尹朝陽(yáng)，雍 毅，侯 江，趙梁斌

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,成都 610041;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都 611134)

前 言

蚯蚓處理污泥技術(shù)目前得到了較為廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的大田蚯蚓養(yǎng)殖處理污泥技術(shù)具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能耗低、費(fèi)用少等特點(diǎn)；但同時(shí)也存在占地面積大、處理效率低、易對(duì)土壤造成污染等缺點(diǎn)。立體化蚯蚓養(yǎng)殖技術(shù)即采用養(yǎng)殖箱，替代土地作為污泥處理的場(chǎng)所，利用機(jī)械支架多層疊放，并配套加料機(jī)等相關(guān)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化。相比于傳統(tǒng)的大田蚯蚓養(yǎng)殖，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)“可控”：一、污染可控：立體化蚯蚓養(yǎng)殖采用養(yǎng)殖箱體，并且放置于機(jī)械架上，避免污泥直接接觸土壤，防治滲濾液下滲造成對(duì)土壤環(huán)境的污染；二、占地可控：養(yǎng)殖箱體可多層重疊放置，大大降低了占地面積；三、環(huán)境可控：蚯蚓處理污泥技術(shù)核心在于蚯蚓的活力，而蚯蚓又受到溫度、濕度影響，立體化蚯蚓養(yǎng)殖由于占地面積減小，且主要位于生產(chǎn)車間內(nèi)，使得溫度、濕度等環(huán)境控制成為可能。因此從減小占地面積、提高處理效率和工業(yè)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素考慮，應(yīng)加強(qiáng)立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理的研究和推廣。

目前我國(guó)在該方面還未開(kāi)發(fā)實(shí)用成熟的工藝體系，但已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，白春節(jié)等[1]經(jīng)過(guò)研究表明，采用箱式養(yǎng)殖法，利用城市生活污泥直接飼養(yǎng)蚯蚓是可行的，新鮮污泥一次性投料厚度以小于30cm為宜；梁琦等[2]則基于工程化技術(shù)和信息化技術(shù)研制了一種高密度蚯蚓養(yǎng)殖設(shè)備，并以牛糞為基質(zhì)，確定了養(yǎng)殖基料配比、基質(zhì)溫度、增氧時(shí)間等；龍明珠[3]就場(chǎng)地選擇、立體養(yǎng)殖架設(shè)計(jì)、備料、調(diào)料等多方面總結(jié)出了一套蚯蚓高產(chǎn)立體養(yǎng)殖新技術(shù)。本課題組前期對(duì)蚯蚓處理污泥的機(jī)理進(jìn)行了初步研究，并建立了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。本文將深入研究立體式蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)，在基質(zhì)上建立合理的蚯蚓養(yǎng)殖床層，以保障蚯蚓存活，在此基礎(chǔ)上確定相關(guān)工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

基料的選擇不僅取決于蚯蚓的好食性，還要結(jié)合擬處理的固體廢物種類及處理目的。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，本項(xiàng)目選用三種基料：

黃色脫水污泥：采用活性污泥法產(chǎn)生的普通剩余活性污泥，含水率約60%，表觀呈黃色，下文簡(jiǎn)稱“黃色污泥”；

黑色脫水污泥：好氧池曝氣量過(guò)小或剩余污泥排放量小，污泥在二沉池停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使污泥內(nèi)部發(fā)生厭氧代謝，表觀形成黑色污泥，含水率約60%，下文簡(jiǎn)稱“黑色污泥”；

一次發(fā)酵物料：經(jīng)過(guò)高溫好氧一次發(fā)酵降溫后物料，主要為污泥和秸稈等混合物，C/N約為20～25∶1，含水率50%～55%，下文簡(jiǎn)稱一次發(fā)酵物料；采用該種處理方式目的在于代替二次發(fā)酵，并利用蚯蚓生物性能，增加有機(jī)肥微生物種類及數(shù)量。三種基料的理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 三種基料的理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用蚯蚓為赤子愛(ài)勝蚓，養(yǎng)殖箱為60×80×30(H)cm鏤空塑料箱，物料進(jìn)行一次性添加，添加厚度為40cm?；吓浔葘?shí)驗(yàn)中蚯蚓接種密度為0.1kg蚯蚓/kg基料。

