劉 靜， 畢東蘇， 周 豫

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418）

蚓糞污泥特性及其資源化利用前景

劉 靜， 畢東蘇， 周 豫

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418）

蚯蚓攝食消化污水廠剩余污泥后排泄的蚓糞污泥具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值.從蚓糞污泥的物理化學(xué)性質(zhì)、微生物特性、抗菌活性、植物營(yíng)養(yǎng)組分及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)激素等方面介紹了有關(guān)蚓糞污泥特性的最新研究進(jìn)展，并通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外對(duì)蚓糞污泥產(chǎn)品的研發(fā)情況及資源化利用前景，提出深入研究蚓糞污泥的生化作用機(jī)理、拓寬蚓糞污泥應(yīng)用范圍、制定蚓糞污泥的相關(guān)施用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，以及構(gòu)建蚓糞污泥生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，將是實(shí)現(xiàn)蚓糞污泥循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段.

蚓糞污泥；物理化學(xué)性質(zhì)；微生物特性；資源化利用；生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

生活污水處理廠在實(shí)現(xiàn)污水凈化的同時(shí)產(chǎn)生了大量的剩余污泥，由于污泥中含有許多易于生物利用和轉(zhuǎn)化的碳、氮元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，常被認(rèn)為是一種錯(cuò)放的資源［1］.蚯蚓生態(tài)處理污泥是利用蚯蚓和微生物的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化處理的一類生態(tài)型污泥處理技術(shù).蚯蚓可將污泥中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于被植物吸收的各種營(yíng)養(yǎng)成分，排出具有抗菌活性和生物穩(wěn)定性的蚓糞，從而涉及到重建物質(zhì)再循環(huán)的過(guò)程.蚓糞污泥是指蚯蚓攝食消化剩余污泥后排出的蚓糞和污泥混合物［2］.盡管研究學(xué)者普遍認(rèn)為蚓糞具有重要的土地資源化利用價(jià)值，但是對(duì)蚓糞污泥生化特性和利用途徑的報(bào)道卻相對(duì)較少.本文主要概述了國(guó)內(nèi)外蚓糞污泥特性和資源化利用途徑的最近進(jìn)展，以期為蚯蚓生態(tài)處理污泥技術(shù)最終產(chǎn)物（蚓糞污泥）的資源化利用和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)再生產(chǎn)提供理論依據(jù)和優(yōu)化建議.

1 蚓糞污泥特性

1.1 物理化學(xué)性質(zhì)

蚓糞污泥是一種多孔狀的細(xì)碎類物質(zhì)，具有良好的吸附性、通氣性和排水性［3-4］，其掃描電鏡圖（SEM）如圖1所示.Yang等［5］發(fā)現(xiàn)，蚯蚓攝食活動(dòng)可將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)酸，使蚓糞污泥p H值較原污泥更低、生物穩(wěn)定性更高.蚯蚓活動(dòng)也能增加污泥的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，改善蚓糞污泥的團(tuán)聚性能［6］.Hait等［7］研究表明，蚯蚓生物處理污泥進(jìn)程中釋放的氨氮、亞硝酸鹽和磷酸鹽等溶解性鹽類物質(zhì)使蚓糞污泥的電導(dǎo)率（EC）比原泥增加了35.4%～56.4%.電導(dǎo)率表征的是測(cè)試樣品中的鹽分含量.蚓糞污泥中電導(dǎo)率提高的原因可能是蚯蚓及其體內(nèi)微生物的協(xié)同作用致使污泥中的有機(jī)物降解，釋放出礦物鹽和無(wú)機(jī)離子等所致［8］.另一方面，蚯蚓自身也可以通過(guò)生理排泄和黏液分泌等活動(dòng)產(chǎn)生鹽類物質(zhì)［9］.另外，蚯蚓分泌物的絡(luò)合／鰲合作用也能夠降低污泥中重金屬Cu、Pb、Zn和Cd的不穩(wěn)定態(tài)含量和潛在遷移指數(shù)，并通過(guò)增加穩(wěn)定態(tài)重金屬的含量，提高蚓糞污泥在環(huán)境中的穩(wěn)定性［10］.Khwairakpam等［11］也報(bào)道了蚯蚓處理后的污泥浸出液毒性明顯減少，其重金屬含量能夠滿足土地回用標(biāo)準(zhǔn).

