, 黄魁2, 伏小勇21. 西北民族大学化工学院, 甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室, 兰州 730030;
2. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070
收稿日期: 2017-12-13; 修回日期: 2018-05-05; 录用日期: 2018-05-05
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金（No.31920130024，31920150241）；校级中青年科研基金（No.12XB34）
作者简介: 魏亚军(1984-), 男, E-mail:524408244@qq.com
通讯作者（责任作者）: 魏亚军, 男, 硕士, 讲师, 研究领域为水污染治理、污泥资源化及环境友好复合材料制备.E-mail:524408244@qq.com
摘要: 蚯蚓处理污泥反应器中，常伴大量的白色线蚓（寡毛纲、线蚓科）.因此，本文以蚯蚓处理城市污泥为研究对象，初步探讨了白线蚓（Enchytraeus Spp.）接种密度对赤子爱胜蚓（Eisena fetida）处理城市污泥的影响.结果表明，白线蚓的密度显著影响了蚯蚓堆肥后产物的物理化学性质和蚯蚓的生物量.白线蚓接种密度与蚯蚓堆肥产物的pH值、电导率（EC）、总氮（TN）呈负相关；与其总有机碳（TOC）、有效磷（AP）、重金属Cu、Zn、Pb、Cr及Cd的含量呈正相关.同时较高的白线蚓接种密度显著降低了蚯蚓的生长率，但蚯蚓的卵数未受显著影响.由此可知，蚯蚓和白线蚓在反应器中存在食物链竞争关系.本研究建议对蚯蚓处理污泥反应器中的白线蚓采取一定的控制措施.
关键词:城市污泥蚯蚓白线蚓理化性质重金属
Effects of enchytraeids on vermicomposting of sewage sludge
WEI Yajun1
, HUANG Kui2, FU Xiaoyong2 1. College of Chemical Engineering, Northwest Minzu University, Key Laboratory for Utility of Environment-friendly Composite Materials and Biomass in Universities of Gansu Province, Lanzhou 730030;
2. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070
Received 13 December 2017; received in revised from 5 May 2018; accepted 5 May 2018
Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 31920130024, 31920150241) and the Young and Middle-Aged Scientists Research Fund of Northwest University for Nationalities (No. 12XB34)
Biography: WEI Yajun(1984—), male, E-mail:524408244@qq.com
*Corresponding author: WEI Yajun
Abstract: A large number of enchytraeids are often propagated in vermicomposting reactor during recycling of sewage sludge, which may affect the performance of vermicomposting by earthworms. Therefore, this study aims to investigate the effects of different densities of enchytraeids inoculated on the vermicomposting for treating dewatered sludge. The results show that the properties of final vermicomposting products and the biomass of earthworms were strongly influenced by the densities of enchytraeids. The increasing population of enchytraeids had a negative correlation with pH, electrical conductivity (EC), total nitrogen (TN) of the vermicompost, while had a positive correlation with total organic carbon (TOC), available P and heavy metals (Cu, Zn, Pb, Cr and Cd) of the end products. And also, the higher density of enchytraeids significantly reduced the growth of earthworms. However, for the cocoon number of earthworms, no significant effect was recorded. Such finding reveals that the relationship of food chain competition between earthworms and enchytraeidae existed, causing the negative effect on earthworms. Hence, it is suggested that some control measures should be taken for the enchytraeids in the vermicomposting reactor of sewage sludge.
Key words: sewage sludgeearthwormsenchytraeidsphysicochemical propertiesheavy metals
1 引言(Introduction)近年来, 随着社会经济的快速发展、城市化进程的不断加快及人们环保意识的不断加强, 城市污泥的回收再利用已经成为一种共识.相比于传统的好氧堆肥技术, 污泥的蚯蚓分解处理技术不仅快速、流程简单、经济效益高、无污染, 而且能够促使有机物降解转化(伏小勇等, 2017；Swati et al., 2017), 实现污泥减量化、资源化(Su et al., 2016).此外, 蚯蚓粪富含植物所需的营养元素(N、P、K等)和多种微生物, 在种植业、畜牧业等领域具有广阔的市场前景(庞宇飞等, 2017).