1.2 方法

本課題將通過(guò)觀察法確定基料種類，再采用綜合評(píng)價(jià)確定基料配比、蚯蚓接種密度等工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基料的選擇

蚯蚓是蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)的核心，其活力直接影響污泥處理程度及蚯蚓增殖情況。因此該技術(shù)應(yīng)首先保證蚯蚓成活，污泥得到有效處理；并在此基礎(chǔ)上，使得蚯蚓具備一定增殖率。

養(yǎng)殖箱體屬于蚯蚓生存空間，而基料則是蚯蚓食料來(lái)源，并構(gòu)成了蚯蚓的生存環(huán)境?；蠈?duì)蚯蚓影響主要包括兩方面：

2.1.1 基料直接影響可食性。蚯蚓是腐蝕性動(dòng)物，含有大量腐敗性有機(jī)物的物質(zhì)遠(yuǎn)比秸稈、稻草等草本物質(zhì)更得蚯蚓喜歡。

2.1.2 蚯蚓生存環(huán)境。溫度、濕度、pH值、透氣性等都將直接影響蚯蚓生存，而基料種類的不同，理化特性也會(huì)不一致；基料控制參數(shù)一般為：含水率為60%～70%， pH為6～8， C∶N 20∶1，溫度為15～25℃，同時(shí)物料保持一定孔隙率，保證物料內(nèi)氣體流動(dòng)。

三種基料污泥處理情況見(jiàn)表2。

表2 三種基料蚯蚓養(yǎng)殖情況對(duì)比

由表2及上圖可知，黃色污泥最合適作為蚯蚓食料，其含水率約為60%，pH值呈中性，污泥中含有大量腐敗性有機(jī)物，蚯蚓喜食；第6d表面已出現(xiàn)團(tuán)粒狀蚓糞，11d開(kāi)始出現(xiàn)蚓繭，表明蚯蚓很好的適應(yīng)黃色污泥所形成的環(huán)境，21d蚓繭孵化幼蚓，至26d時(shí)污泥已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為蚯蚓糞。而黑色污泥由于局部處于厭氧狀態(tài)，散發(fā)有H2S、NH3等刺激性氣味，因此造成了蚯蚓逃逸；而且厭氧使得黑色污泥局部呈酸性，蚯蚓接觸后很快死亡，尸體液化；此外隨著時(shí)間推移，在空氣中氧氣作用下，黑色污泥逐漸轉(zhuǎn)向黃色污泥轉(zhuǎn)化。一次發(fā)酵物料經(jīng)過(guò)一次高溫發(fā)酵后，有機(jī)物含量大大減少，物料的性狀發(fā)生根本改變，由塊狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，且物料中的內(nèi)部水轉(zhuǎn)化為間隙水，持水性降低；上述情況導(dǎo)致蚯蚓存活率低，蚯蚓狀態(tài)差，體節(jié)斷裂，行動(dòng)遲緩；同時(shí)基料隨著時(shí)間推移并無(wú)明顯變化，底部逐漸板結(jié)。

圖 污泥表觀特征變化

2.2 基料的配比

經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純生活污泥比較稠密，缺乏空隙度，長(zhǎng)期堆放容易形成厭氧環(huán)境對(duì)蚯蚓生存不利，因此可拌入少量調(diào)整料，調(diào)整料通常選擇廉價(jià)且C源豐富的草本類，例如粉碎后的秸稈；同時(shí)若需要調(diào)整基料酸堿性，則常常添加石灰等堿性物質(zhì)。但污泥、秸稈混合比例偏大，對(duì)整個(gè)基料孔隙度改善有限；污泥、秸稈混合比例偏小，則影響蚯蚓喜食度，此外也將增加處理成本，降低污泥處理能力，因此采用綜合評(píng)價(jià)確定合適的混合比例。

綜合評(píng)價(jià)的具體方法有許多，各不盡相同，但各種方法的總體思路是一致的，大致可分為熟悉評(píng)價(jià)對(duì)象，確立評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)的權(quán)重，建立評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)結(jié)果的分析等幾個(gè)環(huán)節(jié)。其中確立指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)權(quán)重，建立數(shù)學(xué)模型這三個(gè)環(huán)節(jié)是綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2.1 確立指標(biāo)體系

