鄭西朋,曹洲榕,陳 鈺,楊順生*

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超聲波對(duì)污泥蚯蚓堆肥有機(jī)質(zhì)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(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.成都市興蓉環(huán)境股份有限公司 四川 成都 610040；3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 610031)

聯(lián)合超聲波破解技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)及蚯蚓處理技術(shù),對(duì)污水處理廠剩余污泥進(jìn)行處理,探討超聲波預(yù)處理對(duì)污泥蚯蚓堆肥有機(jī)質(zhì)降解和重金屬的影響.結(jié)果表明:超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥腐殖化程度表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng),最優(yōu)TOC反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.0084d-1,是對(duì)照組的2.1倍;胡敏酸和HA/FA平均增長(zhǎng)率分別為97.4%和191.5%,是對(duì)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(shí)對(duì)蚯蚓處理階段重金屬富集存在緩減效應(yīng),但對(duì)各階段重金屬形態(tài)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(jié)束Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非穩(wěn)定態(tài)平均占比較好氧堆肥結(jié)束時(shí)下降28.3%、29.5%、29.1%、35.2%、3.3%、25.3%、36.4%、21.9%.

超聲波；污泥預(yù)處理；蚯蚓處理；腐殖化；重金屬

隨著人口增加和城市擴(kuò)張,生活污水廠剩余污泥的二次污染問(wèn)題越來(lái)越受到業(yè)界廣泛關(guān)注[1-3].而農(nóng)業(yè)利用作為一種污泥資源化利用途徑,受到普遍接受和認(rèn)可[4-6].通過(guò)單一或組合技術(shù)生產(chǎn)堆肥產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)污泥農(nóng)用的一條有效途徑.

如何生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的堆肥產(chǎn)品成為諸多學(xué)者研究的重點(diǎn),提升堆肥效果的研究主要包括:一是通過(guò)外加碳源提升C/N,如秸稈[7-8]、菌渣[8]、蔗糖[9]等;二是通過(guò)外加調(diào)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(guò)聯(lián)合堆肥技術(shù),如蚯蚓堆肥技術(shù)[14-15],好氧堆肥階段可實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化處理和有毒化合物的消除,后續(xù)蚯蚓處理可以降低污泥C/N,提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效性.然而以上研究多集中于考慮外源物質(zhì)添加對(duì)堆肥效果的影響,對(duì)于通過(guò)提升污泥內(nèi)源物質(zhì)可生化性,提升污泥堆肥效率和堆肥產(chǎn)品肥效研究較少.

超聲波預(yù)處理污泥技術(shù),通過(guò)擊破微生物的細(xì)胞壁,導(dǎo)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(fā)酵速度[16],因此該技術(shù)被應(yīng)用于改善污泥性狀,為微生物生長(zhǎng)提供優(yōu)質(zhì)碳源,從而達(dá)到改善污水脫氮除磷效果的目的[17-19].研究表明,超聲波預(yù)處理污泥可顯著增加污泥溶解性有機(jī)物,從而增強(qiáng)厭氧消化反應(yīng)器處理能力[16-17].然而,超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥好氧堆肥和蚯蚓處理技術(shù)的單一和聯(lián)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(duì)象,耦合超聲波破解技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)及蚯蚓處理技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化和無(wú)害化處理,研究3種技術(shù)的協(xié)同作用下,超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)好氧堆肥及蚯蚓處理的促進(jìn)作用,以及對(duì)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(xué)形態(tài)的變化規(guī)律和相關(guān)機(jī)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(wěn)定性和肥效,提升污泥資源化產(chǎn)品品質(zhì),從而為剩余污泥的資源化處理提供一條新途徑.

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yù)處理后采用SS2002型離心機(jī)脫水,轉(zhuǎn)速為2800r/min.采集污泥存儲(chǔ)于4℃冰箱備用,5d內(nèi)完成檢測(cè)和實(shí)驗(yàn).試驗(yàn)采用秸稈作調(diào)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(ài)勝蚓(),購(gòu)自成都市某蚯蚓養(yǎng)殖場(chǎng).