土壤生态系统中存在多样生物种群, 其中, 线蚓科生物广泛分布于其中(Lavelle et al., 1997).因此, 在蚯蚓处理城市污泥过程中, 相关****的研究焦点已从单纯考察蚯蚓对土壤营养元素、重金属含量等影响(陈学民等, 2010), 逐渐侧重于其它生物、微生物与蚯蚓体系间的相互作用和关系上(Monroy et al., 2008).白线蚓作为土壤生态系统中重要的组成部分, 能通过碎裂有机颗粒、改变土壤性质和结构等作用(Tosza et al., 2010；Van Vliet et al., 2004).研究发现蚯蚓处理污泥体系中, 常伴有大量的白线蚓的存在, 特别是在适宜湿度和温度下, 线蚓数量会显著增高(Haukka et al., 1987), 这势必会影响蚯蚓的生理和生长, 对蚯蚓处理污泥技术存在一定影响.但白线蚓对蚯蚓的生长速率、平均死亡率及繁殖率的作用影响, 以及其对蚯蚓处理城市污泥中的物化性质、重金属、营养物质研究相对较少.
为此, 本研究以含有一定数目蚯蚓的城市污泥为研究对象, 接种不同密度的白线蚓进行室内培养, 系统研究白线蚓作用下, 蚯蚓处理的城市污泥的物化性质、重金属、营养物质及白线蚓和蚯蚓生物量的变化, 以期为白线蚓-蚯蚓联合处理城市污泥技术提供一定的理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 实验材料供试蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eisena fetida), 采自本地, 由兰州大学医学院冯孝义教授鉴定.之后, 利用实验室污泥喂养驯化, 并按照无环带(Fu et al., 2014)、健康及活性好的原则, 选择体长为3~5 cm, 个体重约为0.5 g的蚯蚓为实验用蚓.
供试白线蚓(Enchytraeus Spp.)收集自实验室, 选取最大的观测密度作为本研究白线蚓的最大密度.在一定面积的蚯蚓处理污泥系统, 表面喷洒少量5%的葡萄糖溶液, 大量白线蚓将自动的聚集在污泥的表面.将白线蚓大量存在的污泥收集放置于5 L玻璃容量瓶中, 瓶口用塑料薄膜覆盖, 5 h后大量白线蚓附着于器皿壁上, 选取体长在10~20 mm的白线蚓, 称重, 并为实验所用.
实验所用基质土是将蚯蚓处理污泥后的蚯蚓粪阴干, 使含水率在40%左右, 之后过2.36 mm筛, 除去大颗粒和蚯蚓卵.
供试污泥为兰州市七里河污水处理厂刚脱水的新鲜污泥, 其基本化学性质见表 1.
表 1(Table 1)
| 表 1 供试污泥基础理化性质 Table 1 The physicochemical properties of sewage sludge for experiments | ||||||||||||||||||||||
表 1 供试污泥基础理化性质 Table 1 The physicochemical properties of sewage sludge for experiments
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2.2 实验方法为了考察白线蚓对蚯蚓处理污泥的理化性质、重金属含量和营养物质的影响, 设计如下方案：接种蚯蚓数量与污泥投加量按照相关研究设定(伏小勇等, 2015), 分别投放20条赤子爱胜蚓和不同接种密度(0、2.00×104、4.00×104、6.00×104和8.00×104 m-2)的白线蚓为实验组, 以供试污泥(赤子爱胜蚓条数及白线蚓接种密度均为0)为空白对照组, 每组平行做3个重复.选取口径为11 cm、深为15 cm、底部有孔的塑料花盆, 分别在花盆底部放置一层纱布, 装入0.3 kg的基质土, 并将基质土的含水率调至60%左右, 平衡24 h.分别加入赤子爱胜蚓和不同接种密度的白线蚓, 平衡48 h后向盆中投放0.2 kg的供试污泥, 盆上做好标记.将它们放于室内遮光、保湿, 保持室内温度在22~28 ℃, 每盆的湿度控制在70%±10%, 50 d实验结束, 将蚯蚓、蚯蚓卵及白线蚓拣出、计数.
