摘要：為探討稻殼炭強(qiáng)化蚯蚓堆肥對污泥性質(zhì)和重金屬的影響，本研究以城市污泥為研究對象，添加不同比例稻殼炭對蚯蚓堆肥進(jìn)行強(qiáng)化處理，探究不同生物炭劑量（污泥干質(zhì)量的2%、4%、6%、8%）對城市污泥蚯蚓堆肥過程中重金屬有效態(tài)以及賦存形態(tài)的影響。結(jié)果表明：堆肥過程中pH呈先上升后降低的趨勢，電導(dǎo)率先降低后升高，有機(jī)質(zhì)呈下降趨勢；與對照組（不添加稻殼炭）相比，添加不同比例稻殼炭強(qiáng)化后的電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)分別降低28.96%-47.46%、2.84%-18.87%；稻殼炭強(qiáng)化的污泥堆肥中養(yǎng)分增加，總氮、總磷和總鉀在8%添加量時(shí)分別提高9.89%、24.39%和2.51%。當(dāng)?shù)練ぬ刻砑拥津球径逊屎?，重金屬從易遷移轉(zhuǎn)化形態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，在8%添加比例時(shí)，Cd、Cu、Ni的殘?jiān)鼞B(tài)占比較對照組分別提高3.57、19.12、9.27個(gè)百分點(diǎn)，有效態(tài)分別降低56.25%、34.22%、28.20%；添加4%稻殼炭使Pb由可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)向穩(wěn)定的有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，且有效態(tài)降低27.69%。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)稻殼炭強(qiáng)化蚯蚓堆肥，升高堆體pH降低了污泥中Cd、Cu、Ni、Pb有效態(tài)含量。研究表明，稻殼炭強(qiáng)化蚯蚓堆肥可顯著提升城市污泥營養(yǎng)元素，改善理化性質(zhì)，提高污泥中重金屬鈍化效率。

關(guān)鍵詞：蚯蚓；稻殼炭；城市污泥堆肥；重金屬形態(tài)

中圖分類號：S141.4；X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1648-09 doi：10.11654/jaes.2023-0996

隨著城市化發(fā)展，城市污水處理量和污泥產(chǎn)量不斷上升，2022年我國城市污泥年產(chǎn)量突破6.6×107 t·a-1（以含水率80%計(jì)）。城市污泥中含有一定量重金屬，據(jù)報(bào)道，我國40個(gè)城市的生活污水處理廠污泥中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬的存在一方面危害環(huán)境，如在土壤中積聚會干擾植物的代謝過程，水生生物富集會產(chǎn)生毒性等；另一方面限制污泥的最終處置，其在環(huán)境中不斷累積和遷移，最終通過食物鏈危害人體健康。因此，需要研究新的污泥處理處置技術(shù)，以降低污泥中重金屬有效性，促進(jìn)污泥的安全處理處置和資源化利用。

蚯蚓堆肥被廣泛應(yīng)用于處理各種有機(jī)廢物，如污泥、畜牧業(yè)糞便、農(nóng)林固廢和餐廚垃圾等。1985年，Kruse等首次報(bào)道了蚯蚓具有富集Cu、Cd、Pb等重金屬的能力。Khwairakpam等、徐軼群等發(fā)現(xiàn)蚯蚓能富集污泥中重金屬，且能夠進(jìn)一步改變重金屬形態(tài)，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。單一的蚯蚓處理可能具有局限性，因此，近些年一些研究人員在蚯蚓堆肥的基礎(chǔ)上添加改良劑進(jìn)行研究。Wu等發(fā)現(xiàn)在蚯蚓堆肥中添加生物炭可以提高堆肥質(zhì)量；王峰等發(fā)現(xiàn)牛糞和高鈣鎂系礦物混合進(jìn)行蚯蚓堆肥能更好地吸附Pb2+和Cd2+。