1.2 好氧堆肥和蚯蚓處理裝置

圖1 蚯蚓堆肥反應(yīng)器

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲波預(yù)處理污泥 采用成都九州超聲波公司的超聲波設(shè)備,功率3000W,頻率20kHz,有效容積約25L.該設(shè)備處理污泥時(shí),從上部進(jìn)料,下部出料.通過(guò)預(yù)處理實(shí)驗(yàn)控制污泥擊破率為5%左右,實(shí)驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[4,20].

1.2.2 污泥蚯蚓堆肥試驗(yàn) 研究不同超聲波破解污泥投配比例對(duì)污泥堆肥和蚯蚓處理的影響,共設(shè)4個(gè)處理組(含對(duì)照組),如表1所示,其中第1~4組超聲波預(yù)處理污泥投配比例分別為0%、20%、60%和100%,每個(gè)組別設(shè)置3個(gè)重復(fù).采用秸稈粉調(diào)節(jié)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(yīng)的反應(yīng)器,每個(gè)反應(yīng)器的重量均為19kg.試驗(yàn)分為2個(gè)階段,每個(gè)階段均為28d,一共進(jìn)行56d的試驗(yàn):

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

注:脫水污泥(DSS);秸稈粉(WS);超聲波預(yù)處理污泥(UPDSS).

表2 主要指標(biāo)測(cè)試方法及采樣頻次

好氧堆肥階段:進(jìn)行28d堆肥處理,所有的組別均置于室內(nèi),放置陰涼處.采用自然通風(fēng)和人工翻堆通氣,翻堆頻率為每7d一次,同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度,調(diào)節(jié)翻堆頻率,使其充分發(fā)酵腐熟.

蚯蚓處理階段:待第一階段結(jié)束后,各組反應(yīng)器內(nèi)溫度降至室溫(25±3)℃附近時(shí),按40g/kg的密度接種蚯蚓,進(jìn)行28d的蚯蚓處理試驗(yàn).監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的溫度和含水率,通過(guò)人工灑水保持堆體含水率在(60±5)%左右(見(jiàn)圖2(e)),達(dá)到蚯蚓的生存條件,并定期翻堆(每7d一次)反應(yīng)器內(nèi)的污泥,確保蚯蚓和污泥充分接觸.

1.2.3 檢測(cè)指標(biāo) 參照中國(guó)《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJ/T221-2005)[21]和中國(guó)《土壤農(nóng)化分析》[22].采用重金屬生物有效性BCR三步連續(xù)分級(jí)提取法[23],對(duì)污泥樣品中的重金屬形態(tài)進(jìn)行分級(jí)測(cè)定,主要包括弱酸提取態(tài) (F1),可還原態(tài)(F2),可氧化態(tài)(F3),殘?jiān)鼞B(tài)(F4)4種形態(tài).主要測(cè)試方法及采樣頻次見(jiàn)表2.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 基本屬性變化

2.1.1 溫度、電導(dǎo)率(EC)、pH值、有機(jī)質(zhì)、含水率和蚯蚓生物量變化 對(duì)于好氧堆肥,溫度是堆肥無(wú)害化效果評(píng)價(jià)、堆肥腐熟度、影響微生物活動(dòng)和堆肥工藝過(guò)程中的重要參數(shù),因此溫度的高低決定有機(jī)物分解速度的快慢,是堆肥反應(yīng)和堆體內(nèi)微生物活性的最直接體現(xiàn)[2].由圖2(a)可知,堆體溫度均經(jīng)歷了升溫階段(0~2d)、高溫階段(3~10d)和降溫階段(11~28d)3個(gè)階段,其中最高溫度為60.7℃,4個(gè)組別中溫度變化規(guī)律并未產(chǎn)生明顯差異,均呈現(xiàn)先增大后減小直至平穩(wěn).相較于對(duì)照組1,添加超聲波預(yù)處理污泥組別,能夠更快進(jìn)入高溫期,且與超聲波預(yù)處理投配比例正相關(guān),同時(shí)具有較長(zhǎng)的高溫期維持時(shí)間.同時(shí)隨超聲波污泥投配比例增加,反應(yīng)器升溫速率呈上升趨勢(shì),這與堆肥反應(yīng)的初期嗜溫微生物(包括真菌、細(xì)菌和放線菌)較為活躍有關(guān).嗜溫微生物主要利用物料中易分解的簡(jiǎn)單有機(jī)物(糖類(lèi)和淀粉等)進(jìn)行代謝活動(dòng),并釋放出熱量.而超聲波預(yù)處理污泥溶出的EPS屬于易分解有機(jī)物[16].圖2(b)和圖2(c)中,污泥中EC和pH值隨時(shí)間變化呈現(xiàn)反向趨勢(shì),在好氧堆肥階段(1~28d)各堆體pH值呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì),而EC呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì).而隨蚯蚓對(duì)污泥的不斷生物處理,污泥中pH值呈現(xiàn)下降趨勢(shì).溫度和EC均在第7d左右出現(xiàn)極大值,而pH值在第14d左右出現(xiàn)極小值,相對(duì)而言在堆肥初期,pH值出現(xiàn)極值時(shí)間滯后于堆體溫度和EC.圖2(d)中,污泥經(jīng)過(guò)好氧堆肥后,大量的有機(jī)質(zhì)被分解,各試驗(yàn)組的有機(jī)質(zhì)含量,隨著堆肥的進(jìn)行而降低;平均降解率達(dá)到17.13%,堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的降解主要發(fā)生在前期(第1~14d),平均降幅達(dá)到13.71%.超聲波預(yù)處理組別在第7d后有機(jī)質(zhì)降解速率明顯高于對(duì)照組.與有機(jī)質(zhì)變化類(lèi)似,堆肥階段(1-28d)各試驗(yàn)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(jiàn)圖2(e).

