利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属和调节堆肥pH值的方法

摘要

本发明公开了利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属和调节堆肥pH值的方法，依次包括：(1)将混合基质放置在温度为15－21℃，空气湿度为34－40％中；(2)将蚯蚓接种在混合基质内，使蚯蚓的接种量达到20－50条/公斤；(3)在室温条件下放养蚯蚓45天，每天喷撒适量水，保持田间持水量为60％；(4)准确称取土样，测定垃圾堆肥重金属元素的含量变化及堆肥pH值的变化。本发明的方法工艺简单、投资少、无二次污染，利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥中的重金属和调节堆肥pH值，可以解决生活垃圾中的重金属复合污染问题，具有显著的生态效益、环境效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于城市环保技术领域，涉及城市垃圾堆肥中所含重金属的处理方法，更具体的说是一种利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属和调节堆肥pH值，用以解决生活垃圾中的重金属复合污染问题。

背景技术

随着经济的高速发展、人民生活水平的不断提高以及城市化的快速推进。城市面临的环境问题，尤其是城市生活垃圾污染问题越来越严重。城市生活垃圾不仅影响了城市环境，还危害到居民的身心健康，成为当今社会最严重的公害之一。当前，如何有效地处理城市生活垃圾，实现无害化、减量化和再资源化，解决城市生活垃圾污染问题，再现一个洁净、健康的城市生存环境，已是摆在我国各级人民政府面前的一个重要课题。

近些年来，人们利用垃圾堆肥进行肥田改土获得利益的同时，也意识到堆肥含有的重金属所带来污染问题：即城市生活垃圾中重金属，可在作物体内富集，并通过食物链迁移最终危害人类健康。这主要是因为，生物从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用，逐级在较高级的生物中成千上万倍地富集，然后经过食物进入人的身体，在某些器官中积蓄造成慢性中毒。例如垃圾堆肥中的铅能引起神经系统(神经衰弱、手足麻木)、消化系统(消化不良、腹部绞痛)、血液中毒和其他的病变。汞精神状态改变是汞中毒的一大症状。脉搏加快，肌肉颤动，口腔和消化系统病变。镉、锰主要危害神经系统等等。对此，早在上世纪80年代初，Furrer和Gupta(1983)就明确指出，瑞士每年约6万吨垃圾堆肥施入葡萄园获得效益的同时，应对重金属富集效应给予重视。多立安等(2005)通过对天津河北与大港两区垃圾堆肥中的重金属含量进行研究，结果表明：Mn分别是土壤的53.06和22.20倍，Ni分别是土壤的66.80和18.40倍，Cu分别是土壤的795.67和59.33倍，Zn分别是土壤的551.56和194.44倍，Pb分别是土壤的573.67倍和50.00倍。此外，Cd与Cr的浓度也是环境I类标准的197.00及389.93倍。