生物炭是一種由生物質(zhì)在無氧或低氧條件下熱解制成的碳質(zhì)材料，具有多孔性、高比表面積等特性。對于牛糞、椰糠、菌渣和菜葉等有機(jī)固廢堆肥，生物炭用作堆肥改良劑在改善堆體質(zhì)量的同時(shí)，也對重金屬的吸附有一定效果。稻殼炭是一種典型的生物炭，研究表明，將稻殼炭應(yīng)用于堆肥中可改善污泥結(jié)構(gòu)、保持污泥濕度、抑制病蟲害和修復(fù)重金屬污染。稻殼炭聯(lián)合蚯蚓堆肥能改善堆肥條件、提高有機(jī)質(zhì)降解速率、增強(qiáng)污染物處理效果。但此類研究多集中于堆肥前后污泥中理化性質(zhì)和重金屬總量方面，而對堆肥期間污泥中重金屬有效性和形態(tài)隨時(shí)間變化及其影響因素的探究較少。由此，本研究將稻殼炭添加入污泥蚯蚓堆肥中，探究污泥中重金屬Cd、Cu、Ni、Pb的有效態(tài)和形態(tài)隨時(shí)間變化特征，以期為生物炭處理污泥堆肥提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

污泥取自安徽省某市污水處理廠。稻殼炭以水稻稻殼為原材料，稻殼用1.0 mol·L-1 HCl溶液以1：10的固液比浸漬2h，去離子水洗滌3次，在60℃烘箱中干燥24 h，將干燥的稻殼樣品研磨過20目篩；取10 g預(yù)處理稻殼于500℃馬弗爐中持續(xù)加熱2h，待樣品冷卻至室溫后取出所制稻殼炭，研磨過60目篩備用。如圖1（a）所示，稻殼炭表面粗糙，孔隙度和比

表面積較大，孔狀結(jié)構(gòu)豐富，這些疏松多孔結(jié)構(gòu)可作為污染物的吸附通道，有利于對有機(jī)物和重金屬進(jìn)行吸附。圖l（b）能譜分析（EDS）發(fā)現(xiàn)稻殼炭表面富含C、N、O、Si等元素，且含有少量重金屬成分，這表明稻殼在高溫裂解過程中，將有機(jī)物干燥裂解成了穩(wěn)定、難溶、富碳的超強(qiáng)吸附性物質(zhì)，其表面活性基團(tuán)進(jìn)一步起到了強(qiáng)化吸附污染物的作用。

赤子愛勝蚓（Eiseniafetida）購于江蘇省句容市蚯蚓養(yǎng)殖基地，經(jīng)過一周馴化后，挑選健康、活性高、質(zhì)量在0.3-0.5 g且有明顯環(huán)帶的成蚓作為試驗(yàn)用蚓進(jìn)行堆肥，定期觀察和記錄蚯蚓的活動水平。添加稻殼炭后，蚯蚓仍保持掘土、挖洞和攝食行為，生活習(xí)性和生理功能均正常，堆肥環(huán)境變化對蚯蚓影響較小。此外，蚯蚓體色鮮艷、體表濕潤、身體結(jié)構(gòu)完整，沒有異常跡象，皮膚質(zhì)地和彈性也表現(xiàn)出正常狀態(tài)。堆肥后，蚯蚓存活率在95%以上。物料的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理組：污泥+蚯蚓堆肥（T0）；污泥+蚯蚓+稻殼炭堆肥，稻殼炭添加量分別為污泥干質(zhì)量的2%、4%、6%、8%，分別記作T1、T2、T3、T4。各處理組均取4 kg新鮮污泥和200 g蚯蚓放入19 cm×24 cm×26 cm的堆肥箱中，堆肥溫度（25±3）℃、濕度（65±3）%，含水率保持在76%-78%，每隔2d對堆體進(jìn)行翻堆，以促進(jìn)空氣流通和有機(jī)物的均勻分解。各處理組均設(shè)3個(gè)平行處理。堆肥共30 d，每10 d取堆肥污泥1次，樣品自然風(fēng)干、過60目篩、研磨，保存待測。

1.3 分析方法

污泥pH和電導(dǎo)率（EC）采用玻璃電極法測定，有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀容量法測定，總氮（TN）、總磷（TP）采用過硫酸鉀消化法測定，總鉀（TK）采用H2SO4-H2O2火焰光度法測定；污泥中有效態(tài)重金屬采用DTPA浸提，重金屬形態(tài)采用Tessier五步連續(xù)提取法提取，均采用ICP-OES（PerkinElmer Optima2IOODV）測定。生物炭的孔隙度采用掃描電鏡（SEM）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2016和SPSS 27進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間的差異性采用LSD法分析，采用相關(guān)性分析研究污泥中重金屬和理化性質(zhì)的關(guān)系，并使用Origin 2022繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥堆肥過程中理化指標(biāo)的變化特征