圖1 蚓糞污泥的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of the vermicast sludge

1.2 微生物特性

微生物個(gè)體小、比表面積大、代謝活性強(qiáng)，能夠在生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化中起決定作用.蚯蚓排泄的蚓糞中含有一定數(shù)量的細(xì)菌、放線菌和真菌.盡管蚯蚓體內(nèi)的微生物多來(lái)自其生活環(huán)境，但蚯蚓消化道及蚓糞中的微生物在種群類別和數(shù)量等方面都有別于蚯蚓所取食的物質(zhì)［12］，這是因?yàn)椋球疽捠?、黏液分泌和蚓糞排泄等活動(dòng)能夠顯著改變基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、激活或抑制某類微生物種群［13］.由于蚯蚓腸道分泌物中富含易被微生物消化和吸收的氨基酸、多糖類和生物酶等成分，使得蚓糞中的微生物數(shù)量往往高于蚯蚓的攝食對(duì)象，如土壤和污泥等［12，14］.Li等［15］通過(guò)構(gòu)建16S r DNA克隆文庫(kù)的方法發(fā)現(xiàn)，蚯蚓腸道內(nèi)的微生物群落與其攝食的剩余污泥之間存在相互作用.Liu等［16］借助聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術(shù)發(fā)現(xiàn)，蚓糞污泥具有較高的微生物多樣性，其優(yōu)勢(shì)微生物種群為Flavobacterium、Myroides和Aeromonas.其中，F(xiàn)lavobacterium和Myroides對(duì)碳、氮、磷的分解和轉(zhuǎn)化具有積極作用，而Aeromonas是一種重要的產(chǎn)酶微生物，可與其他產(chǎn)酶微生物共同作用提高蚓糞污泥中的蛋白酶、脂肪酶和α-淀粉酶的活性［17］.這些具有重要生態(tài)功能的微生物能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化，合成葡萄糖、氨基酸和纖維素等具有生物活性的物質(zhì)，從而賦予蚓糞污泥特殊的生化特征.

1.3 抗菌活性

蚯蚓生活的環(huán)境中充滿了各種各樣病原微生物.蚯蚓在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成一套針對(duì)各類病原菌的有效防御和免疫機(jī)制.在蚯蚓體液和蚓糞中含有包括凝集素、抗菌蛋白和溶菌酶，以及氨類、有機(jī)酸、過(guò)氧化氫酶等代謝產(chǎn)物在內(nèi)的特定抗菌物質(zhì)［18］，以及對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見(jiàn)細(xì)菌和露濕漆斑菌、總狀毛霉等真菌具有廣譜抗菌能力的抗菌肽［19］.Sinha等［20］報(bào)道，蚯蚓能夠通過(guò)促進(jìn)某些分泌抗生素的微生物生長(zhǎng)，抑制或殺死固廢中的病原微生物.Arora等［21］在蚓糞中分離到的放線菌Streptomyces和Micromonospora對(duì)金黃色葡萄球菌也具有一定的抗菌活性.胡艷霞等［22］也從蚓糞中分離出球孢鏈霉菌（Streptomyces globisporis）和丁香苷鏈霉菌（Streptomyces syringini）兩種具有較強(qiáng)拮抗活性和范圍的拮抗微生物.陳浩［23］在蚓糞中分離出的8株芽孢桿菌屬（Bacillus）和4株鏈霉菌屬（Streptomyces）不僅對(duì)病原菌具有較好的廣譜拮抗作用，同時(shí)還具有不同程度的體外促生能力.此外，蚯蚓能減輕由病原真菌引起的植物病害，是由于真菌細(xì)胞壁的主要組成成分為幾丁質(zhì)（甲殼素），而蚯蚓消化道內(nèi)具有降解幾丁質(zhì)的消化酶，使真菌菌絲通過(guò)蚯蚓消化道后被破壞［12］.因此，蚓糞也能夠通過(guò)富集幾丁質(zhì)鏈霉菌，有效促進(jìn)拮抗植物病原真菌的增長(zhǎng)［24］.