到目前为止，有关城市生活垃圾堆肥农用重金属污染效应研究，已有大量研究报道，其主要工作概括如下：

①各国生活垃圾堆肥重金属污染问题较为普遍。Lisk等(1992)研究表明，美国城市生活垃圾堆肥中Cd、Cu、Hg和Zn等含量要远高于生物有机堆肥；而Breslin(1999)研究表明，美国生活垃圾堆肥中Pb、Cu、Cd和Zn含量是土壤的3-20倍。等(2006)的研究结果得出，巴西大城市垃圾堆肥重金属含量要高于小城市堆肥重金属含量。②堆肥农用可加大土壤重金属污染的风险性。Ramos(2006)用3年时间，研究了施用垃圾堆肥的西班牙葡萄园土壤污染问题，结果表明，土壤重金属总量呈显著增加，其中Zn的含量增加幅度尤其突出。马琨等(2000)将垃圾堆肥作为肥料，土壤重金属Cu、Zn含量，则随堆肥用量而递增。Bhattacaryya等(2005)对印度加尔各达大学农场施入垃圾堆肥土壤的研究表明，Mn、Cr含量与垃圾堆肥用量及施用时间长短成正相关。等(2006)研究也表明，巴西土壤中Zn、Cu、Mn、Pb和Ni的含量也是随垃圾堆肥施入量的增加而递增；其中里约热内卢周边区域，施用堆肥的土壤中重金属污染问题突出，土壤中各类重金属含量为：Zn＞Pb＞Ni＞Cu＞Mn。③堆肥农用使作物积累重金属而引发生态安全问题。Zheljazkov和Warman(2004)对高Cu垃圾堆肥农用的研究表明，欧薄荷与莳萝中干物质Cu的积累达12mg/kg；堆肥应用可使两种作物所提炼的油中能富集较多的Zn、Cd、Ni、Cr和Pb；至2008年，预计作物组织Cu和Zn积累量将达321mg/kg。马琨等(2000)认为，垃圾堆肥农用春小麦生长体内Cu、Zn浓度有增加的趋势。④堆肥农用可使重金属渗漏而引发环境污染。Kaschl(2002)研究了中东迦萨地区的沙土地中施用生活垃圾堆肥，则出现了重金属Cd、Pb、Hg、Cu和Ni的渗漏污染问题，其中Cu和Ni渗漏污染严重，而Cu的渗漏量可达到100μg/L。可见，生活垃圾中的重金属复合污染问题可能是其堆肥作为农用的最大制约因素之一。因此，对城市生活垃圾堆肥重金属复合污染行为及其修复技术进行研究，对重振垃圾堆肥产业，实现城市生活垃圾减量化、资源化具有特别重要的意义。

此外，生活垃圾堆肥中pH值偏碱性也是堆肥作为农用土壤的最大制约因素之一。因为生活垃圾堆肥中的重金属一般是以氢氧化物、离子和盐类形式存在，土壤pH越低，金属的溶解度越高，容易被动植物吸收或迁移。而土壤pH偏碱性时，多数重金属离子进入土壤后通过沉淀、老化、专性吸附等物理化学过程形成难溶的氢氧化物而沉淀，动植物难以吸收，使重金属的活性减小，长期以往造成某些器官中重金属的积蓄，最终危害人类健康。科学研究表明：生活垃圾堆肥基质pH的降低对于重金属的活性、存在形态、重金属的溶出量、多种重金属之间的交互作用均有一定影响。因此，找到一种有效利用生物技术方法，来调整生活垃圾堆肥中的pH值，将偏碱性生活垃圾堆肥基质的pH值降低，可以使堆肥中部分难溶态的重金属离子得到活化，从而使可被利用的重金属生物有效态增加，进一步促进蚯蚓对重金属离子的吸收与富集。

蚯蚓为习见的一种陆生环节动物，生活在土壤中，昼伏夜出，以腐败有机物为食，连同泥土一同吞入。也摄食植物的茎叶等碎片。蚯蚓可使土壤疏松、改良土壤、提高肥力，促进农业增产。蚯蚓可显著增加土壤中全氮和氮、磷、钾有效养分含量，并可提高土壤中脲酶、蔗糖酶和微生物活性，增强土壤供肥性能。垃圾堆肥富含有机质和氮、磷、钾，是优质的有机肥料。施用垃圾堆肥可以促进植物生长，提高生物量。蚯蚓可以改良土壤，改善土壤的理化性质，那么研究蚯蚓对城市生活垃圾堆肥重金属复合污染修复技术与pH值调节技术具有重要的意义。但关于蚯蚓对城市生活垃圾堆肥重金属的富集以及蚯蚓对于垃圾堆肥重金属复合污染体系pH的影响的理论研究，尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于，通过研究蚯蚓活动对生活垃圾中的重金属复合污染问题，探索蚯蚓活动对生活垃圾堆肥基质中重金属的富集及酸碱度的调节，为蚯蚓进一步应用生活垃圾堆肥基质提供技术支持。

本发明人在试验中意外地发现：在堆肥基质中放入一定比例的蚯蚓，通过特定的培养，可以达到蚓体对城市生活垃圾堆肥中重金属的富集与修复，同时蚯蚓活动还降低了堆肥基质的pH值，鉴于上述发现完成了本发明的试验工作。

本发明的技术方案如下：一种利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属和调节堆肥pH值的方法，其特征在于依次包括以下步骤：

