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聚合氯化鋁】蚯蚓动物反应器如何提高处理污泥的效率 发布时间:2016-9-5 14:28:19 中国污水处理工程网

1 引言

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脫水汙泥是處理廠汙水處理的副産物,它是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的非均質體,成分較爲複雜.目前,我國大多數城鎮汙水處理廠常采用的方法是將汙泥適當濃縮後再進行土地填埋,但這種處置方法存在土地資源浪費、填埋場滲濾液汙染及填埋場廢氣汙染等問題.隨著工業化和城市化的快速發展,汙泥産生量日漸龐大,但目前處理水平有限,因此,城市汙泥如果得不到及時有效的處理與再利用,不僅是一種資源的浪費,還會成爲環境汙染的一大隱患.

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粉綠狐尾藻作爲一種常見的水生植物,同時也是利用生態濕地淨化汙水的副産品,對其常用的處理方法是風幹後制作生物能源或動物飼料,但處理成本較高,不適宜作爲長期的處理措施.爲了不影響濕地技術發展和對環境造成二次汙染,應亟需開發水生植物(狐尾藻)的其它用途.

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綜合考慮脫水汙泥和濕地植物處理的問題,利用蚯蚓特殊的生態學功能及其與環境中微生物的協同作用來構築生物反應器,將汙泥和植物中的有效養分高效地轉化爲生物有機肥,既可以爲汙泥資源化和産業化提供技術支持,又能夠達到同步處理兩種廢棄物的目的,對建設有生態濕地的中小型城鎮汙水廠來說,是一種理想的處理方法.但汙泥與狐尾藻的含水量較高,同時汙泥過細的顆粒組分也不利于蚯蚓的生存,需要外源添加一些物質來改善其結構,提高蚯蚓堆肥的處理效率.

作爲一種常用的物理填料,珍珠岩具有價格便宜,孔隙度大等特點,其顆粒表面的許多空洞爲保持水分和營養成分提供了豐富的表面積,能夠有效地改善汙泥顆粒組分過細等問題,改善汙泥及其混合物中蚯蚓的生存環境.因此,本研究以脫水汙泥-狐尾藻爲處理對象,通過添加珍珠岩來改善混合物的物理性狀,利用蚯蚓反應器對兩種廢棄物進行同步處理,作爲對汙泥-濕地植物資源化模式的一種嘗試.

2 材料与方法

2.1 试验材料

供试污泥样品为浙江省临安污水处理厂脱水污泥,其理化性质见表 1.供试植物为狐尾藻,采自临安污水厂尾水生态湿地,其含水量为89.62%.珍珠岩购自杭州市园艺市场,其含水量为1.23%,容重0.12 g · cm-3.供试蚯蚓为“太平二号”,取自扬州大学农场,引种后室内驯化繁育3个月以上.

表1 试供污泥理化性质

2.2 试验方法

采用室内培养试验,设计不同的珍珠岩添加比例,分别为2%、4%、8%、12%和16%,同时以未添加珍珠岩的处理作为对照(CK),各处理重复3次.反应容器规格为上直径13.5 cm、下直径9.5 cm、高11 cm的塑料盆,底部有透水孔并垫有滤纸,防止蚯蚓逃逸.

试验前处理:将狐尾藻粉碎成0.5~1.0 cm小块,以m(污泥)∶ m(狐尾藻)=70 ∶ 30混合均匀,再将其与不同比例的珍珠岩混合均匀后装入反应容器内,保持每个样品在自然垒结状态下体积一致,保持在反应容器内标签对应的刻度“7.5(相对体积)”,容器中加入20条生长情况基本一致的太平二号蚯蚓.各处理均在常温、阴暗处进行,试验周期为15 d.

試驗觀測並記錄反應器中混合物體積和質量變化情況;測定收獲前後鮮樣pH和EC值,風幹樣測定有機質、堿解氮、速效磷和重金屬,試驗結束後測定蚯蚓體內的重金屬含量.

理化性质测定参考土壤农化分析相关方法:pH和EC值采用Mettler-Toledo型pH计测定;有机质采用重铬酸钾外加热法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;速效磷采用NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;重金属以HNO3-HClO3-HF(5 ∶ 1 ∶ 1)消煮后采用ICP-MS进行测定.

2.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析,Duncan法进行多重比较,不同字母表示处理间差异显著(p 0.05).

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 蚯蚓生物反应器处理前后混合物的减量化情况

如图 1a所示,与反应前各试验组相比,混合物质量在处理后均呈不同程度的下降,降幅在32.14%~40.42%之间,但组间差异不明显.各试验组混合物体积在处理后呈显著下降的趋势(图 1b).其中,最大降幅为2%珍珠岩组的48.67%,其次为CK处理的41.33%和4%珍珠岩组的35.34%,其余3组降幅在20.00%~22.00%之间,组间差异不明显.此变化趋势可总结为:随珍珠岩添加比例的增大,处理后混合物体积降幅呈减小的趋势,最终当珍珠岩比例上升到一定值后,混合物体积降幅趋于一个相对稳定的水平.