2.3 样品测定将蚯蚓处理的污泥阴干、研磨, 过0.15 mm筛, 待测其相关理化性质.
取30 g待测土样, 用10倍蒸馏水溶解, 磁力搅拌1 h, 离心取上清液后利用pH计及电导率仪测定其pH值及电导率(EC)；取50 g待测土样在105 ℃下烘干水分, 之后利用马弗炉在550 ℃下灼烧5 h后测定其灰分；全氮测定采用凯氏定氮法(GB11891-89)；有效磷测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法(GB9837-1988)；TOC测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；重金属测定采用电感耦合等离子发射仪(IRIS Intrepid ⅡXSP, Thermo Elemental, USA)测定.
2.4 数据统计分析实验所得数据采用Statistica 6.0统计软件进行单因素方差分析(ANOVA), 利用最小显著性差异(LSD)多重比较方法, 在显著性水平α=0.05下对不同处理之间的差异性也相应地进行比较分析.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 白线蚓对自身及蚯蚓生物量变化的分析蚯蚓和白线蚓生物量的变化直接反映其对栖息环境的适应能力, 此外也间接反映两物种之间的相互关系.蚯蚓处理城市污泥过程中蚯蚓和白线蚓生物量的变化如表 2、表 3所示.从表 2中可以看出, 不同白线蚓接种密度对于最终的蚯蚓卵数和蚯蚓条数表现出显著差异(p < 0.01)；线蚓密度的增加显著降低了蚯蚓的产卵率并增加了蚯蚓的死亡率.这一结果说明, 初始污泥中较高的白线蚓密度对蚯蚓的生长起到一定的抑制作用.这可能归因于白线蚓在蚯蚓体系中竞争生存空间、食物及营养物质的结果.此外, 白线蚓的存在使蚯蚓体系生活条件的改变(pH、土壤的通风能力等)可能是影响蚯蚓生长的另一重要的原因(Haukka et al., 1987).并且, 实验中发现, 大多数赤子爱胜蚓没有和白线蚓生活在同一层, 而是进入较深的底层活动.然而, 研究发现实验组T3的蚯蚓卵数最多, 这与蚯蚓的增长率有明显的差异.对此结果仍有待于进一步研究.另外, 本实验就白线蚓的最终接种密度也进行了考察.相比最初的接种密度, 所有的实验组中白线蚓均有不同程度的增长.由此说明, 白线蚓在蚯蚓处理城市污泥中能够很好地生长.
表 2(Table 2)
| 表 2 蚯蚓生物量的变化 Table 2 Changes of earthworm′ biomass | ||||||||||||||||||||||||||||
表 2 蚯蚓生物量的变化 Table 2 Changes of earthworm′ biomass
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表 3(Table 3)
| 表 3 白线蚓生物量的变化 Table 3 Changes of enchytraeidae′ biomass | ||||||||||||||||||
表 3 白线蚓生物量的变化 Table 3 Changes of enchytraeidae′ biomass
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3.2 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥的理化性质分析不同接种密度的白线蚓对蚯蚓处理污泥后的理化性质变化见表 4.如表 4所示, 不同接种密度的白线蚓对蚯蚓处理污泥的pH、电导率(EC)和总有机碳(TOC)的影响均表现出极显著性差异(p < 0.001).与供试污泥相比, 蚯蚓处理污泥的pH值有所降低, 这与污泥在降解过程中会产生的一定量CO2和有机酸有关(Haimi et al., 1986).此外, 蚯蚓处理污泥的pH值随着白线蚓接种密度的不断提高, 呈显著降低的趋势.这可能是由于随着白线蚓接种密度的增加, 富含铵盐的白线蚓粪随之增加, 且铵盐能很快转化为硝酸盐, 降低了体系的pH值(Martin et al., 1993)；另一方面, 可能和白线蚓具有比较高的排氨率有关(Maraldo et al., 2011).