(1)将混合基质放置在温度为15-21℃，空气湿度为34-40％，平均光量子密度为600～800μmol·m^-2·s^-1的容器中；

(2)将蚯蚓接种在混合基质表面，使蚯蚓的接种量达到20-50/公斤；

(3)在室温条件下放养蚯蚓45天，每天喷撒适量水，保持田间持水量为60％；

(4)准确称取(3)的土样，测定城市生活垃圾堆肥重金属元素的含量变化及堆肥pH值的变化。

本发明所述的混合基质为：城市生活垃圾堆肥与土壤按0-5∶3-0重量份数比组成。例如，城市生活垃圾堆肥：土壤为0∶1、1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、3∶2、4∶3、5∶2、5∶3、或1∶0的比例混合均匀。优选0∶1、1∶1、2∶1或1∶0的比例混合均匀。

本发明所述的城市生活垃圾堆肥的pH一般为7.6-7.9，优选pH 7.5-7.62。

现实生活中，生活垃圾堆肥的重金属比土壤中高出数百倍，同时生活垃圾堆肥基质的pH值大多偏碱性。同时由于堆肥基质的pH值偏碱性，重金属进入土壤后通过沉淀、老化、专性吸附等物理化学过程成为难溶态，使重金属的活性减小。本发明将一定比例的蚯蚓放入混合基质中，实验发现：蚯蚓对生活垃圾堆肥pH值具有调节作用，最小降幅为0.1，最大达到0.21，其中城市生活垃圾堆肥与土壤基质2∶1(C)的降低效果最为显著。从而使可被利用的重金属生物有效态增加，促进了蚯蚓对重金属离子的吸收与富集。

本发明通过详细的实验数据进一步公开了蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用。特别是蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属镉方面的应用。同时本发明也公开了蚯蚓富集混合基质重金属方面的应用。特别是蚯蚓富集土壤基质重金属方面的应用。另外本发明也公开了蚯蚓在降低城市生活垃圾堆肥pH值方面的应用。为了能更加清楚的说明本发明的应用方法及实际效果，下面通过具体的实验进一步阐述本发明的实验方法：

1材料与方法

1.1实验材料

实验采用盆栽的方法，草坪植物培养基质重量为2.0kg，其中城市生活垃圾堆肥与土壤分别按0∶1(A)、1∶1(B)、2∶1(C)、1∶0(D)的比例混合均匀。生活垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，其理化性质为：pH 7.62，有机质含量12.12％，全氮5.18％，有效磷77.92mg·kg-1，全钾50.83g·kg-1，饱和含水量0.76ml·g-1，容重0.85g·ml-1。供试土壤取自天津师范大学实验地0～20cm深的表层土壤。其土壤性质为：pH 7.44，有机质含量4.68％，全氮0.21％，有效磷22.03mg·kg-1，饱和含水量0.58ml·g-1。土壤质地为砂质粘土。

1.2技术实验的设计

取盆口直径为18cm，高为20cm，且底部有透气孔的塑料盆，在盆底垫一层纱布，保证透气性良好，再铺一层潮湿的泥土，防止蚯蚓从底部钻出。各处理分别装入按比例混合的基质2kg，以土壤基质为对照。每盆放入蚯蚓50条，3次重复。实验在室温条件下进行，每天喷撒适量水，保持田间持水量为60％直至试验结束。实验进行45天。

1.3实验条件

室内平均温度为18℃，最高温度为20.7℃，最低温度为15.3℃。平均相对湿度为37.1％，最大湿度为39.7％，最小湿度34.5％。平均光量子密度为600～800μmol·m^-2·s^-1。

1.4测定方法

1.4.1供试城市生活垃圾堆肥重金属元素的测定方法

准确称取土样1～5g(根据样品中待测元素含量而定)，于100ml高型硬质玻璃烧杯中，加少许水湿润，加王水10～20ml。于电热板上加热保持微沸，至有机物剧烈反应后，加高氯酸2～10ml。继续加热至冒白烟，强火加热，直至土样呈灰白色，小心赶去高氯酸(但要注意不出现棕色烧结干块，若出现此情况，再加少许王水复原仍为白色)。同时作试剂空白。取下样品，用1％硝酸溶解，过滤于50ml容量瓶中，定容于标线，摇匀。用原子吸收分光光度计测定重金属含量。测定方法参照城乡建设环境保护部环境保护局主编的《环境监测分析方法》(1986)。

