全 文 ：第 34 卷第 5 期
2014 年 5 月
环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 34，No． 5
May，2014
基金项目:浙江省重大科技专项(No． 2011C13015);科技部国际合作重大项目(No． 2010DFB33960)
Supported by the Key Project from Zhejiang Science and Technology Bureau (No． 2011C13015)and the International Cooperative Project from Ministry
of Science and Technology of China (No． 2010DFB33960)
作者简介:丁哲利(1984—)，男，E-mail:dingzheli@ zju． edu． cn;* 通讯作者(责任作者)，E-mail:xyang571@ yahoo． com
Biography:DING Zheli(1984—)，male，E-mail:dingzheli@ zju． edu． cn;* Corresponding author，E-mail:xyang571@ yahoo． com
DOI:10． 13671 / j． hjkxxb． 2014． 0195
丁哲利，朱骏杰，赵和平，等． 2014．珍珠岩对蚯蚓同步处理污泥-狐尾藻的研究［J］．环境科学学报，34(5):1256-1261
Ding Z L，Zhu J J，Zhao H P，et al． 2014． Assessment of different perlite levels for synchronization of sludge and Myriophyllum aquaticum by
vermicomposting［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，34(5) :1256-1261
珍珠岩对蚯蚓同步处理污泥-狐尾藻的研究
丁哲利，朱骏杰，赵和平，叶子期，曾峥，吴呈显，Muhammad Tariq Ｒafiq，杨肖娥*
浙江大学环境与资源学院，教育部环境修复与生态健康重点实验室，杭州 310029
收稿日期:2013-08-16 修回日期:2013-09-26 录用日期:2013-10-07
摘要:本研究利用太平二号蚯蚓构建生物反应器，以污水处理厂脱水污泥和粉绿狐尾藻作为研究对象，探究添加不同比例的珍珠岩对蚯蚓动物
反应器处理混合物的减量化、无害化和资源化效果．结果表明，添加珍珠岩能够显著提高蚯蚓动物反应器同步处理污泥－狐尾藻的效率，经反
应器处理后，混合物减量化效果明显，处理后产物的 pH、有机质、碱解氮和重金属含量(Cu、Pb、Cr)均表现为明显下降，电导率(EC)和速效磷
显著上升．经反应器处理后，产物品质符合在 pH＞6． 5 的中性和碱性土壤上的施用标准．结果显示，当珍珠岩添加比例为 4%时，对动物反应器
的实用性和经济性效果最佳．
关键词:蚯蚓;污泥;狐尾藻;动物反应器;废弃物转化
文章编号:0253-2468(2014)05-1256-06 中图分类号:X703 文献标识码:A
Assessment of different perlite levels for synchronization of sludge and
Myriophyllum aquaticum by vermicomposting
DING Zheli，ZHU Junjie，ZHAO Heping，YE Ziqi，ZENG Zheng，WU Chengxian，Muhammad Tariq Ｒafiq，
YANG Xiaoe*
Ministry of Education Key Laboratory of Polluted Environment Ｒemediation and Ecological Health，College of Environmental ＆ Ｒesource Sciences，
Zhejiang University，Hangzhou 310029
Ｒeceived 16 August 2013; received in revised form 26 September 2013; accepted 7 October 2013
Abstract:We constructed a bioreactor using earthworm (Eiseniafoetida)to evaluate its degradation，detoxification，and resourcfulization potentials in
treatingthe mixture of sludge and M． aquaticum． Five ratios of perlite were examinedto reveal the best treatment efficiency． The results showed that the