如圖2所示，T0處理組的pH于第10天達(dá)到最高值7.10，而第20天時(shí)顯著下降至6.23，并于第30天穩(wěn)定在6.50。除第30天外，在堆肥各階段，添加稻殼炭處理組（T1-T4）的pH高于T0處理組。EC隨堆肥時(shí)間增加呈先下降后上升的趨勢，第10天達(dá)到最小，T1-T4處理組較TO處理組EC顯著降低了2.24%、28.85%、18.28%和34.65%（P＜0.05），而后逐漸升高，并于第30天達(dá)到最大值6.07、6.42、5.80、4.75 μS．cm-1，較TO處理組顯著下降了32.79%、28.96%、35.78%和47.46%（P＜0.05），其中T4處理組最低。堆肥前，稻殼炭強(qiáng)化處理組（TI-T4）OM含量略高于TO處理組。OM隨堆肥時(shí)間增加呈下降趨勢，第30天時(shí)降至最低，T1-T4處理組較TO處理組顯著降低了2.84%、6.57%、11.0%和18.87% （P＜0.05），其中T4組OM降低最為顯著（P＜0.01）。因此，將稻殼炭添加到蚯蚓堆肥中能夠進(jìn)一步調(diào)整pH、降低EC并減少OM。

堆肥初始階段，pH升高可能是由于OM降解導(dǎo)致NH+4產(chǎn)生，添加不同比例稻殼炭處理組pH高于T0組，這表明稻殼炭添加能夠提高NH；的保留率，從而提高pH。堆肥中后期pH下降可能是由于酚類化合物和有機(jī)酸的產(chǎn)生，或者是硝化作用導(dǎo)致NH+4轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮和硝酸氮，進(jìn)而引起pH的下降。值得注意的是，所有處理組在堆肥結(jié)束后的pH均在6.3左右，適合農(nóng)業(yè)使用。這可能是由于蚯蚓通過分泌腸道中的鈣和氨中和了堆肥過程產(chǎn)生的酸。EC是衡量堆體中鹽度的重要標(biāo)準(zhǔn)，高鹽度對植物生長不利。堆肥過程中，EC升高可能是由于OM降解過程中產(chǎn)生了PO3-4、K+和NH+4，而添加稻殼炭強(qiáng)化處理組EC相對較低，這可能是因?yàn)榈練ぬ烤哂休^強(qiáng)的離子保留能力，從而抑制了堆肥污泥中離子的釋放。堆肥過程中OM降解一方面是由于堆體中細(xì)菌、真菌等微生物利用有機(jī)廢物中的碳作為能源進(jìn)行代謝活動，將有機(jī)物分解成二氧化碳和水；另一方面蚯蚓腸道能調(diào)節(jié)微生物活性以及群落結(jié)構(gòu)，從而加速微生物的生長和繁殖，強(qiáng)化微生物對OM的降解作用。添加稻殼炭強(qiáng)化處理組OM減量大于TO處理組，可能是因?yàn)榈練ぬ磕軌蚋纳莆勰嗟耐庑院捅Ｋ?，形成更為松散的結(jié)構(gòu)，使得蚯蚓更容易穿行，從而提高其過腹活動頻率。同時(shí)，蚯蚓攝入稻殼炭后，消化道中微生物活性和酶水平進(jìn)一步增加，有利于有機(jī)物的分解。

2.2 污泥堆肥過程中營養(yǎng)元素的變化特征

如圖3所示，T0處理組TN含量隨堆肥時(shí)間增加呈下降趨勢，第30天達(dá)到最小值16.52 g·kg-1，而稻殼炭強(qiáng)化處理組（T1-T4）TN含量隨堆肥進(jìn)程呈先升高后降低的趨勢。堆肥30 d后，與T0處理組相比，T4處理組TN提高9.89%。堆肥過程中，TP和TK的含量總體呈現(xiàn)升高趨勢，T0-T4處理組于第30天TP分別達(dá)到9.72、14.26、12.13、12.79、12.09 g·kg-1，TK分別達(dá)到282.08、283.92、286.39、285.98、289.17 mg·kg-1，其中T1處理組TP含量最高，較T0顯著提高了46.74%（P＜0.05），T4處理組TK含量最高，較T0顯著提高了2.51%（P＜0.05）。