1.4.2蚯蚓体内重金属的测定方法

生活垃圾堆肥放养蚯蚓45天，将分离后的蚯蚓置于三角瓶中，使其排尽粪便，用去离子水冲洗干净，冷冻致死，60℃烘干，用研钵磨碎，过0.25mm筛，在80℃烘干24小时。取蚓体进行湿法消解：准确称取0.1～0.2g(干重)试样于150ml高型硬质烧杯中，加入5～20ml浓硫酸，盖上表面皿浸泡过夜，置电热板上微火加热，至颗粒溶化，再加入5～10ml浓硝酸，3～5ml高氯酸，摇匀，逐渐升温继续加热，此溶液逐渐变调，颜色变棕红注意防止炭化。继续加入5～10ml浓硝酸(共30～50ml)，如溶液仍有变棕红炭化趋势，再滴加浓硫酸。加热消解直至溶液变成透明无色。继续蒸发至溶液冒浓厚白烟，并出现粉红色或黄白色残渣为止。取下冷却，用水转入25ml容量瓶中，并稀释至标线，分别用原子吸收分光光度法测定重金属含量。测定方法参照《环境监测分析方法》。

1.4.3pH值测定：

pH值测定仪采用酸度计进行，取样基质均匀。

1.5数据处理：

数据分析采用EXCEL和SPSS 12.0分析软件进行处理。

2结果与分析

2.1生活垃圾堆肥重金属含量背景分析

从生活垃圾堆肥及土壤基质的重金属元素测定结果(表1)可以看出，堆肥中各重金属元素的含量均比土壤中高出数百倍，这在一定程度上可能会对蚯蚓的存活和生长产生不利影响，可能导致一些对重金属耐受能力较弱的个体生长缓慢、活动能力减弱甚至死亡。基质中重金属的含量较高可能使蚯蚓体内的某些重金属含量也随之升高。由于堆肥基质的pH值偏碱性，重金属进入土壤后通过沉淀、老化、专性吸附等物理化学过程成为难溶态，使重金属的活性减小。

表1堆肥的重金属含量背景分析(mg·kg-1)

2.2蚯蚓活动对生活垃圾堆肥pH值的调节作用

未放入蚯蚓前，不同混合基质的pH由低到高的顺序为：基质A＜基质B＝C＜D，由于土壤基质的pH值较低，堆肥基质的pH值较高，因此混合基质pH值随堆肥比例的增加而增加。放入蚯蚓后，蚯蚓的活动使各处理中基质的pH值有所降低，可见，蚯蚓对生活垃圾堆肥pH值具有调节作用(表2)，最小降幅为0.1，最大达到0.21，其中基质C的降低较显著(P＜0.05)。基质pH值的降低，可以使堆肥中部分难溶态的重金属离子得到活化，从而使可被利用的重金属生物有效态增加，这可能促进蚯蚓对重金属离子的吸收与富集。

表2蚯蚓活动对生活垃圾堆肥pH值的调节作用

^*P＜0.05

2.3生活垃圾堆肥对蚯蚓重量及蚯蚓数量的作用

蚯蚓放入四种基质后，存活数量均有所下降(表3)，其减少的数量由多至少的顺序为：基质D＞基质C＞基质＞基质B＞基质A。基质A与其它三种基质中的蚯蚓存活数之间差异显著。可以看出，随着堆肥在混合基质中所占比例的增加，蚯蚓的存活数减少，也就是说基质中重金属的含量越多，死亡的蚯蚓越多。这也与蚯蚓不同个体对重金属的耐受性不同有关，耐受性较差的个体在养殖的过程中死亡。蚯蚓放入各基质后的平均蚓重均低于放入基质前(表3)，其中基质C中平均蚓重和对照间差异显著(P＜0.05)，基质D差异极显著(P＜0.01)。随着基质中垃圾堆肥比例的增加，蚯蚓体重的减少也越显著，可以看出堆肥对蚯蚓的生长有一定的抑制作用，并且重金属对蚯蚓有毒害作用，但也有相当一部分蚯蚓对于重金属有一定的耐受性。