图 1 不同比例珍珠岩处理混合物质量减量化(a)和体积减量化(b)情况

3.2 蚯蚓生物反应器处理前后混合物中有机质含量的变化

如图 2所示,混合物中有机质含量均表现为显著降低,降幅在28.76%~45.40%之间,最大降幅为4%珍珠岩组.

图 2 不同比例珍珠岩处理混合物有机质减量化情况

3.3 蚯蚓生物反应器处理前后混合物中碱解氮和速效磷含量的变化

经蚯蚓生物反应器处理后,混合物中碱解氮与速效磷的含量发生了显著变化.与纯污泥(表 1)相比,各试验组中碱解氮均呈不同程度的下降(图 3),降幅在6.05%~13.08%之间.混合物中速效磷的含量均表现为显著增加,平均增幅为22.45%,其中,增幅最大的为4%珍珠岩组,达到38.09%,其次为8%珍珠岩组,达33.29%.

图 3 不同处理条件下化合物中碱解氮(a)和速效磷(b)含量的变化情况

3.4 蚯蚓生物反应器处理前后混合物pH和EC值的变化

处理前后各试验组混合物的pH均呈不同程度的降低,总体表现为由弱碱性向弱酸性转变.进一步分析可得,随着珍珠岩添加比例的增加,处理前后混合物的pH呈先减小后增大的趋势.其中,以8% 珍珠岩试验组的降幅最大,为9.18%.各试验组的EC值在处理后均显著升高,处理后的EC值在2.75~5.25 mS · cm-1之间,呈随珍珠岩添加比例增加而增加的趋势,平均增幅达到27.34%.

表2 处理前后混合物pH和EC值的变化

3.5 蚯蚓生物反应器处理前后混合物和蚯蚓体内重金属含量的变化

经反应器处理后,混合物和蚯蚓体内的重金属含量发生了一定的变化.如表 3所示,当珍珠岩添加比例在8%以上时,处理后重金属Cu、Pb和Cr含量均表现为降低;处理后Cd和As含量有所升高,但变化不明显.此外,从表 3中的数据分析可知,珍珠岩添加比例对混合物中重金属含量的减少也有一定的影响,大致可概括为随着珍珠岩比例的增加,污泥中重金属含量的减幅也越大,其原因同样可能是因为污泥物理结构的改变改善了蚯蚓的生长环境,继而促进了蚯蚓对重金属降低的直接和间接作用.

表3 处理前后混合物中重金属的含量

反应后蚯蚓体内的Cu、Pb、Cr含量均呈一定程度的升高,而Cd和As则表现为明显降低(表 4),这表明蚯蚓对重金属的积累具有一定的选择性.

表4 处理前后蚯蚓中重金属的含量

4 讨论

  4.1 处理前后混合物减量化效果比较

處理前後混合物質量呈減小的趨勢,這與反應體系中水分和有機質的消耗有關,體積減量化趨勢在4%以上比例珍珠岩處理中表現不明顯.前人研究中鮮有涉及汙泥-狐尾藻混合物處理後減量化的數據和結論,針對本試驗中添加4%以上比例珍珠岩組間體積減少趨勢不明顯的結論,推測可能是珍珠岩改變了混合物原有的物理結構,雖然在處理過程中混合物質量呈減少的趨勢,但因爲汙泥中添加的珍珠岩對混合物結構體系起到了一定的支撐作用,相當于增加了混合物的孔隙度,而試驗過程中又未涉及翻堆、壓實等操作,因而減緩了混合物體積的減少.

4.2 处理前后混合物有机质和氮磷变化规律

混合物中有機質含量表現爲顯著降低,前人在研究中也得到了蚯蚓堆肥後有機質降低的結論.在實驗中得出有機質含量減少的原因爲:蚯蚓堆肥處理加速了微生物的分解作用和有機殘余物的同化.同時,前人在研究中也鮮有提及利用蚯蚓堆肥技術同步處理汙泥和水生植物過程中混合物有機質含量的動態變化規律,結合本試驗的設計,處理過程中有機質含量呈先稍有增高後顯著降低的趨勢,猜測出現的原因可能爲:部分蚯蚓在處理前期因無法適應混合物的環境致死並被降解,從而導致了體系中有機質含量的增加.但隨著處理時間的延長,這些額外帶入反應器中的有機質與體系中固有的有機質均被存活下來的蚯蚓分解,進而使得體系中有機質的含量下降,並最終呈顯著降低的趨勢.