在蚯蚓處理階段,pH值變化呈下降趨勢(shì),而EC呈上升趨勢(shì)(圖2(b)、(c)).接種蚯蚓后,污泥堆體pH值和EC變化主要因?yàn)轵球倔w表與污泥鹽分交換有關(guān)[24-25],蚯蚓通過(guò)食道分布的鈣腺,調(diào)節(jié)堆體酸堿平衡,創(chuàng)造適合生活的環(huán)境,同時(shí)通過(guò)蚯蚓及其體內(nèi)微生物的活動(dòng)進(jìn)一步分解礦化有機(jī)質(zhì),釋放礦物鹽,從而使堆體EC增加.同時(shí)蚯蚓經(jīng)過(guò)28d生長(zhǎng),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(yōu)于對(duì)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(shí)間變化

2.1.2 TOC、C/N 由圖3可知,隨時(shí)間變化,不同試驗(yàn)組的有機(jī)碳(TOC)均成下降趨勢(shì);從21d開(kāi)始到堆肥結(jié)束,TOC變化緩慢,維持在30%附近,進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段.C/N也呈下降趨勢(shì),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(dòng)和微生物在協(xié)同作用下(蚯蚓在中期占主導(dǎo),微生物在前期和后期起主要作用[26]),使有機(jī)質(zhì)不斷分解為二氧化碳揮發(fā)所致,由二氧化碳揮發(fā)引起的碳損失量可達(dá)20%~45%[27-28].此外,蚯蚓的活動(dòng)會(huì)改善反應(yīng)器中微生物的生存環(huán)境,尤其是氧氣的供應(yīng),能夠提高微生物種群的生長(zhǎng)繁殖和呼吸代謝活動(dòng),結(jié)合蚯蚓腸道中豐富的酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)微生物的種群結(jié)構(gòu)和生物活性的作用,共同強(qiáng)化了微生物降解有機(jī)物的效率;另一方面,好氧微生物活動(dòng)又有利于提高蚯蚓的吞食量,進(jìn)而引起蚯蚓的呼吸作用增強(qiáng)消耗了反應(yīng)器中的碳.

圖4 C/N隨時(shí)間變化

2.1.3 TOC變化的動(dòng)力學(xué)分析 蚯蚓反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)遷移和流動(dòng),建立完整的模型較為困難,為此參照文獻(xiàn)[29]將部分過(guò)程簡(jiǎn)化,采用完全混合間歇式反應(yīng)器模型推導(dǎo)蚯蚓處理階段TOC反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù).

式中:為反應(yīng)速率系數(shù),-1;c為T(mén)OC含量,其中0表示初始含量;為反應(yīng)級(jí)數(shù).

結(jié)合先前學(xué)者的研究[28,30],基于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程建立相應(yīng)的模型,以處理前后TOC隨著時(shí)間的變化作為參數(shù),積分可得:

式中:c表示在時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濃度值.