堆肥過程中TN含量降低，可能是由于微生物快速繁殖和代謝，大量有機(jī)氮被分解為NH3，堆肥后期由于堆體中可供分解的OM減少且分解速度降低，銨態(tài)氮積累減少，氨化程度大于銨化，從而使得TN降低。較T0處理組，T1-T4處理組TN損失率降低，這是因?yàn)榈練ぬ烤哂休^高的孔隙率，對NH+4和NH3有吸附能力，從而減少了堆肥過程中氮的流失。隨堆肥時(shí)間增加，TP和TK的含量呈增加趨勢，這主要?dú)w因于OM分解導(dǎo)致堆體濃縮，同時(shí)蚯蚓腸道中微生物和酶活性的提高加速了堆體礦化速率，促使OM分解和堆體濃縮進(jìn)一步進(jìn)行。T1-T4處理組中的稻殼炭補(bǔ)充了污泥中磷和鉀元素，且稻殼炭有助于蚯蚓活動，提高其體內(nèi)微生物和酶活性，有利于養(yǎng)分的保留。

2.3 污泥堆肥過程中重金屬有效態(tài)的變化特征

重金屬有效態(tài)是植物可直接吸收并富集的形態(tài)，包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，具有潛在的毒害作用。由于測定重金屬總量不能準(zhǔn)確判斷其生物可利用性大小，因此本試驗(yàn)測定重金屬有效態(tài)，以探究堆肥體系中重金屬生物可利用性的變化過程。如表2所示，隨堆肥時(shí)間增加，Cd有效態(tài)含量呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，Ni有效態(tài)含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢（T4除外），而Cu和Pb的有效態(tài)含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。堆肥結(jié)束后，較T0處理組，稻殼炭強(qiáng)化處理組重金屬有效態(tài)含量降低。其中，T4處理組Cd、Cu、Ni的降低幅度最大，分別下降了56.25%、34.22%、28.20%，而T2處理組Pb降低幅度最大，下降了27.69%。以上表明稻殼炭強(qiáng)化能夠有效減少堆肥體系中重金屬的有效態(tài)含量，從而降低重金屬對環(huán)境的潛在危害。

蚯蚓單獨(dú)堆肥后重金屬有效態(tài)含量略上升，稻殼炭強(qiáng)化堆肥后，4種重金屬有效態(tài)含量降低。這可能是由于稻殼炭比表面積大，陽離子交換量高，可通過物理吸附、離子交換、沉淀絡(luò)合和靜電吸附等作用機(jī)制降低污泥中重金屬有效態(tài)含量；也可能是因?yàn)榈練ぬ客ㄟ^改善蚯蚓體內(nèi)微生物群落和腸道的酶作用來減少重金屬的有效性。本研究結(jié)果與Lu等和Liu等的研究結(jié)果一致。

2.4 污泥堆肥過程中重金屬形態(tài)的變化特征

如圖4所示，堆肥過程中，各處理組Cd、Cu、Ni和Pb的穩(wěn)定態(tài)比例呈上升趨勢，Ni主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，Cu和Pb主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)為主，而Cd以碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主。Cd和Pb在堆肥過程中由不穩(wěn)定態(tài)向較穩(wěn)定的有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，堆肥結(jié)束后，T1-T4處理組穩(wěn)定態(tài)占比低于T0處理組。T1-T4處理組Ni、Cu的殘?jiān)鼞B(tài)隨稻殼炭添加比例增加而增加，T4處理組Ni和Cu的殘?jiān)鼞B(tài)占比分別為49.53%和39.50%，較T0顯著提高了9.27個(gè)百分點(diǎn)和19.12個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），說明添加稻殼炭強(qiáng)化處理有利于Ni和Cu的鈍化，使重金屬形態(tài)向更穩(wěn)定的有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低Ni和Cu的生物有效性，這與Liu等和Lu等的研究結(jié)果類似。

影響污泥重金屬形態(tài)分布的主要因素包括重金屬自身性質(zhì)、污泥理化性質(zhì)和環(huán)境因子等。稻殼炭強(qiáng)化有利于鈍化重金屬Ni和Cu，且在添加比例為8%時(shí)鈍化效果最好。這一方面是由于稻殼炭具有豐富的有機(jī)官能團(tuán)，例如羥基和羧基等，能夠與重金屬形成絡(luò)合物；另一方面是由于稻殼炭改善了蚯蚓的生存環(huán)境，使其更活躍，在堆體中過腹行為增加，促進(jìn)重金屬在蚯蚓腸道和酶的作用下實(shí)現(xiàn)由不穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。各處理組Cd穩(wěn)定態(tài)占比均隨堆肥進(jìn)程呈升高趨勢，T1-T4處理組Cd穩(wěn)定態(tài)占比低于T0，且隨稻殼炭比例增加穩(wěn)定態(tài)比例降低，這可能是由于Cd活性高，主要以不穩(wěn)定態(tài)為主，污泥和稻殼炭對其結(jié)合力較弱。

