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摘要：探讨采用大平2号蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的最佳工艺条件、污泥重金属和肥效等变化，以及蚯蚓对污泥重金属的吸收或富集作用，结果表明，在脱墨污泥 ∶大豆秸秆 ∶稻壳（大豆秸秆、稻壳为辅料）质量比为100 ∶1 ∶1 条件下，蚯蚓生物处理脱墨污泥的最佳培养时间为30 d，最佳蚯蚓投放量为20 g/500 g污泥；最佳工艺条件下，蚯蚓生物处理污泥Cu、As的去除率分别达到43%、57%，污泥全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量分别上升25%、75%、10%；蚯蚓对于污泥中Cu的吸收系数K=0.47，对As的富集系数K=1.73，蚯蚓对脱墨污泥中重金属的去除能力As>Cu。
关键词：脱墨污泥；蚯蚓；重金属；肥效；富集作用
中图分类号： X793文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0358-03
收稿日期：2013-11-19
基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE2012427）；江苏高校优势学科建设工程。
作者简介：李恒（1989—），男，江苏无锡人，硕士，从事造纸工业固体废弃物的资源化利用研究。E-mail：liyuheng1989@126.com。
通信作者：龙柱，博士，教授，博士生导师，从事制浆造纸技术、纤维功能材料和生物资源综合利用研究。E-mail：longzhu@jiangnan.edu.cn。废纸资源的循环利用是我国造纸工业发展的一大特色，废纸造纸的兴起推动了我国造纸工业的快速发展；但是，从目前我国造纸生产的运行情况及环境保护角度来看，造纸工业主要固体废弃物——废纸脱墨污泥的无害化处理与资源化利用是造纸工业亟待解决的重大问题。据中国造纸协会调查资料显示，2012年全国纸浆生产总量为7 867万t，其中，废纸浆5 983万t，较2011年增长5.71%[1]。另据统计，2012年全国废纸脱墨污泥的产量为200万～250万t。随着国家对环保的要求越来越高，废纸循环利用的比例进一步增大，废纸脱墨污泥的产量也将会更加巨大。目前，对废纸脱墨污泥的处理主要是堆积填埋和焚烧。堆积填埋的缺点是占用大量土地、不能根治污染；焚烧处理的缺点是投资运营费用较高，易产生尾气污染[2]。Hartenstein最早提出的蚯蚓生物处理技术具有成本低廉、二次污染少等特点，可以有效降低污泥中重金属含量，提高污泥肥效，使处理后的脱墨污泥可以应用于农业生产，成为优质的有机肥，实现污泥的“减量化、无害化、资源化”[3]。国内外对于利用蚯蚓生物处理造纸污泥的研究已有少量报道。刘鸿雁等对蚯蚓生物处理竹浆造纸污泥后污泥的肥效和重金属Pb、Zn、Cu的变化进行了研究[4]；李丹等研究了蚯蚓生物处理造纸活性污泥过程中蚯蚓的生长繁殖情况[5]；Banu等对生物处理造纸废水污泥的蚯蚓种类及接种密度进行了研究[6]。对于利用蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的研究还未见报道。为此，本试验对大平2号蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的最佳工艺条件、污泥重金属和肥效等变化，以及蚯蚓对污泥重金属的吸收或富集作用等进行研究，为蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的开发利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