表3 蚯蚓處理反應(yīng)器模型參數(shù)

對(duì)比表3中降解速率常數(shù),發(fā)現(xiàn)第2組提升速率最優(yōu),較對(duì)照組提升2.1倍,可推斷投加超聲波預(yù)處理污泥可顯著提高蚯蚓處理階段TOC的降解反應(yīng)速率.

2.2 超聲波預(yù)處理對(duì)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(zhì)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(zhǎng)趨勢(shì),FA呈下降趨勢(shì).HA/FA被稱(chēng)為腐殖化指數(shù),代表著堆肥產(chǎn)品的腐殖化程度,該指標(biāo)能夠在一定程度上表示堆肥產(chǎn)品腐殖質(zhì)質(zhì)量的優(yōu)劣,一般認(rèn)為當(dāng)HA/FA>1.4時(shí),堆肥產(chǎn)品達(dá)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(shuō)明在好氧堆肥階段,在微生物的單獨(dú)作用下,HA和FA的變化較為緩慢,腐殖化系數(shù)也相對(duì)較低,但在加入蚯蚓處理后,它能調(diào)節(jié)其中的微生物數(shù)量、種群和結(jié)構(gòu),并與之共同對(duì)反應(yīng)器中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解利用[9,14].這可能是由于簡(jiǎn)單的小分子FA存在聚合作用,會(huì)形成大分子的固相HA,加之在有機(jī)質(zhì)的降解過(guò)程中,低分子量的FA具有相對(duì)較高的酸性官能團(tuán),水溶性較大,使得FA相較與HA更易被降解,最終導(dǎo)致其含量降低,使得HA/FA比值增大[32].而HA/FA增大,對(duì)降低堆肥原料中重金屬的有效性有重要意義[33].

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

圖5 HA/FA隨時(shí)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(jié)構(gòu),選取有代表性的第1組(CK)和第3組(超聲波預(yù)處理)照片.污泥在堆肥初期呈泥水結(jié)合較為緊密的團(tuán)絮狀,好氧堆肥結(jié)束后一定程度呈現(xiàn)孔隙及片狀結(jié)構(gòu),至蚯蚓處理結(jié)束呈現(xiàn)疏松的粒狀或碎塊狀結(jié)構(gòu)、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)豐富.相比于對(duì)照組,超聲波處理組在堆肥初期團(tuán)絮狀結(jié)合相對(duì)松散,好氧堆肥結(jié)束后孔隙及片狀結(jié)構(gòu)更明顯,至蚯蚓處理結(jié)束團(tuán)粒結(jié)構(gòu)更豐富.結(jié)合2.1節(jié)分析,可以推斷:因?yàn)橥杜涑暡A(yù)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(jī)碳礦化率,從而使得蚯蚓有更好的生活環(huán)境,取得更優(yōu)生物量(圖2(f)),進(jìn)一步促進(jìn)腐殖化率的提升,這與Gunadi 等[24]和Mitchell等[25]研究成果類(lèi)似.

表4 腐殖質(zhì)含量及變化水平

圖6 污泥掃描電鏡照片

2.3 超聲波預(yù)處理協(xié)同對(duì)污泥蚯蚓堆肥重金屬及其形態(tài)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(qiáng)弱,是影響試驗(yàn)最終產(chǎn)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(shí),重金屬含量表現(xiàn)最優(yōu),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(duì)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(duì)照組升高3.55%,可見(jiàn)除Cr外投配超聲波預(yù)處理污泥可輕度減輕污泥堆體重金屬濃縮水平,而最優(yōu)投配比為20%;各試驗(yàn)組在經(jīng)過(guò)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(qiáng)的Cd和Hg含量均較低.各試驗(yàn)組在經(jīng)過(guò)超聲強(qiáng)化好氧堆肥結(jié)合蚯蚓處理后,污泥的重金屬含量有所增長(zhǎng)(表5).好氧堆肥結(jié)束時(shí)(第28d),投配超聲波污泥組別(第2~4組)重金屬含量增長(zhǎng)率高于對(duì)照組(第1組),Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As平均增長(zhǎng)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(jié)束時(shí)(第56d)蚯蚓糞中重金屬的相對(duì)含量有所升高,但各組別重金屬含量增長(zhǎng)率差異不大.與超聲強(qiáng)化好氧堆肥結(jié)束時(shí)(第28d)相比,蚯蚓處理階段結(jié)束時(shí)(第56d)蚯蚓糞中重金屬的相對(duì)含量有所升高,其中投配超聲波污泥組別增長(zhǎng)率較對(duì)照組低,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As含量的平均相對(duì)增長(zhǎng)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(zhǎng)率對(duì)比(%)