確立指標(biāo)體系即篩選試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)指標(biāo)的選取應(yīng)遵循簡(jiǎn)單性、獨(dú)立性、代表性、可行性的原則，其中目的性是出發(fā)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕潜ＷC污泥得到有效處理及蚯蚓增殖。其中有效處理可采用處理能力、處理周期代表，蚯蚓增殖則可通過(guò)存活率、蚯蚓個(gè)體體重及蚓繭個(gè)數(shù)代表。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)組織及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定五組實(shí)驗(yàn)方案，其中單個(gè)試驗(yàn)箱秸稈添加量均為1.8kg，污泥添加量分別為10kg、9kg、8kg、7kg、6kg，重量比依次為：5.5∶1、5∶1、4.5∶1、3.9∶1、3.3∶1。設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定上述指標(biāo)，然后取算數(shù)平均值，詳見(jiàn)表3。

表3 基料配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 指標(biāo)的無(wú)量綱化處理

為解決各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同屬性之間數(shù)值上相差懸殊問(wèn)題，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量鋼化處理即一致化處理。評(píng)價(jià)指標(biāo)包含極大型、極小型、居中型及區(qū)間型，本實(shí)五項(xiàng)指標(biāo)中處理周期為極小型，因此首先將其轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)(公式1)。

無(wú)量綱化方法包含標(biāo)準(zhǔn)化處理方法、極值處理方法、線性處理方法、歸一化處理方法、向量規(guī)范法等。各種方法具有不同特點(diǎn)，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，選用歸一化處理方法(公式2)。

(1)

(2)

2.2.4 指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重是指標(biāo)評(píng)價(jià)過(guò)程中其相對(duì)重要程度的一種主觀客觀度量的反映，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)?zāi)康?污泥得到有效處理及蚯蚓得到增殖)及評(píng)價(jià)指標(biāo)特點(diǎn)，確定處理周期權(quán)重為0.2、處理能力為0.2、存活率0.25、蚯蚓個(gè)體體重0.25及蚓繭個(gè)數(shù)0.1。

2.2.5 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)方法包含很多種，根據(jù)各評(píng)價(jià)方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)，綜合評(píng)價(jià)方法主要分為專家評(píng)價(jià)法、運(yùn)籌學(xué)與其他數(shù)學(xué)方法及新型評(píng)價(jià)方法等。本實(shí)驗(yàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)擁有完成的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可采用加權(quán)和評(píng)價(jià)法(公式3)。

(3)

其中Vi為第i種實(shí)驗(yàn)方案的加權(quán)和(總分值)，Wij為第i方案第j指標(biāo)加權(quán)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算五種實(shí)驗(yàn)方案加權(quán)和見(jiàn)表4。

表4 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)(基料配比)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)方案二為0.222，加權(quán)和最高，因此采用實(shí)驗(yàn)方案二，即污泥、秸稈重量比為5∶1 最優(yōu)。

2.3 蚯蚓接種密度

在確定基料配比后，還需要確定蚯蚓接種密度，蚯蚓是污泥處理的主要因素，在養(yǎng)殖箱容積確定后，蚯蚓接種密度高則可較快速處理污泥，但同時(shí)也會(huì)造成購(gòu)置蚯蚓成本增加、蚯蚓增殖率低。為了確定合適的接種密度，確定A、B、C、D、E五種接種密度，分別為0.05、0.08、0.1、0.12、0.15kg蚯蚓/kg基料。選取處理周期、存活率、蚯蚓重量、產(chǎn)卵率、購(gòu)置蚯蚓成本五個(gè)指標(biāo)，權(quán)重分別為0.3、0.25、0.25、0.1及0.2，評(píng)價(jià)方法同樣采用加權(quán)和評(píng)價(jià)法，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)(蚯蚓接種密度)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)方案三為0.205，加權(quán)和最高，因此采用實(shí)驗(yàn)方案三，即0.1kg蚯蚓/kg基料最優(yōu)。

2.4 生活污泥處理效果評(píng)估

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，確定基料主料為黃色污泥，污泥、秸稈重量比為5∶1，蚯蚓接種密度為0.1kg蚯蚓/kg基料，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行污泥處理效果評(píng)估。處理前后各指標(biāo)詳見(jiàn)表6。