表 4(Table 4)
| 表 4 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥的理化性质、营养物质变化 Table 4 Variations in physicochemical properties and nutrients during vermicomposting of sewage sludge inoculated with different enchytraeidae density | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥的理化性质、营养物质变化 Table 4 Variations in physicochemical properties and nutrients during vermicomposting of sewage sludge inoculated with different enchytraeidae density
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电导率(EC)反映农业土壤的盐度、污泥中无机离子含量也是确定蚯蚓处理后的污泥是否能够作为农业用途的重要指标(Yadav et al., 2011).与供试污泥相比, 蚯蚓及与白线蚓所处理污泥的EC值都有不同程度的提高.但与未接种白线蚓的蚯蚓处理的污泥相比, 蚯蚓处理污泥中白线蚓接种密度的不断提高, 其EC值呈先升高后逐渐降低的趋势, 实验组T2的EC值最高, 可达(3.12 ± 0.12) S · cm-1, T5的EC值最低, 为(2.30 ± 0.13) S · cm-1.在蚯蚓堆肥系统中, 线蚓也是主要的有机物分解者, 位于食物链底端(Sampedro et al., 2008).低密度白线蚓能够先将有机物进行初步分解, 促进微生物的活性, 促使蚯蚓更好的将有机质分解、转化和矿化作用提高, 从而释放出大量的矿物质盐和无机离子(Sampedro et al., 2008).而高密度白线蚓的存在则会抑制蚯蚓的生长；另一方面, 大量的白线蚓会通过取食土壤中微生物和白线蚓粪便中的真菌来弱化矿化作用, 从而减少蚯蚓的食物营养, 导致EC降低.
与供试污泥相比, 实验组的TOC值均有明显降低.这主要是由于蚯蚓、微生物及不同接种密度的白线蚓共同作用的结果.当白线虫接枝密度为2.0×104 m-2时, TOC含量最低为14.13%±0.50%.这可能是由于低密度白线虫的存在对于蚯蚓和微生物的活动起到一定的促进作用, 改善了蚯蚓所在体系的环境, 促进了微生物的呼吸作用, 从而增加了污泥中TOC的损失(Gupta et al., 2007).然而, 随着白线蚓接种密度的不断提高, TOC含量又有所提升, 这可能是由于高密度白线蚓会在一定程度上代替蚯蚓来摄取大量食物资源, 改变了微生物的生存环境, 最终影响有机物的降解作用(Brown et al., 2004；Dominguez et al., 2004).
3.3 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中氮磷变化分析众所周知, 氮、磷、钾等是植物生长必需的营养元素, 此外它们也是评价污泥是否能够进行资源化的一项重要指标, 尤其是氮和磷(Khwairakpam et al., 2009).我们对白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中营养元素(总氮)TN和(有效磷)AP的变化影响情况进行了相应的测试, 结果如表 4所示.不同接种密度的白线蚓对蚯蚓处理城市污泥TN含量的影响在不同实验组中均表现出极显著性差异(p < 0.001).与供试污泥中TN含量相比, T5实验组中的TN含量有一定地降低, 而其他实验组中TN含量有都明显地升高, 且T1实验组中TN含量为最高, 达到(14.84±0.83) g · kg-1, 增加了17.5%.相关研究表明, 蚯蚓处理过的城市污泥中TN含量会得到显著地提高(Yadav et al., 2009；Hait et al., 2011).导致这一结果的原因主要是由于蚯蚓自身分泌的粘液、尿液、蚯蚓产生的粪便、蚯蚓活动过程中微生物对氮转化的媒介作用、死亡的蚯蚓等因素(Khwairakpam et al., 2009).然而, 我们发现当蚯蚓处理的污泥中接种不同密度白线蚓后, 污泥中TN的含量呈不断减少的趋势.这可能是由于白线蚓在繁殖过程中会消耗一定量的有机氮.研究表明, 在蚯蚓和白线蚓共存的污泥体系中, 蚯蚓和白线蚓的存在尽管能够提高无机氮含量(Maraldo et al., 2011；Briones et al., 1998), 但这也尚不能弥补由污泥中有机氮所转化成白线蚓生物质所消耗TN的量.
