立体化蚯蚓养殖污泥处理技术研究

尹朝阳，雍 毅，侯 江，赵梁斌

(1.四川省生态环境科学研究院,成都 610041;2.四川农业大学，成都 611134)

前 言

蚯蚓处理污泥技术目前得到了较为广泛的应用，传统的大田蚯蚓养殖处理污泥技术具有工艺设备简单、维护管理方便、能耗低、费用少等特点；但同时也存在占地面积大、处理效率低、易对土壤造成污染等缺点。立体化蚯蚓养殖技术即采用养殖箱，替代土地作为污泥处理的场所，利用机械支架多层叠放，并配套加料机等相关机械设备实现自动化或半自动化。相比于传统的大田蚯蚓养殖，优势主要体现在三个“可控”：一、污染可控：立体化蚯蚓养殖采用养殖箱体，并且放置于机械架上，避免污泥直接接触土壤，防治渗滤液下渗造成对土壤环境的污染；二、占地可控：养殖箱体可多层重叠放置，大大降低了占地面积；三、环境可控：蚯蚓处理污泥技术核心在于蚯蚓的活力，而蚯蚓又受到温度、湿度影响，立体化蚯蚓养殖由于占地面积减小，且主要位于生产车间内，使得温度、湿度等环境控制成为可能。因此从减小占地面积、提高处理效率和工业化产业发展等因素考虑，应加强立体化蚯蚓养殖污泥处理的研究和推广。

目前我国在该方面还未开发实用成熟的工艺体系，但已经进行了相关实验研究，白春节等[1]经过研究表明，采用箱式养殖法，利用城市生活污泥直接饲养蚯蚓是可行的，新鲜污泥一次性投料厚度以小于30cm为宜；梁琦等[2]则基于工程化技术和信息化技术研制了一种高密度蚯蚓养殖设备，并以牛粪为基质，确定了养殖基料配比、基质温度、增氧时间等；龙明珠[3]就场地选择、立体养殖架设计、备料、调料等多方面总结出了一套蚯蚓高产立体养殖新技术。本课题组前期对蚯蚓处理污泥的机理进行了初步研究，并建立了相应的动力学模型。本文将深入研究立体式蚯蚓养殖污泥处理技术，在基质上建立合理的蚯蚓养殖床层，以保障蚯蚓存活，在此基础上确定相关工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料

基料的选择不仅取决于蚯蚓的好食性，还要结合拟处理的固体废物种类及处理目的。根据实际运行情况，本项目选用三种基料：

黄色脱水污泥：采用活性污泥法产生的普通剩余活性污泥，含水率约60%，表观呈黄色，下文简称“黄色污泥”；

黑色脱水污泥：好氧池曝气量过小或剩余污泥排放量小，污泥在二沉池停留时间过长，使污泥内部发生厌氧代谢，表观形成黑色污泥，含水率约60%，下文简称“黑色污泥”；

一次发酵物料：经过高温好氧一次发酵降温后物料，主要为污泥和秸秆等混合物，C/N约为20～25∶1，含水率50%～55%，下文简称一次发酵物料；采用该种处理方式目的在于代替二次发酵，并利用蚯蚓生物性能，增加有机肥微生物种类及数量。三种基料的理化指标统计见表1。

表1 三种基料的理化指标统计

实验采用蚯蚓为赤子爱胜蚓，养殖箱为60×80×30(H)cm镂空塑料箱，物料进行一次性添加，添加厚度为40cm。基料配比实验中蚯蚓接种密度为0.1kg蚯蚓/kg基料。

1.2 方法

本课题将通过观察法确定基料种类，再采用综合评价确定基料配比、蚯蚓接种密度等工艺参数。

2 结果与分析

2.1 基料的选择

蚯蚓是蚯蚓养殖污泥处理技术的核心，其活力直接影响污泥处理程度及蚯蚓增殖情况。因此该技术应首先保证蚯蚓成活，污泥得到有效处理；并在此基础上，使得蚯蚓具备一定增殖率。

养殖箱体属于蚯蚓生存空间，而基料则是蚯蚓食料来源，并构成了蚯蚓的生存环境。基料对蚯蚓影响主要包括两方面：

2.1.1 基料直接影响可食性。蚯蚓是腐蚀性动物，含有大量腐败性有机物的物质远比秸秆、稻草等草本物质更得蚯蚓喜欢。

2.1.2 蚯蚓生存环境。温度、湿度、pH值、透气性等都将直接影响蚯蚓生存，而基料种类的不同，理化特性也会不一致；基料控制参数一般为：含水率为60%～70%， pH为6～8， C∶N 20∶1，温度为15～25℃，同时物料保持一定孔隙率，保证物料内气体流动。