addition ofperlite greatly decreased the pH，organic matter，alkaline solution nitrogen and heavy metals concentrations in the treated products，while EC
and available P content significantly increased． The perlite treated products can be applied to neutral and alkaline soils with pH＞6． 5． The results
concluded that when 4% of perlite as sludge modifier was added，the reactor reached the best performance in terms of efficiency and cost effectiveness．
Keywords:earthworms;sludge;M． aquaticum;bioreactor;reclamation
1 引言(Introduction)
脱水污泥是污水处理厂污水处理的副产物，它
是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组
成的非均质体，成分较为复杂． 目前，我国大多数城
镇污水处理厂常采用的方法是将污泥适当浓缩后
再进行土地填埋，但这种处置方法存在土地资源浪
费、填埋场渗滤液污染及填埋场废气污染等问题
(吴敏等，2007)．随着工业化和城市化的快速发展，
污泥产生量日渐庞大，但目前处理水平有限，因此，
城市污泥如果得不到及时有效的处理与再利用，不
仅是一种资源的浪费，还会成为环境污染的一大隐
患(盛倩等，2011;张婷敏等，2012)．
粉绿狐尾藻作为一种常见的水生植物，同时也
是利用生态湿地净化污水的副产品(左进城等，
2009)，对其常用的处理方法是风干后制作生物能
5 期 丁哲利等:珍珠岩对蚯蚓同步处理污泥-狐尾藻的研究
源或动物饲料，但处理成本较高，不适宜作为长期
的处理措施．为了不影响湿地技术发展和对环境造
成二次污染，应亟需开发水生植物(狐尾藻)的其它
用途．
综合考虑脱水污泥和湿地植物处理的问题，利
用蚯蚓特殊的生态学功能及其与环境中微生物的
协同作用来构筑生物反应器(吴敏等，2007) ，将污
泥和植物中的有效养分高效地转化为生物有机肥，
既可以为污泥资源化和产业化提供技术支持，又能
够达到同步处理两种废弃物的目的，对建设有生态
湿地的中小型城镇污水厂来说，是一种理想的处理
方法．但污泥与狐尾藻的含水量较高，同时污泥过
细的颗粒组分也不利于蚯蚓的生存，需要外源添加
一些物质来改善其结构，提高蚯蚓堆肥的处理效率
(唐继华等，2013)．
作为一种常用的物理填料，珍珠岩具有价格便
宜，孔隙度大等特点，其颗粒表面的许多空洞为保
持水分和营养成分提供了丰富的表面积，能够有效
地改善污泥颗粒组分过细等问题，改善污泥及其混
合物中蚯蚓的生存环境(井强山等，2008)．因此，本
研究以脱水污泥－狐尾藻为处理对象，通过添加珍
珠岩来改善混合物的物理性状，利用蚯蚓反应器对
两种废弃物进行同步处理，作为对污泥-湿地植物资
源化模式的一种尝试．
2 材料与方法(Materials and methods)
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
Table 1 Properties for sludge in the test
含水量 pH
有机质 /
(g·kg－1)
速效 N /
(mg·kg－1)
速效 P /
(mg·kg－1)
Cu /
(mg·kg－1)
Pb /
(mg·kg－1)
Cr /
(mg·kg－1)
Cd /
(mg·kg－1)
As /
(mg·kg－1)
81． 71% 7． 71 279． 53 2631 3581 1361 395． 7 248． 3 1． 31 7． 96
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．
试验观测并记录反应器中混合物体积和质量
变化情况;测定收获前后鲜样 pH 和 EC 值，风干样
测定有机质、碱解氮、速效磷和重金属，试验结束后
测定蚯蚓体内的重金属含量．
理化性质测定参考土壤农化分析相关方法(鲍
士旦，2000) :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
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环 境 科 学 学 报 34 卷
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
