蚯蚓处理污水污泥工艺及蚯蚓粪土地利用研究

摘要

随着城镇污水处理厂的大规模建设和投产，污泥产量大幅度增加。污泥处理处置的基本原则是减量化、无害化、稳定化和安全化，开发低碳环保的污泥处理处置技术是目前国内外污水处理行业的研究热点。本研究以污水污泥和秸秆(调理剂)为原料，采用好氧堆肥预处理+蚯蚓处理工艺对污泥进行稳定化和无害化处理，研究污泥性质变化规律及影响因素，并分析蚯蚓粪质量。然后开展蚯蚓粪土地利用中试研究，运用系统聚类和分类主成分分析法研究不同施用水平下土壤重金属总量、化学形态和迁移能力以及土壤酶活性的变化规律，综合评估重金属污染程度和潜在生态风险，得出合理的蚯蚓粪施用量。主要结论如下：
　　 ①好氧堆肥使污泥含水率和有机质含量分别由73.0%和44.6%降至52.1%和35.6%，污泥显著减容且病原体含量显著减少，为蚯蚓处理创造了良好条件。蚯蚓处理使污泥堆肥pH由7.4±0.2降至6.5±0.1，TOC由205.8±7.6 g/kg降至154.7±13.1 g/kg；EC(电导率)由1.16±0.10 ms/cm升至1.40±0.12ms/cm，TN、TP和TK分别由13.1±0.7、12.5±0.3和2.7±0.2 g/kg升至17.9±1.3、17.3±1.4和3.7±0.4 g/kg，显著高于对照组。蚯蚓粪中碱解氮、速效磷和速效钾含量大幅度升高，C/N降至8.7±1.3，GI达到85%以上，无害化效果显著，其病原体和重金属含量符合我国园林绿化和土地改良的控制标准。ESEM分析显示，蚯蚓粪结构松散、孔隙率高、团粒结构丰富，说明蚯蚓处理显著提高了污泥的回收利用价值。
　　 ②蚯蚓放养密度、物料含水率及二者的交互作用对蚯蚓处理效果存在显著影响，其影响作用大小依次为：放养密度>含水率>交互作用，其中，放养密度和含水率的影响占主导作用。蚯蚓处理污水污泥的最优工况为：放养密度2.5 kg/m2、物料含水率60%。
　　 ③蚯蚓和微生物分解有机质的过程中存在质量损失，使重金属相对浓度升高，但重金属总量变化不大。蚯蚓粪中重金属的含量依次为：Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>As>Cd>Hg，且大多以稳定性更高的可氧化态和残渣态形式存在，说明蚯蚓处理可促进重金属钝化/固化，降低其生物毒性。蚯蚓对Ni和Cd表现出较强的生物富集作用，平均富集系数分别为2.18和1.46，但蚯蚓对Zn和Cu的吸收能力更强，其平均吸收量分别达到472.37 mg/kg和103.95 mg/kg。
　　 ④施用20-60t/hm2的蚯蚓粪使土壤pH降低，TOC、TN、TP和TK分别由25.7±0.6、1.5±0.01、0.5±0.01和14.3±0.4 g/kg升至52.7±6.6、2.0±0.2、0.7±0.1和16.4±0.8 g/kg，蚯蚓粪中大量腐殖酸、磷酸盐、铵盐、钾盐及其他无机离子进入土壤是提高土壤肥力主要因素。
　　 ⑤施用蚯蚓粪使土壤酶的整体活性水平显著升高，其中，过氧化氢酶和转化酶活性分别由9.5±0.1和1.6±0.1 mL/g升至9.5±2.3和2.0±0.2 mL/g，脲酶、碱性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性分别由100.0±7.7、16.2±2.2和18.5±2.4μg/(g.h)升至115.5±15.3、28.7±6.2和31.8±4.7μg/(g.h)，土壤养分含量增加和微生物活性增强是提高土壤酶活性的主要因素。在20-60t/hm2的施用范围内，土壤酶具有较高的聚合性，芳基硫酸酯酶活性变化可以表征土壤氧化还原酶和水解酶活性的变化规律；Cu对过氧化氢酶活性具有明显的抑制作用，Cd对碱性磷酸酶活性具有一定的抑制作用，Zn对芳基硫酸酯酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶活性均表现为激活作用，且各种重金属对酶活性的影响程度随蚯蚓粪施用量的升高而增强。
　　 ⑥在20-60t/hm2的蚯蚓粪施用范围内，土壤重金属含量有所升高，但仍远低于《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)的二级标准，且弱酸提取态和可还原态重金属含量无明显变化。土壤重金属在植株内的迁移能力依次为：Zn>Pb>Cu>Ni>Cd>As>Cr>Hg，其中，毒性较高的Hg、Cd和As的迁移系数均在0.4以下，迁移能力很低。土壤重金属具有良好的聚合性，可以使用Zn和Cu含量变化来表征大部分重金属的变化规律。
　　 ⑦施用蚯蚓粪一年后，土壤重金属的潜在生态风险程度依次为：Cd>Hg>Cu>As>Pb>Ni>Zn>Cr，但总体处于较低水平，与对照组相比无明显变化；受供试土壤重金属背景值的影响，Cd是最主要的潜在生态风险贡献因子。当施用量≥50t/hm2时，土壤受到轻度重金属污染。蚯蚓粪适用于碱性或弱碱性土壤，且不宜用于食物链植物，综合风险评价结果，提出合理的施用量为20-30t/hm2。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 污水污泥性质及处理处置现状

