廢紙脫墨污泥蚯蚓生物處理效應

摘要：探討采用大平2號蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的最佳工藝條件、污泥重金屬和肥效等變化，以及蚯蚓對污泥重金屬的吸收或富集作用，結果表明，在脫墨污泥 ∶大豆秸稈 ∶稻殼（大豆秸稈、稻殼為輔料）質量比為100 ∶1 ∶1 條件下，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳培養(yǎng)時間為30 d，最佳蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥；最佳工藝條件下，蚯蚓生物處理污泥Cu、As的去除率分別達到43%、57%，污泥全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量分別上升25%、75%、10%；蚯蚓對于污泥中Cu的吸收系數(shù)K=0.47，對As的富集系數(shù)K=1.73，蚯蚓對脫墨污泥中重金屬的去除能力As>Cu。

關鍵詞：脫墨污泥；蚯蚓；重金屬；肥效；富集作用

中圖分類號： X793文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0358-03

收稿日期：2013-11-19

基金項目：江蘇省科技支撐計劃（編號：BE2012427）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程。

作者簡介：李恒（1989—），男，江蘇無錫人，碩士，從事造紙工業(yè)固體廢棄物的資源化利用研究。E-mail：liyuheng1989@126.com。

通信作者：龍柱，博士，教授，博士生導師，從事制漿造紙技術、纖維功能材料和生物資源綜合利用研究。E-mail：longzhu@jiangnan.edu.cn。廢紙資源的循環(huán)利用是我國造紙工業(yè)發(fā)展的一大特色，廢紙造紙的興起推動了我國造紙工業(yè)的快速發(fā)展；但是，從目前我國造紙生產的運行情況及環(huán)境保護角度來看，造紙工業(yè)主要固體廢棄物——廢紙脫墨污泥的無害化處理與資源化利用是造紙工業(yè)亟待解決的重大問題。據中國造紙協(xié)會調查資料顯示，2012年全國紙漿生產總量為7 867萬t，其中，廢紙漿5 983萬t，較2011年增長5.71%[1]。另據統(tǒng)計，2012年全國廢紙脫墨污泥的產量為200萬～250萬t。隨著國家對環(huán)保的要求越來越高，廢紙循環(huán)利用的比例進一步增大，廢紙脫墨污泥的產量也將會更加巨大。目前，對廢紙脫墨污泥的處理主要是堆積填埋和焚燒。堆積填埋的缺點是占用大量土地、不能根治污染；焚燒處理的缺點是投資運營費用較高，易產生尾氣污染[2]。Hartenstein最早提出的蚯蚓生物處理技術具有成本低廉、二次污染少等特點，可以有效降低污泥中重金屬含量，提高污泥肥效，使處理后的脫墨污泥可以應用于農業(yè)生產，成為優(yōu)質的有機肥，實現(xiàn)污泥的“減量化、無害化、資源化”[3]。國內外對于利用蚯蚓生物處理造紙污泥的研究已有少量報道。劉鴻雁等對蚯蚓生物處理竹漿造紙污泥后污泥的肥效和重金屬Pb、Zn、Cu的變化進行了研究[4]；李丹等研究了蚯蚓生物處理造紙活性污泥過程中蚯蚓的生長繁殖情況[5]；Banu等對生物處理造紙廢水污泥的蚯蚓種類及接種密度進行了研究[6]。對于利用蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的研究還未見報道。為此，本試驗對大平2號蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的最佳工藝條件、污泥重金屬和肥效等變化，以及蚯蚓對污泥重金屬的吸收或富集作用等進行研究，為蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥的開發(fā)利用提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

廢紙脫墨污泥來自廣西某造紙廠，利用100%廢紙生產新聞紙，所用廢紙由85%的8#美國廢紙和15%的10#美國廢紙組成。供試的蚯蚓品種為日本大平2號蚯蚓，購于無錫市某養(yǎng)殖場。