表3不同基质对蚓重及蚓数的影响

^*P＜0.05，^**P＜0.01

2.4蚓体对城市生活垃圾堆肥中重金属的富集与修复作用

基质中蚯蚓体内各重金属的含量由多至少的顺序与基质中重金属的含量变化一致(表4)，都是：基质D＞基质C＞基质B＞基质A。其中土壤与其它三种基质中蚓体的Zn和Cu含量差异显著，土壤与基质D中蚓体的Ni含量差异显著。可见基质中重金属的含量与蚯蚓体内重金属的含量有一定相关性。Cd元素在蚯蚓体内的浓度高于堆肥基质，可见，蚯蚓对Cd有明显的富集与修复作用，其富集倍数大于11；而Cu、Ni、Pb、Zn在蚯蚓体内的浓度均低于基质，没有富集现象，但蚯蚓对土壤中的重金属有显著的富集作用，另外在蚯蚓体内没有检测到Cr，由此可以看出，蚯蚓对不同金属元素的富集具有选择性。

表4基质中蚓体的重金属含量

表中数据以平均值±95％置信区间表示；同列中字母相同者差异不显著(P＞0.05)

3研发技术分析

蚯蚓活动降低了堆肥基质的pH值，Edwards等(1977)认为蚯蚓可调节土壤pH，使之趋于中性，但多数研究者都观察到蚓粪pH较原土升高的现象，他们指出蚯蚓消化道可分泌相当数量的氨，蚯蚓的钙腺还可以产生CaCO₃，从而导致蚓粪pH的升高，但研究对象多为无污染土壤，蚯蚓对于垃圾堆肥这一重金属复合污染体系的pH影响尚未见文献报道。由于堆肥基质为重金属复合污染体系，因此基质pH的降低对于重金属的活性、存在形态、重金属的溶出量、多种重金属之间的交互作用均有一定影响。

由于重金属溶出的增加，蚯蚓的体重及存活数量都有所减少，说明重金属对蚯蚓的生长有一定的抑制与毒害作用，但不同蚯蚓个体对重金属的耐受能力也不相同，其中对重金属耐受能力较弱的个体有死亡现象，耐受能力强的个体可以存活下来，这些个体对于堆肥基质的理化性质有影响，可以用于垃圾堆肥草坪建植体系中，应用于协同植物修复。

蚯蚓体内重金属的含量与所在基质中重金属的含量的变化一致，由此可以看出基质的重金属含量与蚯蚓对重金属的含量有一定相关性。四种基质中蚯蚓体内Cd含量均达到基质的数十倍，这说明蚯蚓对Cd有强烈的富集作用。在蚯蚓体内未发现Cu、Ni、Pb、Zn的富集现象，但可以看出蚯蚓对高浓度重金属的耐受能力很强。在蚯蚓体内没有检测到Cr元素，这说明Cr在蚯蚓体内的含量极少，这可能与不同元素被蚓体组织吸收作用的大小及排泄方式有关。

总之，蚯蚓能在生活垃圾堆肥基质中的存活、生长，并可利用蚯蚓富集生活垃圾堆肥重金属和调节堆肥pH值，都为今后利用蚯蚓修复生活垃圾堆肥提供了技术支撑。

具体实施方式

下面结合下面结合实施例对本发明做进一步的描述。其中土壤：取自天津师范大学实验地0～20cm深的表层土壤。生活垃圾堆肥：以天津市小淀生活垃圾堆肥为供试基质。蚯蚓：采用天津宁河贾立明蚯蚓养殖公司提供的赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)。