三种基料污泥处理情况见表2。

表2 三种基料蚯蚓养殖情况对比

由表2及上图可知，黄色污泥最合适作为蚯蚓食料，其含水率约为60%，pH值呈中性，污泥中含有大量腐败性有机物，蚯蚓喜食；第6d表面已出现团粒状蚓粪，11d开始出现蚓茧，表明蚯蚓很好的适应黄色污泥所形成的环境，21d蚓茧孵化幼蚓，至26d时污泥已经全部转化为蚯蚓粪。而黑色污泥由于局部处于厌氧状态，散发有H2S、NH3等刺激性气味，因此造成了蚯蚓逃逸；而且厌氧使得黑色污泥局部呈酸性，蚯蚓接触后很快死亡，尸体液化；此外随着时间推移，在空气中氧气作用下，黑色污泥逐渐转向黄色污泥转化。一次发酵物料经过一次高温发酵后，有机物含量大大减少，物料的性状发生根本改变，由块状结构转向团粒结构，且物料中的内部水转化为间隙水，持水性降低；上述情况导致蚯蚓存活率低，蚯蚓状态差，体节断裂，行动迟缓；同时基料随着时间推移并无明显变化，底部逐渐板结。

图 污泥表观特征变化

2.2 基料的配比

经过前期实验发现，单纯生活污泥比较稠密，缺乏空隙度，长期堆放容易形成厌氧环境对蚯蚓生存不利，因此可拌入少量调整料，调整料通常选择廉价且C源丰富的草本类，例如粉碎后的秸秆；同时若需要调整基料酸碱性，则常常添加石灰等碱性物质。但污泥、秸秆混合比例偏大，对整个基料孔隙度改善有限；污泥、秸秆混合比例偏小，则影响蚯蚓喜食度，此外也将增加处理成本，降低污泥处理能力，因此采用综合评价确定合适的混合比例。

综合评价的具体方法有许多，各不尽相同，但各种方法的总体思路是一致的，大致可分为熟悉评价对象，确立评价的指标体系，确定各指标的权重，建立评价的数学模型，评价结果的分析等几个环节。其中确立指标体系，确定各指标权重，建立数学模型这三个环节是综合评价的关键环节。

2.2.1 确立指标体系

确立指标体系即筛选试验指标，试验指标的选取应遵循简单性、独立性、代表性、可行性的原则，其中目的性是出发点，本实验目的主要是保证污泥得到有效处理及蚯蚓增殖。其中有效处理可采用处理能力、处理周期代表，蚯蚓增殖则可通过存活率、蚯蚓个体体重及蚓茧个数代表。

2.2.2 实验组织及数据统计

根据实际情况及经验数据，确定五组实验方案，其中单个试验箱秸秆添加量均为1.8kg，污泥添加量分别为10kg、9kg、8kg、7kg、6kg，重量比依次为：5.5∶1、5∶1、4.5∶1、3.9∶1、3.3∶1。设置三组平行实验，分别测定上述指标，然后取算数平均值，详见表3。

表3 基料配比实验数据统计表

2.2.3 指标的无量纲化处理

为解决各评价指标不同属性之间数值上相差悬殊问题，对各指标进行无量钢化处理即一致化处理。评价指标包含极大型、极小型、居中型及区间型，本实五项指标中处理周期为极小型，因此首先将其转化为极大型指标(公式1)。

无量纲化方法包含标准化处理方法、极值处理方法、线性处理方法、归一化处理方法、向量规范法等。各种方法具有不同特点，结合本实验特点，选用归一化处理方法(公式2)。

(1)

(2)

2.2.4 指标权重

指标的权重是指标评价过程中其相对重要程度的一种主观客观度量的反映，结合本实验目的(污泥得到有效处理及蚯蚓得到增殖)及评价指标特点，确定处理周期权重为0.2、处理能力为0.2、存活率0.25、蚯蚓个体体重0.25及蚓茧个数0.1。

2.2.5 评价方法

评价方法包含很多种，根据各评价方法所依据的理论基础，综合评价方法主要分为专家评价法、运筹学与其他数学方法及新型评价方法等。本实验各评价指标拥有完成的数据统计，可采用加权和评价法(公式3)。

(3)

其中Vi为第i种实验方案的加权和(总分值)，Wij为第i方案第j指标加权值。经过计算五种实验方案加权和见表4。

表4 数据处理统计(基料配比)