废纸脱墨污泥来自广西某造纸厂，利用100%废纸生产新闻纸，所用废纸由85%的8#美国废纸和15%的10#美国废纸组成。供试的蚯蚓品种为日本大平2号蚯蚓，购于无锡市某养殖场。
1.2试验设计
1.2.1蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥最佳培养时间和最佳蚯蚓投放量的单因素试验（1）最佳培养时间：将蚯蚓放于装有脱墨污泥的花盆中，置于阴暗处培养，每个花盆中污泥重量为500 g，蚯蚓投放量为 20 g，培养时间分别设定为15、30、60 d；（2）最佳蚯蚓投放量：设置3个不同的蚯蚓投放量，蚯蚓和污泥的质量比分别为1 ∶50、1 ∶25、1 ∶12.5，即每500 g脱墨污泥中分别投放10、20、40 g蚯蚓，培养时间为30 d。培养温度均为25～30 ℃，污泥湿度均为70%～85%[7]。根据蚯蚓生物分解脱墨污泥重金属去除效果，确定最佳的培养时间和蚯蚓投放量。
1.2.2蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥添加辅料对照试验在原始脱墨污泥中添加辅料，辅料为大豆秸秆和稻壳，辅料与污泥质量比为：脱墨污泥 ∶大豆秸秆 ∶稻壳=100 ∶1 ∶1，培养时间和蚯蚓投放量根据单因素试验得到的最佳培养时间和最佳投放量进行设定。
1.3测定方法与仪器
污泥和蚯蚓金属含量参考相关文献[8-9]，采用原子吸收分光光度计法进行测定；污泥有机质、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、pH值测定方法参考土壤农业化学分析方法[10]。
试验仪器包括原子吸收分光光度计（美国Varian公司，型号Spectr AA-220/220Z）、元素分析仪（德国Elementar公司，型号Vario ELⅢ）、可见光分光光度计（日本岛津公司，型号UV-2450）等。
2结果与分析
2.1不同培养天数和蚯蚓投放量对废纸脱墨污泥产金属的去除效果
废纸脱墨污泥是废纸在浮选脱墨过程中形成的固体废渣。本试验脱墨污泥中主要含有8#美国废旧报纸中的填料和涂料以及10#美国废旧杂志纸中的颜料、胶黏剂、助剂等，另外还含有细小纤维、短纤维、粗渣、油墨粒子和杂质等。由表1可见，农用污泥中As含量控制标准超过酸性土壤和碱性土壤，Cu含量控制标准超过了酸性土壤，As和Cu是污泥主要的污染控制源。表1脱墨污泥中重金属含量与农用污泥污染物控制标准（GB 4284—1984）
名称含量（mg/kg）CuZnNiCrPbCdAsHg农用污泥控制标准269328402142350.06114-酸性土壤控制标准2505001006003005755碱性土壤控制标准5001 0002001 0001 000207515 由图1可见，在0～30 d内，脱墨污泥中重金属Cu和As的含量逐步减少，30 d时Cu和As的含量降至最低，这主要是由蚯蚓对脱墨污泥的摄食及其体表对重金属的被动扩散吸收[11]所致；在30～60 d内，污泥中重金属Cu和As均有小幅增加，这可能是由于蚯蚓的排泄等所致，使蚯蚓吸收污泥中的重金属重新转移到脱墨污泥中。因此，蚯蚓生物处理脱墨污泥的最佳培养时间为30 d，此时，脱墨污泥中重金属Cu和As的去除率分别高达37%和51%。
由图2可见，随着蚯蚓投放量的增大，脱墨污泥中重金属Cu含量先减小再增大；在蚯蚓投放量为20 g时，脱墨污泥中重金属Cu含量降至最低；当蚯蚓投放量继续增大，重金属Cu含量反而升高，这可能是由于过多的蚯蚓投放量导致蚯蚓的种内竞争剧烈，蚯蚓吸收重金属Cu的能力下降；随着蚯蚓投放量的增加，重金属As含量逐步降低，蚯蚓投放量为20～40 g 时，脱墨污泥中重金属As的去除效果无明显差异。因此，蚯蚓生物处理脱墨污泥的最佳蚯蚓投放量为20 g/500 g污泥，此时，蚯蚓对污泥中重金属Cu和As的去除效果最好。