1.4 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組分

蚓糞污泥不僅富含糖類、蛋白質(zhì)、脂肪和腐植酸等有機(jī)質(zhì)，也含有硝酸鹽、可交換磷、可溶性鉀、鈣、鎂等易于被植物吸收的營(yíng)養(yǎng)組分.鐵、錳、銅、鋅和硼等植物必需的微量元素也頗為齊全［25］.這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有促進(jìn)植物根系發(fā)育、作物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量的作用.另外，由于蚓糞能夠顯著增加土壤溶解性碳、堿解氮和速效磷的含量，提高土壤的微生物碳和氮含量，使微生物量碳氮和酶活性顯著增強(qiáng)（P＜0.05）［26］.因此，蚓糞的合理施用對(duì)增加土壤養(yǎng)分含量和促進(jìn)番茄、油菜和玉米等農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有積極作用.Arancon等［27］研究表明，蚓糞中的腐植酸不僅是維持土壤酸堿平衡的重要物質(zhì)，也是植物和微生物的必要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠促進(jìn)玉米、大豆和其他谷物的生長(zhǎng).陳學(xué)民等［28］研究發(fā)現(xiàn)，蚓糞污泥中的總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）含量較原污泥有顯著增加.其原因一方面是由于蚯蚓與微生物的協(xié)同作用能夠加速有機(jī)氮和有機(jī)磷的礦化和分解，另一方面則是微生物及蚯蚓體內(nèi)分泌的各種酶類物質(zhì)的產(chǎn)酸作用也會(huì)引起鉀含量的增加［29］.故蚓糞污泥中的微生物代謝活動(dòng)也能夠促進(jìn)碳、氮物質(zhì)循環(huán)，具有提高蚓糞污泥肥力和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的重要作用［16］.

1.5 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)激素

眾多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，蚓糞對(duì)促進(jìn)根系生長(zhǎng)、植株發(fā)育和提高植物品質(zhì)具有積極作用.早期研究認(rèn)為，蚓糞中含有的吲哚乙酸、赤霉素和細(xì)胞分裂素等多種天然植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)激素是促進(jìn)種子發(fā)芽和植物生長(zhǎng)的重要原因.王斌等［9］研究也證實(shí)，蚓糞中的赤霉素（GA3）相對(duì)于對(duì)照土壤增幅達(dá)到35%～114%，而吲哚乙酸（IAA）的增幅則為78%～236%.其原因可能是蚯蚓腸道內(nèi)的微生物及相關(guān)酶把蚯蚓食物中的植物激素前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了植物激素.也有最新研究表明，這些植物激素是由蚯蚓腸道或蚓糞中的產(chǎn)激素類微生物釋放出來(lái)的［30］.另外，蚓糞中的腐植酸類物質(zhì)也能夠通過(guò)形成激素—腐植酸結(jié)合體的形式，影響植物的營(yíng)養(yǎng)吸收和蛋白合成，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育和提高作物品質(zhì).蚓糞富含的谷氨酸、天門冬氨酸和纈氨酸等多種氨基酸既是產(chǎn)激素微生物的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源，又是影響微生物代謝活性的重要因素，也能夠通過(guò)直接或間接作用影響植物的新陳代謝，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育.

2 蚓糞污泥的資源化利用途徑

2.1 高效生物有機(jī)肥

蚓糞作為一種高效生物有機(jī)肥已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)轵炯S具有獨(dú)特的物化性質(zhì)和微生物區(qū)系，富含多種植物營(yíng)養(yǎng)元素和生長(zhǎng)激素，并對(duì)植物病原微生物具有很好的抗菌活性，具有促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)的顯著效果［25］.此外，生活污水廠的剩余污泥經(jīng)蚯蚓攝食消化后產(chǎn)生的蚓糞污泥具有較高的生物穩(wěn)定性，其重金屬含量遠(yuǎn)低于國(guó)家土地農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，可以放心施用.因此，經(jīng)過(guò)適當(dāng)加工和處理后的蚓糞污泥可以作為園林綠化和生產(chǎn)綠色無(wú)公害蔬菜的首選生物有機(jī)肥料，具有廣闊的生產(chǎn)應(yīng)用前景.