经过计算，实验方案二为0.222，加权和最高，因此采用实验方案二，即污泥、秸秆重量比为5∶1 最优。

2.3 蚯蚓接种密度

在确定基料配比后，还需要确定蚯蚓接种密度，蚯蚓是污泥处理的主要因素，在养殖箱容积确定后，蚯蚓接种密度高则可较快速处理污泥，但同时也会造成购置蚯蚓成本增加、蚯蚓增殖率低。为了确定合适的接种密度，确定A、B、C、D、E五种接种密度，分别为0.05、0.08、0.1、0.12、0.15kg蚯蚓/kg基料。选取处理周期、存活率、蚯蚓重量、产卵率、购置蚯蚓成本五个指标，权重分别为0.3、0.25、0.25、0.1及0.2，评价方法同样采用加权和评价法，数据统计见表5。

表5 数据处理统计(蚯蚓接种密度)

经过计算，实验方案三为0.205，加权和最高，因此采用实验方案三，即0.1kg蚯蚓/kg基料最优。

2.4 生活污泥处理效果评估

经过上述实验，确定基料主料为黄色污泥，污泥、秸秆重量比为5∶1，蚯蚓接种密度为0.1kg蚯蚓/kg基料，在此基础上进行污泥处理效果评估。处理前后各指标详见表6。

表6 生活污泥处理前后指标对比

由表6可知，经过蚯蚓处理后，基料总重由15kg降低至12.8kg，削减比例为14.67%，其中TOC由28.3%将至22.4%，削减比为20.85%，TN由1.48%降至1.21%，削减比为18.2%；同时蚯蚓重量由0.75kg提升至0.92kg，增殖率为22.67%。

2.5 过程污染控制

立体化蚯蚓养殖污泥处理技术本身属于固体废物治理工程，但它作为一个工程项目，运行期间将产生一定污染物，主要包含废气、废水及固体废弃物等。

2.5.1 废气收集与处理

废气主要来源于污泥贮存及污泥处理车间，为污泥中有机物在厌氧条件下分解产生的含H2S、NH3、CH3SH、CH3SCH、(CH3)3N、CH3SSCH3、CS2、苯乙烯、CH4、粪臭素、吲哚等有机组分气体。针对该类型废气处理工艺主要为天然植物提取液技术、化学洗涤技术、活性氧技术、以及生物滤床技术等。化学洗涤技术占地面积小，可随时调整洗涤液成分，除臭针对性强，可作为大型企业除臭主体工艺首选。雍毅[4]课题组研发的多功能蚯蚓养殖床(专利号201420308865X)设置了卵石层，卵石层中的微生物可降解被水膜吸附的有机物，并在卵石表面形成生物膜，从而具备了处理臭气的功能，属于生物滤床技术的一种，在蚯蚓养殖的同时，就可进行气体脱臭处理。由于立体化蚯蚓养殖污泥处理技术中单个养殖单元污泥厚度在30cm左右，可大大减少厌氧作用，使得臭气产生量减小，因此处理车间内换气次数控制在8～10次/h即可，并据此计算处理风量。而污泥储存池内污泥量大，污泥堆积厚度高，因此换气次数应保持在20次/h以上。

2.5.2 废水处理

立体化蚯蚓养殖污泥处理技术主要在养殖箱体内实现，基料持水率好，无需进行人工喷水等，因此基本无生产废水产生；因此产生废水主要为生活污水，结合排放标准，选择现有成熟二级生化处理工艺处理达标即可，或者末端增加深度处理工艺，满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18921)后排至清水池，然后作为绿化用水等。

2.5.3 固体废弃物处理

本技术本身属于固体废物治理工程，污泥经过转化，且检测合格后作为有机肥料外售，增殖蚯蚓也作为饵料外售，产生的二次固体废物主要为较粗大的碳源基料，可进行二次回收利用。生活垃圾纳入城镇生活垃圾收运体系，项目区产生的的树枝、枯叶等庭院垃圾可破碎后一同作为基料。

3 结 语

本文通过实验研究，黄色污泥含有大量腐败性有机物，pH值呈中性，最合适作为蚯蚓食料；而结合处理周期、处理能力、存活率、蚯蚓个体体重及蚓茧个数等指标，采用综合评价法确定基料配比为3.9∶1(污泥∶秸秆)，蚯蚓接种密度为0.1kg蚯蚓/kg基料。此外还提出了过程污染控制技术，旨在为立体化蚯蚓污泥养殖处理技术的应用提供基础数据支撑。在环保要求日趋严格及土地资源逐步紧缺的情况下，污染可控、处理高效的立体化蚯蚓养殖污泥处理技术必然是蚯蚓生物污泥处理技术的发展趋势，下一步工作中将继续开展配套机械研发，实现立体化蚯蚓养殖污泥处理技术半自动化或自动化。