2.2蚯蚓生物处理脱墨污泥中添加辅料对重金属的去除效果
大豆秸秆和稻壳中富含N、P、K等营养元素，通过在脱墨污泥中添加一定量的大豆秸秆和稻壳，不仅可以调节污泥的碳氮比例（C/N），促进蚯蚓生长繁殖[12]，还可以调节污泥中水分含量和透气性，使蚯蚓在脱墨污泥中的生存环境得以改善。由图3可见，脱墨污泥中添加大豆秸秆和稻壳后，污泥中重金属Cu、As的去除率分别高达43%、57%，处理效果均高于未添加辅料的，这与Lee的研究结果一致[13]。
由表2可见，通过蚯蚓+辅料生物处理脱墨污泥，脱墨污泥中的TN、TP、TK含量均有不同程度增加， 增长幅度分别为25%、75%、10%，含量均高于国家一级土壤养分标准，污泥肥效增加的主要原因是蚯蚓有着丰富的酶系统，通过蚯蚓与微
生物的共同作用，可以促进污泥中N、P的转化，蚯蚓排泄的蚯蚓粪中富含蛋白质、磷脂等有机养分[14]，另一个原因是大豆秸秆和稻壳的加入，增加了污泥中TN、TP、TK的总量；污泥中有机质含量有所降低，这主要是由于蚯蚓的生物分解作用，使污泥中的有机碳向无机碳进行转化，小分子有机和无机气体会不断排出[15]；污泥pH值变化不明显，pH值由处理前的7.7增加至7.9，这可能是由于蚯蚓消化道产生了一定量的氨、蚯蚓体内钙腺还会分泌一定量的碳酸钙 [16]所致。
2.3蚯蚓对脱墨污泥重金属的吸收或富集作用
根据蚯蚓体内重金属含量浓度与脱墨污泥中重金属含量浓度比值K的大小，可以分析蚯蚓对脱墨污泥中重金属的吸收或富集能力。当K小于等于1时，称其为吸收系数，说明蚯蚓对某种重金属有吸收作用，但是没有富集作用；当K大于1时，称其为富集系数，说明蚯蚓对某种重金属有吸收富集作用[17]。对添加辅料的脱墨污泥进行蚯蚓生物处理试验，试验前蚯蚓体内重金属Cu和As的本底值分别为25 mg/kg和 53 mg/kg，试验结束后蚯蚓体内Cu和As含量分别为 72 mg/kg 和85 mg/kg。经计算，蚯蚓对重金属Cu的吸收系数K=0.47（<1），只具有吸收作用，不具有富集作用，这说明蚯蚓可能会在吸收重金属Cu的过程中，当Cu浓度超过其耐受极限后，会把一部分Cu排出体外；蚯蚓对于重金属As的富集系数K=1.73（>1），不仅具有吸收作用，还可以通过其消化系统富集重金属As，这说明蚯蚓对于As有很高的耐受极限，As可以在蚯蚓体内不断累积，蚯蚓对As有更好的吸收富集作用。
3小结
在培养时间为30 d、蚯蚓投放量为20 g/500 g污泥的试验条件下，利用日本大平2号蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥（添加一定量辅料），蚯蚓对污泥中Cu、As的去除率分别达到43%、57%，污泥中超标重金属Cu、As含量均能符合国标（GB 4284—1984）要求；处理后污泥肥效有所增加，TN、TP、TK增幅分别为25%、75%、10%，其含量均高于国家一级土壤养分标准；蚯蚓对Cu的吸收系数K=0.47，对As的富集系数 K=173，蚯蚓对脱墨污泥中重金属As的去除能力大于Cu。
利用蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥，不仅可以降低脱墨污泥对环境的污染风险，保护生态环境，还可以把处理后的污泥应用于农业生产，作为有机肥料使用，变废为宝，这为发展循环经济，为造纸工业主要固体废弃物——废纸脱墨污泥的处理处置和资源化利用提供了经济、便捷、有效的途径。
参考文献：
[1]中国造纸协会.中国造纸工业2012年度报告[J]. 中华纸业，2013，34（11）：10-16.
[2]王玉峰，石葆莹 .脱墨污泥的处理与资源化利用研究进展[C]//中国造纸学会第十五届学术年会论文集. 北京：中国造纸学会，2012：378-382.