表6 重金屬含量增長(zhǎng)率與TOC的分解率相關(guān)性分析

由表6可知,各組別重金屬含量增長(zhǎng)率與TOC的分解率總體存在很強(qiáng)的相關(guān)性,有機(jī)質(zhì)降解率越大,重金屬相對(duì)增量越明顯[34];這也可解釋投配超聲波預(yù)處理污泥組在好氧堆肥階段重金屬含量增長(zhǎng)率高于對(duì)照組的原因.但在蚯蚓處理階段其重金屬含量增長(zhǎng)率低于對(duì)照組的原因與污泥堆體較高腐熟度(圖5)有關(guān). 因?yàn)檩^好的腐熟水平(圖5)、較低的EC和較高的有機(jī)碳礦化率(圖1b,d)有助于蚯蚓生長(zhǎng)[24,25],蚯蚓在礦化有機(jī)物質(zhì)的同時(shí)蓄積某些重金屬?gòu)亩鴾p緩重金屬含量增長(zhǎng)速率,與Khwairakpam等[34]研究結(jié)論相似.可見(jiàn)在蚯蚓處理階段超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)好氧蚯蚓堆肥的重金屬富集率減輕表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng).

圖7 重金屬形態(tài)分布

2.3.2 污泥重金屬形態(tài)的變化 由圖7(a)~(h)可知,重金屬的不穩(wěn)定形態(tài)(F1和F2)占比均有下降趨勢(shì),投配超聲波預(yù)處理污泥組別與對(duì)照組無(wú)明顯差異,從好氧堆肥結(jié)束至蚯蚓處理結(jié)束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As不穩(wěn)定形態(tài)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(jiàn)蚯蚓處理促進(jìn)了污泥中的重金屬由不穩(wěn)定形態(tài)向穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化,能有效降低重金屬的生物毒性.而蚯蚓對(duì)Cd和Ni表現(xiàn)出生物富集作用,對(duì)Hg、As、Cr、Pb、Zn和Cu則表現(xiàn)為生物吸收.其主要原因是由于:一是污泥在處理過(guò)程中,有機(jī)質(zhì)通過(guò)微生物和蚯蚓的作用,分解轉(zhuǎn)化為復(fù)雜且穩(wěn)定的腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì),這些物質(zhì)能夠通過(guò)絡(luò)合、螯合或者吸附等作用,使不穩(wěn)定的重金屬形態(tài)減少,好氧堆肥具有鈍化重金屬的作用,使重金屬的化學(xué)穩(wěn)定形態(tài)升高,二是污泥中的重金屬會(huì)通過(guò)不同的機(jī)理與胞外聚合物結(jié)合,也會(huì)影響污泥中重金屬的形態(tài)變化[35].

3 結(jié)論

3.1 投配超聲波預(yù)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(zhǎng)的高溫維持時(shí)間,有機(jī)質(zhì)和TOC降解速率顯著提高.同時(shí)也可提升污泥堆體腐殖化水平,至處理結(jié)束,HA和HA/FA增長(zhǎng)顯著,平均增長(zhǎng)率分別為97.4%和191.5%,較對(duì)照組提升25.5%和36.9%.

3.2 超聲波預(yù)處理污泥投配可輕度減少污泥堆體重金屬含量,最優(yōu)投配比為20%.好氧堆肥和蚯蚓處理對(duì)重金屬均產(chǎn)生濃縮效應(yīng),但超聲波預(yù)處理技術(shù)對(duì)蚯蚓堆肥的重金屬濃縮有減輕效應(yīng).

3.3 蚯蚓處理可明顯降低重金屬的非穩(wěn)定態(tài)(F1和F2)占比,而超聲波預(yù)處理對(duì)其影響不明顯,至蚯蚓處理結(jié)束,Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、As非穩(wěn)定態(tài)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%.

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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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(2682016CX080);崇州市科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)(2017-HM010-NY)

*責(zé)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(jí)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(fā)表論文10余篇.