1.1.1 污水污泥来源及基本性质

1.1.2 污泥处理处置现状

1.1.3 污泥处理处置发展趋势

1.1.4 低碳理念与污泥处理处置过程中的能量利用

1.2 蚯蚓处理技术研究进展

1.2.1 蚯蚓处理污水污泥

1.2.2 蚯蚓处理城市垃圾

1.2.3 蚯蚓处理工业固废

1.2.4 蚯蚓处理农业垃圾

1.2.5 蚯蚓处理对重金属的影响

1.2.6 蚯蚓处理对微生物的影响

1.3 污泥土地利用对土壤和植物的影响

1.4 污泥土地利用的生态风险控制

1.4.1 重金属污染控制

1.4.2 有机污染物控制

1.4.3 病原体及微生物指标控制

1.4.4 污泥施用频率和总量控制

1.5 课题研究内容及意义

1.5.1 研究背景

1.5.2 研究目的

1.5.3 研究内容和技术路线

1.5.4 创新点

1.5.5 研究意义

2 试验材料与方法

2.1 试验区自然条件

2.1.1 地理条件

2.1.2 光照和气温

2.1.3 降水

2.2 供试材料

2.2.1 污水污泥

2.2.2 蚯蚓

2.3 试验装置

2.4 试验方案

2.4.1 蚯蚓处理试验设计

2.4.2 土地利用试验设计

2.5 检测指标及分析方法

2.6 数据分析

3 蚯蚓处理污水污泥工艺研究

3.1 好氧堆肥预处理对污泥性质的影响

3.1.1 温度

3.1.2 含水率

3.1.3 有机质

3.1.4 DH

3.1.5 EC

3.1.6 重金属

3.1.7 营养盐及微生物指标

3.2 蚯蚓处理对污泥性质的影响研究

3.2.1 蚯蚓反应器的环境调节

3.2.2 pH和EC的变化

3.2.3 有机碳含量变化

3.2.4 植物养分含量变化

3.2.5 碳氮比的变化

3.2.6 速效养分含量变化

3.2.7 病原体含量变化

3.2.8 重金属含量变化

3.2.9 蚯蚓处理对重金属形态的影响

3.3 蚯蚓对重金属的吸收能力

3.4 蚯蚓生长状况

3.4.1 蚯蚓表观特征

3.4.2 蚯蚓生长率

3.5 污泥微观结构的变化

3.6 本章小结

4 蚯蚓粪土地利用对土壤养分及酶活性的影响研究

4.1 蚯蚓粪对土壤养分含量的影响

4.1.1 pH和EC的变化

4.1.2 土壤TOC含量变化

4.1.3 土壤氮、磷、钾含量变化

4.1.4 土壤速效养分含量及土壤肥力质量评价

4.2 土壤氧化还原酶活性变化

4.2.1 过氧化氢酶活性变化

4.2.2 多酚氧化酶活性变化

4.3 土壤水解酶活性变化

4.3.1 转化酶活性变化

4.3.2 脲酶活性变化

4.3.3 磷酸酶活性变化

4.3.4芳基硫酸酯酶活性变化

4.4 土壤酶聚类分析

4.4.1 R型聚类分析

4.4.2 典型酶活指标选择

4.5 主成分分析验证

4.6 土壤重金属对酶活性的影响

4.6.1 因子分析

4.6.2 土壤酶活性拟合模型

4.7 本章小结

5 蚯蚓粪土地利用对土壤重金属含量及生物有效性影响研究

5.1 土壤重金属常见种类及其危害

5.2 蚯蚓粪对土壤重金属生物有效性的影响

5.2.1 土壤重金属总量变化

5.2.2 土壤重金属化学形态变化

5.3 土壤重金属迁移能力研究

5.4 土壤重金属聚类分析

5.4.1 R型聚类分析

5.4.2 典型重金属选择

5.5 主成分分析验证

5.6 本章小结

6 土壤重金属污染风险评价

6.1 指数评价法

6.2 内梅罗综合污染指教法

6.2.1 评价标准和分级标准

6.2.2 评价结果

6.3 地质累积指数法

6.3.1 评价标准和分级标准

6.3.2 评价结果

6.4 富集因子法

6.4.1 评价标准和分级标准

6.4.2 评价结果

6.5 Hakanson潜在生态风险指数法

6.5.1 评价标准和分级标准

6.5.2 评价结果

6.6 蚯蚓粪施用量的确定

6.7 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参与的科研项目

C.申请专利情况