[3]Hartenstein R，Hartenstein F. Physico-chemical changes affected in activated sludge by the earthworm Eisenia foetida[J]. Journal of Environmental Quality，1981，10（3）：377-381.
[4]刘鸿雁，郭端华，范敏，等. 造纸污泥蚯蚓生物处理效应研究[J]. 贵州化工，2009，34（5）：33-35.
[5]李丹，王德汉，曾婷，等. 接种蚯蚓堆制处理造纸污泥的试验研究[J]. 中国造纸学报，2010，25（1）：22-26.
[6]Banu J R，Logakanthi S，Vijayalakshmi G S. Biomanagement of paper mill sludge using an indigenous（Lampito mauritii）and two exotic（Eudrilus eugineae and Eisenia foetida）earthworms[J]. Journal of Environmental Biology，2001，22（3）：181-185.
关键词：脱墨污泥；蚯蚓；重金属；肥效；富集作用
中图分类号： X793文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0358-03
收稿日期：2013-11-19
基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE2012427）；江苏高校优势学科建设工程。
作者简介：李恒（1989—），男，江苏无锡人，硕士，从事造纸工业固体废弃物的资源化利用研究。E-mail：liyuheng1989@126.com。
通信作者：龙柱，博士，教授，博士生导师，从事制浆造纸技术、纤维功能材料和生物资源综合利用研究。E-mail：longzhu@jiangnan.edu.cn。废纸资源的循环利用是我国造纸工业发展的一大特色，废纸造纸的兴起推动了我国造纸工业的快速发展；但是，从目前我国造纸生产的运行情况及环境保护角度来看，造纸工业主要固体废弃物——废纸脱墨污泥的无害化处理与资源化利用是造纸工业亟待解决的重大问题。据中国造纸协会调查资料显示，2012年全国纸浆生产总量为7 867万t，其中，废纸浆5 983万t，较2011年增长5.71%[1]。另据统计，2012年全国废纸脱墨污泥的产量为200万～250万t。随着国家对环保的要求越来越高，废纸循环利用的比例进一步增大，废纸脱墨污泥的产量也将会更加巨大。目前，对废纸脱墨污泥的处理主要是堆积填埋和焚烧。堆积填埋的缺点是占用大量土地、不能根治污染；焚烧处理的缺点是投资运营费用较高，易产生尾气污染[2]。Hartenstein最早提出的蚯蚓生物处理技术具有成本低廉、二次污染少等特点，可以有效降低污泥中重金属含量，提高污泥肥效，使处理后的脱墨污泥可以应用于农业生产，成为优质的有机肥，实现污泥的“减量化、无害化、资源化”[3]。国内外对于利用蚯蚓生物处理造纸污泥的研究已有少量报道。刘鸿雁等对蚯蚓生物处理竹浆造纸污泥后污泥的肥效和重金属Pb、Zn、Cu的变化进行了研究[4]；李丹等研究了蚯蚓生物处理造纸活性污泥过程中蚯蚓的生长繁殖情况[5]；Banu等对生物处理造纸废水污泥的蚯蚓种类及接种密度进行了研究[6]。对于利用蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的研究还未见报道。为此，本试验对大平2号蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的最佳工艺条件、污泥重金属和肥效等变化，以及蚯蚓对污泥重金属的吸收或富集作用等进行研究，为蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥的开发利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