Fig． 1 Perlite proportions for weight reductioin(a) and volume
reductioin(b)of treated products
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
Fig． 2 Perlite levels for OM changes of treated products
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
Fig． 3 Perlite levels for available N(a)changes and available P
(b)changes of treatment products
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
表 2 处理前后混合物 pH和 EC值的变化
Table 2 Changes of pH and EC for the treatedproducts
处理
pH值
处理前 处理后
EC值 /(mS·cm－1)
处理前 处理后
2%珍珠岩 7． 69±0． 27 7． 60±0． 11 2． 26±0． 08 2． 75±0． 10*
4%珍珠岩 7． 48±0． 03 7． 23±0． 12* 3． 10±0． 04 3． 77±0． 12*
8%珍珠岩 6． 97±0． 12 6． 33±0． 01＊＊2． 93±0． 11 3． 92±0． 21＊＊
12%珍珠岩 7． 11±0． 06 6． 53±0． 18* 3． 75±0． 05 4． 50±0． 08＊＊
16%珍珠岩 6． 64±0． 01 6． 58±0． 21* 3． 76±0． 07 5． 25±0． 14＊＊
注:* 表示处理后的 pH、EC值显著低于处理前(p＜0． 05) ，＊＊表
示处理后的 pH、EC值极显著低于处理前(p＜0． 01)．
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5 期 丁哲利等:珍珠岩对蚯蚓同步处理污泥-狐尾藻的研究
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% ．
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
Table 3 Heavy metal content for the treated products mg·kg－1
处理
Cu
前 后
Pb
前 后
Cr
前 后
Cd
前 后
As
前 后
2%珍珠岩 1322 1337 412． 9 549． 1 250． 8 318． 1 1． 35 1． 66 7． 98 8． 40
4%珍珠岩 1487 1400 404． 5 493． 7 245． 7 305． 6 1． 32 1． 66 7． 82 8． 47
8%珍珠岩 1416 1405 387． 7 417． 4 235． 4 228． 6 1． 27 1． 37 7． 49 7． 94
12%珍珠岩 1246 1184 370． 8 336． 1 225． 2 173． 4 1． 22 1． 30 7． 17 7． 46
16%珍珠岩 1476 991． 7 353． 9 293． 5 215． 0 172． 3 1． 16 1． 19 6． 84 7． 00
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
Table 4 Heavy metal content for earthworm before and after treatment
mg·kg－1
阶段 Cu Pb Cr Cd As
处理前 68． 42 7． 62 8． 00 0． 95 9． 07
处理后 79． 56 12． 94 10． 36 0． 21 3． 24
4 讨论(Discussion)
4． 1 处理前后混合物减量化效果比较
处理前后混合物质量呈减小的趋势，这与反应
体系中水分和有机质的消耗有关，体积减量化趋势
在 4%以上比例珍珠岩处理中表现不明显． 前人研
究中鲜有涉及污泥－狐尾藻混合物处理后减量化的
数据和结论，针对本试验中添加 4%以上比例珍珠
岩组间体积减少趋势不明显的结论，推测可能是珍
珠岩改变了混合物原有的物理结构，虽然在处理过
程中混合物质量呈减少的趋势，但因为污泥中添加
的珍珠岩对混合物结构体系起到了一定的支撑作
用，相当于增加了混合物的孔隙度，而试验过程中
又未涉及翻堆、压实等操作，因而减缓了混合物体
积的减少．
4． 2 处理前后混合物有机质和氮磷变化规律
混合物中有机质含量表现为显著降低，前人在
研究中也得到了蚯蚓堆肥后有机质降低的结论．
Suthar(2006)在实验中得出有机质含量减少的原因