1.2試驗設計

1.2.1蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥最佳培養(yǎng)時間和最佳蚯蚓投放量的單因素試驗（1）最佳培養(yǎng)時間：將蚯蚓放于裝有脫墨污泥的花盆中，置于陰暗處培養(yǎng)，每個花盆中污泥重量為500 g，蚯蚓投放量為 20 g，培養(yǎng)時間分別設定為15、30、60 d；（2）最佳蚯蚓投放量：設置3個不同的蚯蚓投放量，蚯蚓和污泥的質量比分別為1 ∶50、1 ∶25、1 ∶12.5，即每500 g脫墨污泥中分別投放10、20、40 g蚯蚓，培養(yǎng)時間為30 d。培養(yǎng)溫度均為25～30 ℃，污泥濕度均為70%～85%[7]。根據蚯蚓生物分解脫墨污泥重金屬去除效果，確定最佳的培養(yǎng)時間和蚯蚓投放量。

1.2.2蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥添加輔料對照試驗在原始脫墨污泥中添加輔料，輔料為大豆秸稈和稻殼，輔料與污泥質量比為：脫墨污泥 ∶大豆秸稈 ∶稻殼=100 ∶1 ∶1，培養(yǎng)時間和蚯蚓投放量根據單因素試驗得到的最佳培養(yǎng)時間和最佳投放量進行設定。

1.3測定方法與儀器

污泥和蚯蚓金屬含量參考相關文獻[8-9]，采用原子吸收分光光度計法進行測定；污泥有機質、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、pH值測定方法參考土壤農業(yè)化學分析方法[10]。

試驗儀器包括原子吸收分光光度計（美國Varian公司，型號Spectr AA-220/220Z）、元素分析儀（德國Elementar公司，型號Vario ELⅢ）、可見光分光光度計（日本島津公司，型號UV-2450）等。

2結果與分析

2.1不同培養(yǎng)天數(shù)和蚯蚓投放量對廢紙脫墨污泥產金屬的去除效果

廢紙脫墨污泥是廢紙在浮選脫墨過程中形成的固體廢渣。本試驗脫墨污泥中主要含有8#美國廢舊報紙中的填料和涂料以及10#美國廢舊雜志紙中的顏料、膠黏劑、助劑等，另外還含有細小纖維、短纖維、粗渣、油墨粒子和雜質等。由表1可見，農用污泥中As含量控制標準超過酸性土壤和堿性土壤，Cu含量控制標準超過了酸性土壤，As和Cu是污泥主要的污染控制源。表1脫墨污泥中重金屬含量與農用污泥污染物控制標準（GB 4284—1984）

名稱含量（mg/kg）CuZnNiCrPbCdAsHg農用污泥控制標準269328402142350.06114-酸性土壤控制標準2505001006003005755堿性土壤控制標準5001 0002001 0001 000207515endprint

由圖1可見，在0～30 d內，脫墨污泥中重金屬Cu和As的含量逐步減少，30 d時Cu和As的含量降至最低，這主要是由蚯蚓對脫墨污泥的攝食及其體表對重金屬的被動擴散吸收[11]所致；在30～60 d內，污泥中重金屬Cu和As均有小幅增加，這可能是由于蚯蚓的排泄等所致，使蚯蚓吸收污泥中的重金屬重新轉移到脫墨污泥中。因此，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳培養(yǎng)時間為30 d，此時，脫墨污泥中重金屬Cu和As的去除率分別高達37%和51%。

由圖2可見，隨著蚯蚓投放量的增大，脫墨污泥中重金屬Cu含量先減小再增大；在蚯蚓投放量為20 g時，脫墨污泥中重金屬Cu含量降至最低；當蚯蚓投放量繼續(xù)增大，重金屬Cu含量反而升高，這可能是由于過多的蚯蚓投放量導致蚯蚓的種內競爭劇烈，蚯蚓吸收重金屬Cu的能力下降；隨著蚯蚓投放量的增加，重金屬As含量逐步降低，蚯蚓投放量為20～40 g 時，脫墨污泥中重金屬As的去除效果無明顯差異。因此，蚯蚓生物處理脫墨污泥的最佳蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥，此時，蚯蚓對污泥中重金屬Cu和As的去除效果最好。