2.2 優(yōu)質(zhì)育苗基質(zhì)

基于蚓糞比表面積大、孔隙度高，富含各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、植物生長(zhǎng)激素和抗菌活性物質(zhì)等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)蚓糞在育苗基質(zhì)上的資源化利用做了大量研究［31-32］.研究發(fā)現(xiàn)，以蚓糞為主要成分的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，能夠有效改良土壤結(jié)構(gòu)，抑制土傳病蟲害，對(duì)茄子、黃瓜和辣椒等蔬菜幼苗和康乃馨、萬(wàn)壽菊和一串紅等花卉幼苗的生長(zhǎng)和發(fā)育具有顯著促進(jìn)作用.蚓糞污泥的生物理化特性能夠促進(jìn)植物種子發(fā)芽和根系生長(zhǎng)，表明其在作為優(yōu)質(zhì)育苗基質(zhì)材料方面具有巨大發(fā)展?jié)摿?

2.3 土壤改良劑

蚓糞污泥也可以作為土壤改良劑改善土壤的理化性質(zhì)、增強(qiáng)土壤微生物多樣性和促進(jìn)植物生長(zhǎng).申雪慶［33］發(fā)現(xiàn)，在鹽堿化土壤中施入蚓糞污泥不僅能夠降低土壤p H、堿化度和鈉吸附比，增加微生物數(shù)量，而且可以顯著增強(qiáng)鹽堿地的脲酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性，提高土壤的速效氮、磷和鉀含量.袁紹春等［34］研究表明，蚓糞污泥富含氮、磷、鉀等植物養(yǎng)分、病原菌含量較低，重金屬含量低，符合中國(guó)土地改良控制標(biāo)準(zhǔn)，可作為土壤改良劑用于堿性或貧瘠土壤改良.Kwon等［35］利用蚯蚓處理城市污泥和廢牡蠣殼產(chǎn)生的蚓糞污泥，其水分含量、p H值、鹽度、有機(jī)碳、氮、磷和重金屬等均符合韓國(guó)環(huán)境部制定的土地施用標(biāo)準(zhǔn).把該蚓糞污泥產(chǎn)品投加到土壤中后，能夠通過(guò)緩慢釋放有機(jī)質(zhì)，提高土壤為植物輸送養(yǎng)分的能力，改善土壤的通氣性和排水性，也適合應(yīng)用到酸性或退化土壤的土質(zhì)改良.

2.4 重金屬污染修復(fù)劑

蚯蚓活動(dòng)能夠?qū)ξ勰嘀械闹亟饘佼a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［36］（見(jiàn)圖2）.一方面，蚯蚓腸道分泌的酚氧化酶可將有機(jī)質(zhì)縮合形成具有羧基和羰基等多種官能團(tuán)的腐殖質(zhì)，提高蚓糞的腐殖化程度［37］，使其與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，改變重金屬的生物有效性和活性.另一方面，蚓糞中富含的多種微生物對(duì)重金屬的生物吸附、富集和沉淀等行為也會(huì)降低重金屬的生物有效性.Maity等［38］研究證實(shí)，蚯蚓處理重金屬Zn和Pb污染的土壤后排出的蚓糞中二乙烯三胺五醋酸-鉛（DTPA-Pb）和二乙烯三胺五醋酸-鋅（DTPA-Zn）的含量顯著降低.因此，富含腐殖質(zhì)和各種微生物種群的蚓糞污泥具有修復(fù)重金屬污染土壤的潛力，可作為重金屬污染修復(fù)劑做進(jìn)一步的研究與開(kāi)發(fā).改善污泥絮凝效果［42］.隨著人們對(duì)蚓糞污泥生化特性的深入了解，蚓糞污泥作為一種新型吸附劑和微生物接種源在污水和廢氣的生物治理領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V泛的應(yīng)用前景.

