余污泥進入垂直流人工濕地后易堵塞基質,制約了該技術的發展[6]。已有研究表明,蚯蚓能夠通過生物擾動緩解蚯蚓濾池處理污水和污泥時的堵塞問題[7]。由于垂直流濕地堵塞常與剩余污泥中有機絮體和顆粒物的降解與轉化有關[8],有必要探討引入蚯蚓后的垂直流濕地(稱為蚯蚓垂直流濕地)對剩余污泥中有機物的去除效果。然而,目前對此研究鮮有報道。

因此,本研究在垂直流濕地中接種兩種不同密度蚯蚓,旨在探明蚯蚓垂直流濕地對剩余污泥中有機物的去除效果與機理,為蚯蚓垂直流濕地的高效穩定運行提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采用蘭州市七里河污水處理廠剩余污泥(含水率為99.5%),為保證污泥的新鮮度,每兩天取1次泥,剩余污泥的理化性質見表1。赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)為實驗蚓種,適應性強,繁殖率高,飼養廣泛,適合生活在5～25 ℃、相對濕度60%～80%、pH 5.0～9.0的環境中,常用于處理污泥[9]。選用具有耐寒耐旱等特征的菖蒲(AcoruscalamusL.)為濕地植物。選用12～16 mm粒徑的陶粒為濕地濾料層上層,3～5 mm粒徑的麥飯石為濾料層下層,陶粒和麥飯石購于蘭州市和平鎮鮮花港。選用經蚯蚓堆肥后的污泥蚯蚓糞作為基床。

1.2 實驗裝置

實驗裝置選用聚乙烯材料的塑料桶,塑料桶為正方體,邊長20 cm,高55 cm,至上而下分別是蚯蚓糞層、濾料層和集水層。其中蚯蚓糞層覆蓋10 cm厚的污泥蚯蚓糞作為基床,接種隨機挑選的健康且有活力的蚯蚓,并在基床上種植菖蒲。濾料層分為兩部分,上部為15 cm厚的陶粒層,下部為5 cm厚的麥飯石層,并在濾料層接種蚯蚓。集水層底部密封防泄漏,側壁開孔以避免形成缺氧環境。裝置中蚯蚓糞層和濾料層底部均留有供滲濾液流動的小孔。實驗裝置如圖1所示。

圖1 蚯蚓垂直流濕地裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of earthworm-constructed vertical flow (EVF)

1.3 實驗方法

考慮到不同蚯蚓密度對剩余污泥有機物去除的影響,設高密度和低密度蚯蚓垂直流濕地。其中高密度蚯蚓垂直流濕地接種密度為蚯蚓糞層2 520條/m2(約101條),濾料層1 080條/m2(約44條)；低密度蚯蚓接種密度為蚯蚓糞層840條/m2(約34條),濾料層360條/m2(約15條)。菖蒲接種密度為100株/m2(約4株)。

實驗在15～30 ℃下進行,初期預運行時間為10 d,實驗運行時間為20 d。進泥方式為間歇進泥,由頂部均勻投加,約隔2 d投加1次,進泥量定為600 mL/次。約隔2 d收集集水層出水水樣。待實驗結束后分別隨機選取蚯蚓糞層、陶粒層和麥飯石層的樣品,所有樣品存于-20 ℃的冰箱中,供后續指標測定。

1.4 測試方法

TS采用稱重法測定；COD、氨氮采用多參數水質分析儀(CNPN-7SⅡ)測定；總氮(TN)參照堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定；總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法測定。特征紫外吸光度(SUVA254)由254 nm處的吸光度(UV254)除以溶解性有機碳(DOC)得出；其中UV254采用紫外—可見分光光度計(UV-3100)測定；DOC將混合液(干樣∶水=1 g∶50 mL)過0.45 μm濾膜,稀釋10倍后用總有機碳儀(Multi N/C 2100,德國)測定。三維熒光測試采用熒光分光光度計(F-7100)。具體測試操作參照文獻[10]。