2.5 污泥堆肥過程中重金屬和理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

如表3所示，重金屬Cd、Cu有效性均與pH和OM呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．01），與EC和TP呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）；重金屬Pb、Ni有效性均與TK呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），且Pb還與pH呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．05）。這表明添加稻殼炭后，pH相對于其他理化性質(zhì)能改變污泥中更多的重金屬行為。

添加稻殼炭能通過改變污泥pH而使Cd、Cu和Pb的重金屬行為發(fā)生變化。一方面由于稻殼炭具有堿性，其分解提高了堆肥體系堿性環(huán)境。同時(shí)，也促進(jìn)了官能團(tuán)的去質(zhì)子化反應(yīng)，產(chǎn)生更多帶負(fù)電荷的基團(tuán)與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，鈍化了Cd、Cu、Pb活性。另一方面由于稻殼炭富含有機(jī)物質(zhì)，對重金屬有一定的親和力，從而可能改變重金屬的溶解行為，使其更傾向于形成較為穩(wěn)定的有機(jī)金屬絡(luò)合物。

2.6 污泥堆肥質(zhì)量評價(jià)

污泥堆肥產(chǎn)品最終將作為肥料或改良劑施用于土壤，因此必須確保其腐熟、穩(wěn)定，對生物無毒害作用，且應(yīng)含有豐富的OM及養(yǎng)分。各處理組堆肥后污泥pH在6.2-6.5之間，OM高于30%，均符合NY/T 525-2021標(biāo)準(zhǔn)的要求；養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約11%，高于標(biāo)準(zhǔn)中最低限值（4%）；且試驗(yàn)中測定的重金屬含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中限值。因此，本試驗(yàn)堆肥后污泥pH、養(yǎng)分以及重金屬Cd、Cu、Ni和Pb的含量均符合NY/T 525-2021標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)論

（1）隨堆肥時(shí)間增加，污泥pH和TN先升高后降低，電導(dǎo)率先降低后升高，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，TP和TK逐漸增加；稻殼炭強(qiáng)化處理能改善堆肥污泥偏酸性的特點(diǎn)，提高TN、TP和TK含量，降低電導(dǎo)率和有機(jī)質(zhì)含量。

（2）稻殼炭強(qiáng)化蚯蚓堆肥使重金屬Cu和Pb的有效態(tài)含量隨堆肥進(jìn)程先升高后降低，重金屬Cd和Ni的有效態(tài)含量隨堆肥進(jìn)程先降低后升高，總體上，稻殼炭添加能有效降低污泥中有效態(tài)重金屬含量，添加4%稻殼炭對污泥中Pb有效態(tài)鈍化效果最顯著，添加8%稻殼炭對Cd、Cu、Ni有效態(tài)鈍化效果最優(yōu)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，稻殼炭添加改變了堆肥污泥的pH，可降低更多重金屬有效態(tài)含量。

（3）從堆肥過程中污泥理化性質(zhì)、重金屬有效態(tài)和形態(tài)方面考慮，添加8%稻殼炭對強(qiáng)化污泥蚯蚓堆肥中效果最優(yōu)。

（責(zé)任編輯：李丹）

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFC1908601，2019YFC1803501）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51878004）；安徽高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（CXXT-2020-075）；安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202104a06020027）；安徽省高校優(yōu)秀人才重點(diǎn)支持計(jì)劃項(xiàng)目（gxyqZD2021129}；安徽省高潛水位礦區(qū)水土資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室開放課題（2022-WSREPMA-04）；2023年度省級新時(shí)代育人質(zhì)量工程（研究生教育）（環(huán)境生態(tài)學(xué)教學(xué)案例庫）；2022年度省級質(zhì)量工程項(xiàng)目（線下課程：水處理生物學(xué)）；安徽開源同林綠化工程有限公司研發(fā)專項(xiàng)