不同接种密度白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中AP含量的影响如表 4所示.结果表明, 实验组中AP含量均高于供试污泥(p < 0.05), 且不同的处理之间存在显著性差异.T4处理组中的AP含量为最高, 增长了38.5%, 而T1处理组中AP含量的增长最低为17.6%.AP含量的增加可能是由蠕虫肠道酶的直接行为和微生物群落的间接刺激等因素所造成的(Garg et al., 2006).此外, 随着白线蚓接种密度的不断增加, 实验组中AP含量呈正相关关系(p < 0.01).这说明在蚯蚓堆肥处理体系中一定量的白线蚓存在能够有效促进磷元素通过矿化和生物转化等形式转化成AP.相关文献的结果也表明, 白线蚓能够通过矿化作用使得总磷和有机磷等得到显著地增加(Martin et al., 1993).在白线蚓接种密度达到8.00×104 m-2时, 污泥中的AP含量反而略有降低, 这可能是由于高密度的白线蚓会抑制蚯蚓对有机质的分解, 也有可能大量的白线蚓会抑制蚯蚓和微生物的活性, 降低了对有机质的矿化作用.
3.4 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中重金属变化的分析植物生长需要少量的重金属矿质营养, 但是污泥中重金属含量过多将成为其农用利用中受限的主要因素之一.因此考察白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中重金属含量的变化尤为重要.图 1为不同接种密度白线蚓对蚯蚓处理城市污泥中重金属Cu、Zn、Pb、Cr及Cd含量的变化情况.蚯蚓处理的城市污泥中引入不同接种密度的白线蚓后, Cu、Zn、Pb、Cr及Cd的含量均有显著地降低(Cu: p < 0.001; Zn: p < 0.001; Pb: p < 0.001; Cr: p < 0.01; Cd: p < 0.001), 并且随着白线蚓接种密度的增加, 这几种重金属的含量逐渐降低, T5处理组中的重金属Cu、Zn、Pb、Cr及Cd含量达到最低, 分别降低了26.7%、16.7%、31.6%、13.6%和15.8%.对于T1实验组来说, 蚯蚓本身对污泥中的重金属就有较强的富集能力.诸多研究表明蚯蚓对污泥堆肥体中重金属有较强的富集能力, 并能够将形态转化(王振兴等, 2017).蚯蚓体内肠道中的黄色细胞和酶对富集重金属量起到了至关重要的影响(Vijver et al., 2005；Morgan et al., 2004；李许明等, 2007).在引入白线蚓后, 蚯蚓处理的城市污泥中5种重金属含量均有不同程度的降低.这种降低主要与白线蚓对重金属也具有富集作用有关(Tosza et al., 2010；Van Vliet et al., 2006).由此可知高接种密度的白线蚓会富集较多的重金属, 最终使得污泥中5种重金属的含量最低.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 白线蚓对蚯蚓处理城市污泥的重金属变化 Fig. 1Variations in heavy metals during vermicomposting of sewage sludge inoculated with different enchytraeidae density |
4 结论(Conclusions)不同接种密度的白线蚓对蚯蚓处理城市污泥的理化性质、重金属、营养物质具有一定影响.结果表明, 高密度的白线蚓可以加速矿化作用, 显著降低土壤中重金属的含量, 与总有机碳(TOC)、有效磷(AP)呈正相关, 但对于蚯蚓的生长是不利的.因此, 在白线蚓与蚯蚓共同处理城市污泥的技术上, 需要注意控制白线蚓的接种密度.
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