稱取一定量濾料浸泡于100 mL純水中充分攪拌,使其上附著的生物膜溶于純水,溶解后水樣進行脫氧核糖核酸(DNA)提取。實驗中各組樣品DNA用DNeasy?Power Soile?Kit(QIAGEN,德國)試劑盒提取。采用熒光定量聚合酶鏈式反應(PCR)儀(TAKARATP700,日本)對細菌16S rDNA數量進行測定。16S rDNA正向引物序列為5’-CCTAYGGGRBGCASCAG-3’,反向引物序列為5’-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3’。PCR反應條件為：95 ℃預變性3 min,95 ℃變性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,32個循環。25 μL的熒光定量PCR體系為：12.5 μL的熒光染料TBGreen Premix Ex Taq Ⅱ(Tli RNaseH Plus),20 mol/L上下游引物各0.5 μL,DNA模板1 μL,無外源DNA超純水10.5 μL。PCR產物純化后,用Mighty TA-cloning Kit試劑盒(TAKARA,日本)及E.coliDH5α Competent Cells試劑盒(TAKARA,日本)連接轉化后提取質粒作為標準品,其質量濃度用NanoDrop One超微量分光光度計(Thermo Fisher,美國)測定。克隆載體為pUC19 (GenBank檢索號為M77789)。用無外源DNA超純水作為陰性對照,每個樣品做兩次重復。

2 結果與討論

2.1 蚯蚓垂直流濕地對剩余污泥中各污染物的去除效果

由圖2(a)可見,蚯蚓垂直流濕地的TS去除率為54.17%～84.13%,其中高、低密度蚯蚓垂直流濕地對污泥TS的平均去除率分別為66.59%和62.81%。項亮等[11]研究發現采用蚯蚓生物濾池處理剩余污泥的懸浮物(SS)平均去除率為47.1%,可揮發懸浮物(VSS)平均去除率為55.2%。蔣錦洲等[12]8采用蚯蚓生物濾池處理剩余污泥的SS和VSS平均去除率分別為54.78%和57.24%。董夢珂等[13]1162-1163采用蚯蚓人工濕地處理剩余污泥的揮發性固體(VS)平均去除率為58.7%～61.4%。本實驗蚯蚓垂直流濕地對TS的去除效果相對于蚯蚓濾池較優,這與蚯蚓垂直流濕地中植物根系對有機物的截留作用有關。高密度蚯蚓垂直流濕地TS平均去除率比低密度蚯蚓垂直流濕地提高6.02%(P<0.05),表明高密度蚯蚓有助于提升剩余污泥中TS的去除效果。蚯蚓的活動使污水及污泥固體顆粒物的比表面積增大,并改善污水及污泥固體顆粒物結構,進而提升基質對有機物的吸附能力[14]。蚯蚓通過吞食截留吸附在填料上的TS,使得濾料表面的生物膜保持較好的生物活性和比較穩定的TS處理能力。

圖2 蚯蚓垂直流濕地對剩余污泥TS和COD的去除率Fig.2 TS and COD removal rates of excess sludge in EVF

本實驗進泥的COD平均質量濃度為4 764.38 mg/L,蚯蚓垂直流濕地的COD去除率為71.11%～98.47%,其中高、低密度蚯蚓垂直流濕地的COD平均去除率分別為89.88%和84.13%(見圖2(b))。陳金發[15]研究人工濕地處理高濃度畜禽廢水時發現,當進水COD為1 176～2 365 mg/L時,COD平均去除率為50%～74%。相比該研究,本研究蚯蚓垂直流濕地對高濃度COD有較優的去除效果。鄧玉等[16]發現利用蚯蚓接種密度為2.48、4.97、7.45 g/L的蚯蚓生態濾池處理畜禽廢水,對COD的平均去除率分別為32.5%～61.48%、46.03%～72.02%以及56.86%～75.53%；且隨著蚯蚓接種密度的增加,COD的平均去除率提高。這一結果與本研究相似。高密度蚯蚓垂直流濕地對污泥COD的去除率較低密度蚯蚓垂直流濕地提高6.83%(P<0.05),說明蚯蚓密度會影響COD去除率[17],高密度蚯蚓垂直流濕地有助于提升剩余污泥COD的去除效果。蚯蚓垂直流濕地對剩余污泥中COD的去除主要是微生物的降解和蚯蚓的攝食作用,蚯蚓通過吞食截留吸附在基質上的有機物,將不溶性有機物轉化為可溶性有機物,供微生物降解。且蚯蚓通過掘洞等活動增強了濕地曝氣的能力[18],促進好氧微生物的活性,從而提高COD去除率[19]。