2.2蚯蚓生物處理脫墨污泥中添加輔料對重金屬的去除效果

大豆秸稈和稻殼中富含N、P、K等營養(yǎng)元素，通過在脫墨污泥中添加一定量的大豆秸稈和稻殼，不僅可以調節(jié)污泥的碳氮比例（C/N），促進蚯蚓生長繁殖[12]，還可以調節(jié)污泥中水分含量和透氣性，使蚯蚓在脫墨污泥中的生存環(huán)境得以改善。由圖3可見，脫墨污泥中添加大豆秸稈和稻殼后，污泥中重金屬Cu、As的去除率分別高達43%、57%，處理效果均高于未添加輔料的，這與Lee的研究結果一致[13]。

由表2可見，通過蚯蚓+輔料生物處理脫墨污泥，脫墨污泥中的TN、TP、TK含量均有不同程度增加， 增長幅度分別為25%、75%、10%，含量均高于國家一級土壤養(yǎng)分標準，污泥肥效增加的主要原因是蚯蚓有著豐富的酶系統(tǒng)，通過蚯蚓與微

生物的共同作用，可以促進污泥中N、P的轉化，蚯蚓排泄的蚯蚓糞中富含蛋白質、磷脂等有機養(yǎng)分[14]，另一個原因是大豆秸稈和稻殼的加入，增加了污泥中TN、TP、TK的總量；污泥中有機質含量有所降低，這主要是由于蚯蚓的生物分解作用，使污泥中的有機碳向無機碳進行轉化，小分子有機和無機氣體會不斷排出[15]；污泥pH值變化不明顯，pH值由處理前的7.7增加至7.9，這可能是由于蚯蚓消化道產生了一定量的氨、蚯蚓體內鈣腺還會分泌一定量的碳酸鈣 [16]所致。

2.3蚯蚓對脫墨污泥重金屬的吸收或富集作用

根據蚯蚓體內重金屬含量濃度與脫墨污泥中重金屬含量濃度比值K的大小，可以分析蚯蚓對脫墨污泥中重金屬的吸收或富集能力。當K小于等于1時，稱其為吸收系數(shù)，說明蚯蚓對某種重金屬有吸收作用，但是沒有富集作用；當K大于1時，稱其為富集系數(shù)，說明蚯蚓對某種重金屬有吸收富集作用[17]。對添加輔料的脫墨污泥進行蚯蚓生物處理試驗，試驗前蚯蚓體內重金屬Cu和As的本底值分別為25 mg/kg和 53 mg/kg，試驗結束后蚯蚓體內Cu和As含量分別為 72 mg/kg 和85 mg/kg。經計算，蚯蚓對重金屬Cu的吸收系數(shù)K=0.47（<1），只具有吸收作用，不具有富集作用，這說明蚯蚓可能會在吸收重金屬Cu的過程中，當Cu濃度超過其耐受極限后，會把一部分Cu排出體外；蚯蚓對于重金屬As的富集系數(shù)K=1.73（>1），不僅具有吸收作用，還可以通過其消化系統(tǒng)富集重金屬As，這說明蚯蚓對于As有很高的耐受極限，As可以在蚯蚓體內不斷累積，蚯蚓對As有更好的吸收富集作用。

3小結

在培養(yǎng)時間為30 d、蚯蚓投放量為20 g/500 g污泥的試驗條件下，利用日本大平2號蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥（添加一定量輔料），蚯蚓對污泥中Cu、As的去除率分別達到43%、57%，污泥中超標重金屬Cu、As含量均能符合國標（GB 4284—1984）要求；處理后污泥肥效有所增加，TN、TP、TK增幅分別為25%、75%、10%，其含量均高于國家一級土壤養(yǎng)分標準；蚯蚓對Cu的吸收系數(shù)K=0.47，對As的富集系數(shù) K=173，蚯蚓對脫墨污泥中重金屬As的去除能力大于Cu。

利用蚯蚓生物處理廢紙脫墨污泥，不僅可以降低脫墨污泥對環(huán)境的污染風險，保護生態(tài)環(huán)境，還可以把處理后的污泥應用于農業(yè)生產，作為有機肥料使用，變廢為寶，這為發(fā)展循環(huán)經濟，為造紙工業(yè)主要固體廢棄物——廢紙脫墨污泥的處理處置和資源化利用提供了經濟、便捷、有效的途徑。

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