表6 生活污泥處理前后指標(biāo)對(duì)比

由表6可知，經(jīng)過(guò)蚯蚓處理后，基料總重由15kg降低至12.8kg，削減比例為14.67%，其中TOC由28.3%將至22.4%，削減比為20.85%，TN由1.48%降至1.21%，削減比為18.2%；同時(shí)蚯蚓重量由0.75kg提升至0.92kg，增殖率為22.67%。

2.5 過(guò)程污染控制

立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)本身屬于固體廢物治理工程，但它作為一個(gè)工程項(xiàng)目，運(yùn)行期間將產(chǎn)生一定污染物，主要包含廢氣、廢水及固體廢棄物等。

2.5.1 廢氣收集與處理

廢氣主要來(lái)源于污泥貯存及污泥處理車間，為污泥中有機(jī)物在厭氧條件下分解產(chǎn)生的含H2S、NH3、CH3SH、CH3SCH、(CH3)3N、CH3SSCH3、CS2、苯乙烯、CH4、糞臭素、吲哚等有機(jī)組分氣體。針對(duì)該類型廢氣處理工藝主要為天然植物提取液技術(shù)、化學(xué)洗滌技術(shù)、活性氧技術(shù)、以及生物濾床技術(shù)等?；瘜W(xué)洗滌技術(shù)占地面積小，可隨時(shí)調(diào)整洗滌液成分，除臭針對(duì)性強(qiáng)，可作為大型企業(yè)除臭主體工藝首選。雍毅[4]課題組研發(fā)的多功能蚯蚓養(yǎng)殖床(專利號(hào)201420308865X)設(shè)置了卵石層，卵石層中的微生物可降解被水膜吸附的有機(jī)物，并在卵石表面形成生物膜，從而具備了處理臭氣的功能，屬于生物濾床技術(shù)的一種，在蚯蚓養(yǎng)殖的同時(shí)，就可進(jìn)行氣體脫臭處理。由于立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)中單個(gè)養(yǎng)殖單元污泥厚度在30cm左右，可大大減少厭氧作用，使得臭氣產(chǎn)生量減小，因此處理車間內(nèi)換氣次數(shù)控制在8～10次/h即可，并據(jù)此計(jì)算處理風(fēng)量。而污泥儲(chǔ)存池內(nèi)污泥量大，污泥堆積厚度高，因此換氣次數(shù)應(yīng)保持在20次/h以上。

2.5.2 廢水處理

立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)主要在養(yǎng)殖箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，基料持水率好，無(wú)需進(jìn)行人工噴水等，因此基本無(wú)生產(chǎn)廢水產(chǎn)生；因此產(chǎn)生廢水主要為生活污水，結(jié)合排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇現(xiàn)有成熟二級(jí)生化處理工藝處理達(dá)標(biāo)即可，或者末端增加深度處理工藝，滿足《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18921)后排至清水池，然后作為綠化用水等。

2.5.3 固體廢棄物處理

本技術(shù)本身屬于固體廢物治理工程，污泥經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，且檢測(cè)合格后作為有機(jī)肥料外售，增殖蚯蚓也作為餌料外售，產(chǎn)生的二次固體廢物主要為較粗大的碳源基料，可進(jìn)行二次回收利用。生活垃圾納入城鎮(zhèn)生活垃圾收運(yùn)體系，項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)生的的樹(shù)枝、枯葉等庭院垃圾可破碎后一同作為基料。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，黃色污泥含有大量腐敗性有機(jī)物，pH值呈中性，最合適作為蚯蚓食料；而結(jié)合處理周期、處理能力、存活率、蚯蚓個(gè)體體重及蚓繭個(gè)數(shù)等指標(biāo)，采用綜合評(píng)價(jià)法確定基料配比為3.9∶1(污泥∶秸稈)，蚯蚓接種密度為0.1kg蚯蚓/kg基料。此外還提出了過(guò)程污染控制技術(shù)，旨在為立體化蚯蚓污泥養(yǎng)殖處理技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在環(huán)保要求日趨嚴(yán)格及土地資源逐步緊缺的情況下，污染可控、處理高效的立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)必然是蚯蚓生物污泥處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，下一步工作中將繼續(xù)開(kāi)展配套機(jī)械研發(fā)，實(shí)現(xiàn)立體化蚯蚓養(yǎng)殖污泥處理技術(shù)半自動(dòng)化或自動(dòng)化。