圖2 蚯蚓活動(dòng)對(duì)污泥中重金屬的影響示意圖Fig.2 Schematic diagram of impacts of earthworms on heavy metal in sewage sludge

圖3 蚓糞污泥的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.3 Schematic diagram of the vermicast sludge eco-industrial chain

3 蚓糞污泥的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是國(guó)際社會(huì)推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一種優(yōu)選模式，強(qiáng)調(diào)最有效地利用資源和保護(hù)環(huán)境，以最小成本獲取最大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益.依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，構(gòu)建“蚯蚓生態(tài)處理污泥—蚓糞污泥資源化利用—生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)”的蚓糞污泥生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段（見(jiàn)圖3）.蚓糞污泥生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是蚓糞污泥的批量生產(chǎn)和收集，這是實(shí)現(xiàn)蚓糞污泥循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵；二是將蚓糞污泥轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品的技術(shù)支持，這是實(shí)現(xiàn)蚓糞污泥資源化利用的關(guān)鍵，也是蚓糞污泥生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈附加值的主要來(lái)源；三是蚓糞污泥生產(chǎn)企業(yè)與環(huán)保部門的合作組織建設(shè).在產(chǎn)業(yè)鏈上游，該組織能夠增強(qiáng)蚓糞污泥產(chǎn)品的研發(fā)和擴(kuò)展資源化利用途徑；而在產(chǎn)業(yè)鏈下游，該組織又能夠把蚓糞污泥產(chǎn)品同生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)連接在一起，為蚓糞污泥產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用提供規(guī)模化供應(yīng)，發(fā)揮政策扶持、運(yùn)營(yíng)模式和信息資源共享對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化和調(diào)整.

4 結(jié)論與展望

本文從物理化學(xué)性質(zhì)、微生物特性、抗菌活性、植物營(yíng)養(yǎng)組分和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)激素等方面介紹了蚓糞污泥特性的最新進(jìn)展，研究表明，蚓糞具有較高的孔隙率和比表面積、污泥團(tuán)聚性能高，富含易于被微生物和植物吸收的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)組分、能夠通過(guò)富集具有特定生態(tài)功能的微生物種群提高蚓糞污泥的肥力和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量、促進(jìn)植物根系和拮抗植物病原菌的生長(zhǎng)，降低重金屬的生物有效性.盡管蚓糞污泥特性優(yōu)良，具有較高的資源化利用價(jià)值，但其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用僅在生物有機(jī)肥和育苗基質(zhì)兩個(gè)領(lǐng)域有所體現(xiàn)，在土壤改良劑、重金屬污染修復(fù)劑和污水廢氣處理新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用尚在起步階段.進(jìn)一步研究蚓糞污泥的生化作用機(jī)理、拓寬其應(yīng)用范圍、制定相關(guān)施用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，構(gòu)建蚓糞污泥生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，將是實(shí)現(xiàn)蚓糞污泥循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段.

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（編輯 呂丹）

Characteristics and Prospects of Vermicast Sludge for Resource Utilization

LIU Jing， BI Dong-su， ZHOU Yu
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Vermicast sludge，the fecal of earthworms fed on sewage sludge，has important ecological and economic value.An up-to-date review of the characteristics of vermicast sludge was provided，including physicochemical properties，microbiologic properties，antimicrobial activity，plant nutrient composition and growth regulating hormones，and the research and development situation and resource utilization prospects of vermicast sludge products were analyzed.Furthermore，the biochemical mechanism of indepth research into vermicast sludge was proposed，for the sake of broadening the scope of application of vermicast sludge，formulating standards and regulations related to the administration of vermicast sludge products，and constructing vermicast sludge eco-industrial chain，which was also proved as an important means for the realization of coordinated development of vermicompost economic cycle.

vermicast sludge；physicochemical properties；microbiologic properties；resource utilization；eco-industrial chain

X 705

A

1671-7333（2015）01-0049-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.008

2014-07-27

中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)基金（城市安全工程學(xué)科）；上海市高校青年教師培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目（ZZyy14002）；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目（YJ2014-29）；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（DCX2014039）

劉 靜（1981-），女，講師，博士，主要研究方向?yàn)樗廴究刂坪臀⑸锛夹g(shù).E-mail：liujing_sit＠163.com