为:蚯蚓堆肥处理加速了微生物的分解作用和有机
残余物的同化． 同时，前人在研究中也鲜有提及利
用蚯蚓堆肥技术同步处理污泥和水生植物过程中
混合物有机质含量的动态变化规律，结合本试验的
设计，处理过程中有机质含量呈先稍有增高后显著
降低的趋势，猜测出现的原因可能为:部分蚯蚓在
处理前期因无法适应混合物的环境致死并被降解，
从而导致了体系中有机质含量的增加． 但随着处理
时间的延长，这些额外带入反应器中的有机质与体
系中固有的有机质均被存活下来的蚯蚓分解，进而
使得体系中有机质的含量下降，并最终呈显著降低
的趋势．
处理前后混合物碱解氮表现为明显降低，速效
磷含量增加．前人的研究多集中在对全氮含量的变
化而对碱解氮的变化提及较少，但从原理上分析可
达一致．张婷敏等(2012)在研究中提到，全氮含量
降低可能是在蚯蚓堆肥处理前期，大量氨态氮释放
到环境中造成了氮的损失． 因此可推测，导致本试
验中碱解氮下降的主要原因同样是体系中的氨态
氮在处理过程中的挥发． 速效磷增加的趋势与现阶
段国内外研究结论一致． Ghosh等(1999)认为，蚯蚓
堆肥技术是一种使不易被植物直接利用的磷转化
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环 境 科 学 学 报 34 卷
为易被植物直接吸收利用磷的有效技术，堆肥后产
物中磷的增加主要是由于蚯蚓体内酶对物料的直
接作用及微生物的间接刺激作用．
4． 3 处理前后混合物 pH和 EC值变化规律
处理前后各试验组混合物的 pH 均呈不同程度
的降低，其变化趋势与前人的研究结果一致
(Mitchell，1997;Khwairakpam et al．，2009)． 经分析
可得，在蚯蚓和微生物的作用下，混合物中有机质
分解所产生的大量有机酸是导致反应体系 pH 值降
低的主要原因(徐轶群等，2010)．同时，污泥中氮磷
矿化所生成的亚硝酸盐 /硝酸盐和正磷酸盐同样会
导致体系中 pH 的下降(陈巧燕等，2006)． 处理后
EC值表现为显著升高，作为衡量水溶性盐的一个重
要指标，混合物 EC 值升高的原因可能是有机质的
降解损失和各种矿质盐份(如磷酸盐、铵盐和钾盐
等)的释放(黄华等，2013)．
4． 4 处理前后混合物重金属变化规律
处理后混合物中部分重金属含量降低的趋势
与前人的研究结果一致．徐轶群等(2010)在其研究
中指出，重金属可以通过蚯蚓的吸收作用而在蚯蚓
体内富集，主要途径包括被动扩散作用和摄食作
用．前者是重金属等污染物从土壤、污泥溶液穿过
体表进入蚯蚓的体内;后者则是通过吞食作用使重
金属进入蚯蚓体内，并在其内脏器官中完成吸收作
用．作为在反应中起主要作用的蚯蚓，处理前后不
同的重金属在其体内的含量有不同的变化趋势，其
中，重金属 Cu、Pb和 Cr表现为在其体内增加，而 Cd
和 As则表现为减少，这与污泥中重金属的变化趋势
相符． 此 外，有 相 关 文 献 表 明 (Brown，1995;
Watanabe，1997) ，除了由蚯蚓的直接吸收富集作用
使污泥中重金属含量减少外，蚯蚓对重金属还存在
一定的间接作用，即蚯蚓具有很强的吞食能力，其
消化道分泌的酶类物质、碳酸盐类物质和胶粘物
质，可对部分重金属产生螯合或固定，使得重金属
的有效性降低．
4． 5 限制处理后混合物应用的相关因素
限制城市污泥农用的一个因素是污泥中病原
菌等有毒有害物质的存在． 本试验虽未对蚯蚓生物
反应器处理后混合物中病原菌的数量进行测定，但
已经陆续有研究表明，蚯蚓可以去除城市污泥中的
有毒有害物质，使污泥性质稳定、无臭、不生蛆(盛
倩等，2011)．高红莉等(2008)在其研究中表明，经
蚯蚓堆肥处理后，城市污泥中的病原菌等有害物质
含量能被有效降低． 即使有部分病原菌在一定条件
下会再生，但施入土壤后，土著微生物有阻止这些
病原菌再生的作用． 因此推测，经蚯蚓生物反应器
处理的污泥施入土壤中不会引起病原菌的污染．
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．
5 结论(Conclusions)
在污泥-狐尾藻体系中添加珍珠岩可以增加混
合物的孔隙率和透气性，为蚯蚓创造适宜的生长和
繁殖环境，从而提高反应器对混合物的处理效果，
经蚯蚓生物反应器处理后，处理产物品质均达到了
在中性和碱性土壤上的施用标准． 综合考虑不同比
例珍珠岩对反应体系的影响，在污泥-狐尾藻中添加
4%的珍珠岩，既能保证对污泥处理的减量化效果，
其对污泥中有机质降解效果好，产物 pH 和 EC 适
宜，速效磷含量高，处理产物品质佳，处理产物的转
化效率也最高．
责任作者简介:杨肖娥(1958—)，女，博士，教育部长江学者
奖励计划特聘教授，在国内外核心刊物上发表研究论文 140
余篇，主要从事植物营养环境生态，污染环境的生物修复，微
量元素与健康等方面的研究．
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