例1

实验采用盆栽的方法：室内平均温度为18℃，最高温度为20.7℃，最低温度为15.3℃。平均相对湿度为37.1％，最大湿度为39.7％，最小湿度34.5％。平均光量子密度为600～800μmol·m^-2·s^-1。取盆口直径为18cm，高为20cm，且底部有透气孔的塑料盆，在盆底垫一层纱布，保证透气性良好，再铺一层潮湿的泥土，防止蚯蚓从底部钻出。按城市生活垃圾堆肥与土壤1∶0(D)比例混合的基质2kg，测定重金属Cd的含量为1.97mg·kg-1。pH值为7.62。其中生活垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，其理化性质为：pH7.62，有机质含量12.12％，全氮5.18％，有效磷77.92mg·kg-1，全钾50.83g·kg-1，饱和含水量0.76ml·g-1，容重0.85g·ml-1。供试土壤取自天津师范大学实验地20cm深的表层土壤。其土壤性质为：pH 7.44，有机质含量4.68％，全氮0.21％，有效磷22.03mg·kg-1，饱和含水量0.58ml·g-1。土壤质地为砂质粘土。

富集的实验方法：将混合基质2kg的塑料盆放入蚯蚓50条。实验在室温条件下进行，每天喷撒适量水，保持田间持水量为60％，实验进行45天，直至试验结束。实验结束后，准确称取该土样2g，按常规方法处理后，用原子吸收分光光度计测定生活垃圾堆肥的重金属含量，用酸度计测pH值。表明蚯蚓对生活垃圾堆肥的重金属的修复及对pH值的调节效果较好：其中的重金属Cd的含量为21.78mg·kg-1；pH值为7.41。

例2

实验条件：实验采用盆栽，室内平均温度为18℃，最高温度为21℃，最低温度为16℃。平均相对湿度为37％，最大湿度为39％，最小湿度34.5％。取盆口直径为18cm，高为20cm，且底部有透气孔的塑料盆，在盆底垫一层纱布，保证透气性良好，再铺一层潮湿的泥土，防止蚯蚓从底部钻出。

实验配比：按城市生活垃圾堆肥与土壤2∶1(C)比例混合的基质2kg，测定重金属Cd的含量为1.97mg·kg-1。pH值为7.46。其中生活垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，其理化性质为：pH 7.62，有机质含量12.12％，全氮5.18％，有效磷76.62mg·kg-1，全钾51.23g·kg-1，饱和含水量0.7ml·g-1，容重0.89g·ml-1。供试土壤取自天津师范大学实验地15cm深的表层土壤。其土壤性质为：pH 7.41，有机质含量4.61％，全氮0.23％，有效磷22.1mg·kg-1，饱和含水量0.53ml·g-1。土壤质地为砂质粘土。

富集的实验方法：将混合基质2kg的塑料盆放入蚯蚓100条。实验在室温条件下进行，每天喷撒适量水，保持田间持水量为62％，实验进行45天，直至试验结束。实验结束后，准确称取该土样1g，按常规方法处理后，用原子吸收分光光度计测定混合基质的重金属含量。其中的重金属Cd的含量为21.78mg·kg-1；pH值为7.36。

例3

实验条件同实施例2。

实验配比：按城市生活垃圾堆肥与土壤1∶1(B)比例混合的基质2kg，测定重金属Cd的含量为1.97mg·kg-1。pH值为7.46。

富集的实验方法：将混合基质2kg的塑料盆放入蚯蚓150条。实验在室温条件下进行，每天喷撒适量水，保持田间持水量为62％，实验进行45天，直至试验结束。实验结束后，准确称取该土样1g，按常规方法处理后，用原子吸收分光光度计测定混合基质的重金属含量。其中的重金属Cd的含量为21.33mg·kg-1。pH值为7.33。

例4

实验条件同实施例2。

实验配比：按城市生活垃圾堆肥与土壤基质0∶1(A)比例混合的基质2kg，pH值为7.44，实验前测定的重金属含量如下：

富集的实验方法：将2kg土壤的塑料盆放入蚯蚓100条。实验在室温条件下进行，每天喷撒适量水，保持田间持水量为62％，实验进行45天，直至试验结束。实验结束后，准确称取该土样1g，按常规方法处理后，采用酸度计测定pH值为7.32。用原子吸收分光光度计测定土壤基质的重金属含量，结果如下：

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。