废纸脱墨污泥来自广西某造纸厂，利用100%废纸生产新闻纸，所用废纸由85%的8#美国废纸和15%的10#美国废纸组成。供试的蚯蚓品种为日本大平2号蚯蚓，购于无锡市某养殖场。
1.2试验设计
1.2.1蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥最佳培养时间和最佳蚯蚓投放量的单因素试验（1）最佳培养时间：将蚯蚓放于装有脱墨污泥的花盆中，置于阴暗处培养，每个花盆中污泥重量为500 g，蚯蚓投放量为 20 g，培养时间分别设定为15、30、60 d；（2）最佳蚯蚓投放量：设置3个不同的蚯蚓投放量，蚯蚓和污泥的质量比分别为1 ∶50、1 ∶25、1 ∶12.5，即每500 g脱墨污泥中分别投放10、20、40 g蚯蚓，培养时间为30 d。培养温度均为25～30 ℃，污泥湿度均为70%～85%[7]。根据蚯蚓生物分解脱墨污泥重金属去除效果，确定最佳的培养时间和蚯蚓投放量。
1.2.2蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥添加辅料对照试验在原始脱墨污泥中添加辅料，辅料为大豆秸秆和稻壳，辅料与污泥质量比为：脱墨污泥 ∶大豆秸秆 ∶稻壳=100 ∶1 ∶1，培养时间和蚯蚓投放量根据单因素试验得到的最佳培养时间和最佳投放量进行设定。
1.3测定方法与仪器
污泥和蚯蚓金属含量参考相关文献[8-9]，采用原子吸收分光光度计法进行测定；污泥有机质、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、pH值测定方法参考土壤农业化学分析方法[10]。
试验仪器包括原子吸收分光光度计（美国Varian公司，型号Spectr AA-220/220Z）、元素分析仪（德国Elementar公司，型号Vario ELⅢ）、可见光分光光度计（日本岛津公司，型号UV-2450）等。
2结果与分析
2.1不同培养天数和蚯蚓投放量对废纸脱墨污泥产金属的去除效果
废纸脱墨污泥是废纸在浮选脱墨过程中形成的固体废渣。本试验脱墨污泥中主要含有8#美国废旧报纸中的填料和涂料以及10#美国废旧杂志纸中的颜料、胶黏剂、助剂等，另外还含有细小纤维、短纤维、粗渣、油墨粒子和杂质等。由表1可见，农用污泥中As含量控制标准超过酸性土壤和碱性土壤，Cu含量控制标准超过了酸性土壤，As和Cu是污泥主要的污染控制源。表1脱墨污泥中重金属含量与农用污泥污染物控制标准（GB 4284—1984）
名称含量（mg/kg）CuZnNiCrPbCdAsHg农用污泥控制标准269328402142350.06114-酸性土壤控制标准2505001006003005755碱性土壤控制标准5001 0002001 0001 000207515 由图1可见，在0～30 d内，脱墨污泥中重金属Cu和As的含量逐步减少，30 d时Cu和As的含量降至最低，这主要是由蚯蚓对脱墨污泥的摄食及其体表对重金属的被动扩散吸收[11]所致；在30～60 d内，污泥中重金属Cu和As均有小幅增加，这可能是由于蚯蚓的排泄等所致，使蚯蚓吸收污泥中的重金属重新转移到脱墨污泥中。因此，蚯蚓生物处理脱墨污泥的最佳培养时间为30 d，此时，脱墨污泥中重金属Cu和As的去除率分别高达37%和51%。