進泥氨氮平均值為4.31 mg/L,蚯蚓垂直流濕地的氨氮去除率為62.65%～86.57%,其中高、低密度蚯蚓垂直流濕地氨氮平均去除率分別為71.70%和78.40%(見圖3(a))。梁建軍等[20]采用蚯蚓生物濾池處理農村生活污水,氨氮去除率為61.19%。陳少華[21]采用蚯蚓生物濾池處理生活污水,氨氮去除率為57.9%。吳敏等[22]采用蚯蚓生物濾池處理污泥,氨氮的平均去除率為61.76%。與此前研究對比,本研究采用蚯蚓垂直流濕地處理剩余污泥,對氨氮的去除效果較優。污泥中的氨氮進入系統后,容易被植物根系和填料吸附截留,在好氧環境下,硝化細菌可將其轉化為硝態氮,實現基質和微生物對氨氮協同去除。本研究表層填料采用蚯蚓糞,不僅可以吸附氨氮,而且由于蚯蚓糞中的微生物具有較高的活性,能促進有機氮的氨化作用和氨氮的硝化作用。同時蚯蚓在濕地中的穿梭覓食,不僅能疏通填料,還能增加濕地中氧含量,從而為氨氮的硝化創造更好的條件。WANG等[23]發現,隨著蚯蚓接種密度的增加,蚯蚓生態濾池處理城市廢水的氨氮去除率升高。本研究低密度蚯蚓垂直流濕地的氨氮平均去除率較高密度蚯蚓垂直流濕地提升9.34%(P>0.05)。這可能是因為蚯蚓分泌的黏液含有大量氨氮,使高密度蚯蚓垂直流濕地氨氮含量升高。蘭詩劼[24]探究蚯蚓黏液對城鎮污泥中微生物群落結構的影響,發現添加蚯蚓黏液的污泥氨氮含量升高,致使污泥的氨化進程提前。

圖3 蚯蚓垂直流濕地對剩余污泥氨氮和TP的去除率 Fig.3 Ammonia nitrogen and TP removal rates of excess sludge in EVF

進泥TP平均值為44.66 mg/L,蚯蚓垂直流濕地的TP去除率為57.15%～85.63%,其中高、低密度蚯蚓垂直流濕地對TP的平均去除率分別為75.33%和73.48%(見圖3(b))。MIITO等[25]采用蚯蚓生物濾池處理乳制品廢水,TP平均去除率為48%。WANG等[26]采用蚯蚓生物濾池處理生活污水,TP平均去除率為38.6%。郭一令等[27]采用蚯蚓生物濾池處理小城鎮污泥,TP平均去除率為26.5%。與此前研究對比,本研究采用蚯蚓垂直流濕地處理剩余污泥,TP去除效果較優。高密度蚯蚓垂直流濕地的TP平均去除率與低密度蚯蚓垂直流濕地無顯著差異(P>0.05)。根據SINGH等[28]的研究,TP減少主要是由于過濾介質表面的吸附作用和聚磷菌的攝磷。

如圖4(a)所示,濕地進泥DOC平均值為112.25 mg/L。高、低密度蚯蚓垂直流濕地出水DOC較進泥分別降低了79.91%和74.91%(P<0.05),高密度蚯蚓垂直流濕地出水DOC平均值比低密度蚯蚓垂直流濕地顯著降低(P<0.05)。有研究表明,蚯蚓有助于將污泥中不溶性有機物轉化為微生物可直接利用的可溶性有機物,同時蚯蚓選擇性攝食生物膜上的衰亡細菌使生物膜上微生物能夠保持較高的活性,從而可進一步利用DOC[29]5-6。而低密度蚯蚓垂直流濕地內部有機物處于未完全降解狀態,因而出水DOC含量略高。