處理前後混合物堿解氮表現爲明顯降低,速效磷含量增加.前人的研究多集中在對全氮含量的變化而對堿解氮的變化提及較少,但從原理上分析可達一致在研究中提到,全氮含量降低可能是在蚯蚓堆肥處理前期,大量氨態氮釋放到環境中造成了氮的損失.因此可推測,導致本試驗中堿解氮下降的主要原因同樣是體系中的氨態氮在處理過程中的揮發.速效磷增加的趨勢與現階段國內外研究結論一致.認爲,蚯蚓堆肥技術是一種使不易被植物直接利用的磷轉化爲易被植物直接吸收利用磷的有效技術,堆肥後産物中磷的增加主要是由于蚯蚓體內酶對物料的直接作用及微生物的間接刺激作用.

4.3 处理前后混合物pH和EC值变化规律

處理前後各試驗組混合物的pH均呈不同程度的降低,其變化趨勢與前人的研究結果一致.經分析可得,在蚯蚓和微生物的作用下,混合物中有機質分解所産生的大量有機酸是導致反應體系pH值降低的主要原因.同時,汙泥中氮磷礦化所生成的亞硝酸鹽/硝酸鹽和正磷酸鹽同樣會導致體系中pH的下降.處理後EC值表現爲顯著升高,作爲衡量水溶性鹽的一個重要指標,混合物EC值升高的原因可能是有機質的降解損失和各種礦質鹽份(如磷酸鹽、铵鹽和鉀鹽等)的釋放.

4.4 处理前后混合物重金属变化规律

處理後混合物中部分重金屬含量降低的趨勢與前人的研究結果一致.在其研究中指出,重金屬可以通過蚯蚓的吸收作用而在蚯蚓體內富集,主要途徑包括被動擴散作用和攝食作用.前者是重金屬等汙染物從土壤、汙泥溶液穿過體表進入蚯蚓的體內;後者則是通過吞食作用使重金屬進入蚯蚓體內,並在其內髒器官中完成吸收作用.作爲在反應中起主要作用的蚯蚓,處理前後不同的重金屬在其體內的含量有不同的變化趨勢,其中,重金屬Cu、Pb和Cr表現爲在其體內增加,而Cd和As則表現爲減少,這與汙泥中重金屬的變化趨勢相符.此外,有相關文獻表明,除了由蚯蚓的直接吸收富集作用使汙泥中重金屬含量減少外,蚯蚓對重金屬還存在一定的間接作用,即蚯蚓具有很強的吞食能力,其消化道分泌的酶類物質、碳酸鹽類物質和膠粘物質,可對部分重金屬産生螯合或固定,使得重金屬的有效性降低.

4.5 限制处理后混合物应用的相关因素

限制城市汙泥農用的一個因素是汙泥中病原菌等有毒有害物質的存在.本試驗雖未對蚯蚓生物反應器處理後混合物中病原菌的數量進行測定,但已經陸續有研究表明,蚯蚓可以去除城市汙泥中的有毒有害物質,使汙泥性質穩定、無臭、不生蛆.高紅莉等在其研究中表明,經蚯蚓堆肥處理後,城市汙泥中的病原菌等有害物質含量能被有效降低.即使有部分病原菌在一定條件下會再生,但施入土壤後,土著微生物有阻止這些病原菌再生的作用.因此推測,經蚯蚓生物反應器處理的汙泥施入土壤中不會引起病原菌的汙染.

另一个限制污泥农用的因素是污泥中重金属的含量.我国GB4284—1984《农用污泥中污染物控制标准》中明确规定了农用污泥中各类污染物(主要为重金属)的最高容许含量.对比本试验处理产物中的5种重金属含量,均达到了在pH 6.5的中性和碱性土壤上的施用标准.同样,限制蚯蚓被用作动物蛋白饲料的一个重要因素是其体内重金属的含量.由于目前我国未曾出台关于动物蛋白中重金属含量的相关标准,所以无法判断被用于试验后的蚯蚓能否作为动物蛋白饲料的原料.但如上文分析及表 4所示,只要蚯蚓体内重金属的含量在合理的范围之内,不难相信其具有可作为一种新型动物蛋白饲料投入使用的潜力.具体参见资料或更多相关技术文档。

5 结论

在汙泥-狐尾藻體系中添加珍珠岩可以增加混合物的孔隙率和透氣性,爲蚯蚓創造適宜的生長和繁殖環境,從而提高反應器對混合物的處理效果,經蚯蚓生物反應器處理後,處理産物品質均達到了在中性和堿性土壤上的施用標准.綜合考慮不同比例珍珠岩對反應體系的影響,在汙泥-狐尾藻中添加4%的珍珠岩,既能保證對汙泥處理的減量化效果,其對汙泥中有機質降解效果好,産物pH和EC適宜,速效磷含量高,處理産物品質佳,處理産物的轉化效率也最高.


來源:網絡

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