圖4 蚯蚓垂直流濕地進泥與出水DOC和SUVA254Fig.4 DOC and SUVA254 in influent and effluent of EVF

SUVA254可用來表示水樣中溶解性有機物的芳香性,其值越高,表明水樣更為穩定而不易被微生物利用[30]。如圖4(b)所示,蚯蚓垂直流濕地進泥SUVA254平均值為0.163 L/(mg·cm),高、低密度蚯蚓垂直流濕地出水SUVA254平均值分別為0.293、0.318 L/(mg·cm),相較于進泥分別增加了79.75%和95.09%(P<0.05)。這可能是由于進泥中腐殖質類物質含量較少,在蚯蚓/微生物的協同作用下,濕地內部的微生物利用DOC轉化為腐殖質類大分子物質,使出水SUVA254升高,這進一步說明蚯蚓垂直流濕地可以顯著提升污泥的穩定化效果。

2.2 蚯蚓垂直流濕地穩定剩余污泥的機理

2.2.1 蚯蚓垂直流濕地不同層的有機質累積率

由圖5可見,高密度蚯蚓垂直流濕地的蚯蚓糞層、陶粒層以及麥飯石層有機質累積率分別為14.42%、10.00%和25.58%,低密度蚯蚓垂直流濕地則分別為13.68%、7.06%和17.96%。高密度蚯蚓垂直流濕地蚯蚓糞層、陶粒層以及麥飯石層有機質累積率較低密度蚯蚓垂直流濕地分別提升5.41%、41.64%和42.43%(P<0.05)。可見,高密度蚯蚓能夠顯著提升基質對有機質的截留效果。SINGH等[31]研究發現蚯蚓的排糞、鉆洞等活動使污泥固體顆粒物的比表面積增大,并改善其結構,進而提升基質對有機物的截留吸附能力。通過剖析蚯蚓垂直流濕地不同層的有機質累積率,發現兩組蚯蚓垂直流濕地的麥飯石層有機質累積率均顯著高于蚯蚓糞層和陶粒層(P<0.05)。蔣錦洲等[12]8-9采用分別以瓷球、拉西環和陶粒為濾料的3組蚯蚓濾池處理剩余污泥,發現濾池持泥量均沿程減少,這與本研究結果相異,可能與實驗條件及各層投放蚯蚓數量不同有關。蚯蚓利用一部分有機質用于自身合成,另一部分有機質則在蚯蚓的促進作用下被微生物降解,相比麥飯石層，蚯蚓糞層和陶粒層有機質消耗的速率大于有機質累積的速率,因此蚯蚓糞層和陶粒層的有機質累積率顯著低于麥飯石層。

圖5 實驗末期蚯蚓垂直流濕地不同層有機質累積率Fig.5 Organic matter accumulation rate in different layers of EVF at the end of the experiment

2.2.2 蚯蚓垂直流濕地不同層的有機物結構

如圖6所示,蚯蚓垂直流濕地蚯蚓糞層、陶粒層和麥飯石層截留有機物的三維熒光光譜中均有兩處熒光區,分別對應可溶性微生物副產物和Ⅱ類芳香族蛋白質,均屬于類蛋白物質。與實驗前相比,蚯蚓垂直流濕地各層截留的污泥有機物中可溶性微生物副產物和Ⅱ類芳香族蛋白質峰值均有所增加,這與剩余污泥中含有大量微生物和類蛋白物質有關[32]。高密度蚯蚓垂直流濕地的蚯蚓糞層與陶粒層的可溶性微生物副產物和Ⅱ類芳香族蛋白質峰值均顯著高于低密度蚯蚓垂直流濕地(P<0.05),而麥飯石層顯示出相反的結果。這說明在蚯蚓糞層和陶粒層,高密度蚯蚓能夠顯著提升微生物活性,促進有機物降解和轉化,使污泥快速達到穩定；而在麥飯石層,麥飯石粗糙的表面使蚯蚓活動受到抑制,蚯蚓與微生物的協同作用減弱。黃魁等[33]采用赤子愛勝蚓處理城市污泥,發現蚯蚓在前期能夠顯著提升脫氫酶的活性和細菌16S rDNA的豐度,從而加速有機物的降解。董夢珂等[13]1163-1164的研究表明蚯蚓密度最高的污泥干化濕地對污泥的穩定化效果最好,與本實驗研究結果一致。

此外,在高、低密度蚯蚓垂直流濕地各層均檢測到類腐殖酸。此前已有研究表明蚯蚓可以有效促進微生物將有機物轉化為腐殖質[34]。其中,高密度蚯蚓垂直流濕地各層類腐殖酸熒光峰值顯著高于低密度蚯蚓垂直流濕地(P<0.05)。可見,高密度蚯蚓垂直流濕地能夠促進溶解性有機物向類腐殖酸轉化。通過分析蚯蚓垂直流濕地不同層的類腐殖酸熒光峰值,發現各層類腐殖酸熒光峰值從上至下依次遞減,說明蚯蚓糞層中溶解性有機物向類腐殖酸轉化效果最好；同時,蚯蚓糞中含有豐富的細菌、真菌等,進一步促進了有機物的轉化[35]。

圖6 實驗末期蚯蚓垂直流濕地不同層三維熒光光譜Fig.6 Three-dimensional fluorescence spectra of different layers of EVF at the end of the experiment

2.2.3 蚯蚓垂直流濕地不同層的細菌數量

如表2所示,低密度蚯蚓垂直流濕地在蚯蚓糞層、陶粒層以及麥飯石層細菌數量較高密度蚯蚓垂直流濕地分別提升了74.34%、64.76%和4.00倍(P<0.05)。這可能歸因于低密度蚯蚓垂直流濕地內部有機物處于未完全降解狀態,濕地內部DOC含量較高密度蚯蚓垂直流濕地升高；DOC是微生物生長的主要碳源和能源,微生物利用DOC進行自身營養物質合成。高密度蚯蚓促進了微生物活性提高,加速了有機物的降解,濕地內部DOC含量降低,細菌數量也因此減少。分析蚯蚓垂直流濕地不同層的細菌數量,發現細菌總數從上至下依次減少(P<0.05),這可能與蚯蚓糞層的類腐殖酸含量較高,有機物轉化效果更好有關。相關性分析數據表明(見表3),蚯蚓垂直流濕地各層細菌數量與有機質累積率呈顯著負相關(P<0.01),與類腐殖酸物質峰值呈顯著正相關(P<0.01)。HUANG等[29]7采用蚯蚓垂直流濕地處理剩余污泥,發現細菌對污泥有機物的降解轉化主要發生在濕地表層,表層的細菌數量顯著高于其他各層,本研究結論與之一致。

表2 實驗末期蚯蚓垂直流濕地不同層的細菌數量1)Table 2 Bacterial numbers in different layers in EVF at the end of the experiment

表3 蚯蚓垂直流濕地細菌數量與有機質累積率、類腐殖酸物質峰值的相關性分析1)Table 3 Correlation analysis between bacterial quantity,organic matter accumulation rate and peak value of humus like substances in EVF

3 結 語

蚯蚓垂直流濕地可以有效穩定地處理剩余污泥有機物,高密度蚯蚓垂直流濕地處理效果較優,能夠顯著提升基床對有機質的截留效果。蚯蚓垂直流濕地能夠促進污泥中溶解性有機物向類腐殖酸物質轉化,且有機物的降解轉化主要發生在蚯蚓糞層。相比低密度蚯蚓垂直流濕地,高密度蚯蚓垂直流濕地更能提升污泥中有機物的轉化效率。