由图2可见，随着蚯蚓投放量的增大，脱墨污泥中重金属Cu含量先减小再增大；在蚯蚓投放量为20 g时，脱墨污泥中重金属Cu含量降至最低；当蚯蚓投放量继续增大，重金属Cu含量反而升高，这可能是由于过多的蚯蚓投放量导致蚯蚓的种内竞争剧烈，蚯蚓吸收重金属Cu的能力下降；随着蚯蚓投放量的增加，重金属As含量逐步降低，蚯蚓投放量为20～40 g 时，脱墨污泥中重金属As的去除效果无明显差异。因此，蚯蚓生物处理脱墨污泥的最佳蚯蚓投放量为20 g/500 g污泥，此时，蚯蚓对污泥中重金属Cu和As的去除效果最好。
2.2蚯蚓生物处理脱墨污泥中添加辅料对重金属的去除效果
大豆秸秆和稻壳中富含N、P、K等营养元素，通过在脱墨污泥中添加一定量的大豆秸秆和稻壳，不仅可以调节污泥的碳氮比例（C/N），促进蚯蚓生长繁殖[12]，还可以调节污泥中水分含量和透气性，使蚯蚓在脱墨污泥中的生存环境得以改善。由图3可见，脱墨污泥中添加大豆秸秆和稻壳后，污泥中重金属Cu、As的去除率分别高达43%、57%，处理效果均高于未添加辅料的，这与Lee的研究结果一致[13]。
由表2可见，通过蚯蚓+辅料生物处理脱墨污泥，脱墨污泥中的TN、TP、TK含量均有不同程度增加， 增长幅度分别为25%、75%、10%，含量均高于国家一级土壤养分标准，污泥肥效增加的主要原因是蚯蚓有着丰富的酶系统，通过蚯蚓与微
生物的共同作用，可以促进污泥中N、P的转化，蚯蚓排泄的蚯蚓粪中富含蛋白质、磷脂等有机养分[14]，另一个原因是大豆秸秆和稻壳的加入，增加了污泥中TN、TP、TK的总量；污泥中有机质含量有所降低，这主要是由于蚯蚓的生物分解作用，使污泥中的有机碳向无机碳进行转化，小分子有机和无机气体会不断排出[15]；污泥pH值变化不明显，pH值由处理前的7.7增加至7.9，这可能是由于蚯蚓消化道产生了一定量的氨、蚯蚓体内钙腺还会分泌一定量的碳酸钙 [16]所致。
2.3蚯蚓对脱墨污泥重金属的吸收或富集作用
根据蚯蚓体内重金属含量浓度与脱墨污泥中重金属含量浓度比值K的大小，可以分析蚯蚓对脱墨污泥中重金属的吸收或富集能力。当K小于等于1时，称其为吸收系数，说明蚯蚓对某种重金属有吸收作用，但是没有富集作用；当K大于1时，称其为富集系数，说明蚯蚓对某种重金属有吸收富集作用[17]。对添加辅料的脱墨污泥进行蚯蚓生物处理试验，试验前蚯蚓体内重金属Cu和As的本底值分别为25 mg/kg和 53 mg/kg，试验结束后蚯蚓体内Cu和As含量分别为 72 mg/kg 和85 mg/kg。经计算，蚯蚓对重金属Cu的吸收系数K=0.47（<1），只具有吸收作用，不具有富集作用，这说明蚯蚓可能会在吸收重金属Cu的过程中，当Cu浓度超过其耐受极限后，会把一部分Cu排出体外；蚯蚓对于重金属As的富集系数K=1.73（>1），不仅具有吸收作用，还可以通过其消化系统富集重金属As，这说明蚯蚓对于As有很高的耐受极限，As可以在蚯蚓体内不断累积，蚯蚓对As有更好的吸收富集作用。
3小结
在培养时间为30 d、蚯蚓投放量为20 g/500 g污泥的试验条件下，利用日本大平2号蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥（添加一定量辅料），蚯蚓对污泥中Cu、As的去除率分别达到43%、57%，污泥中超标重金属Cu、As含量均能符合国标（GB 4284—1984）要求；处理后污泥肥效有所增加，TN、TP、TK增幅分别为25%、75%、10%，其含量均高于国家一级土壤养分标准；蚯蚓对Cu的吸收系数K=0.47，对As的富集系数 K=173，蚯蚓对脱墨污泥中重金属As的去除能力大于Cu。
利用蚯蚓生物处理废纸脱墨污泥，不仅可以降低脱墨污泥对环境的污染风险，保护生态环境，还可以把处理后的污泥应用于农业生产，作为有机肥料使用，变废为宝，这为发展循环经济，为造纸工业主要固体废弃物——废纸脱墨污泥的处理处置和资源化利用提供了经济、便捷、有效的途径。
参考文献：
[1]中国造纸协会.中国造纸工业2012年度报告[J]. 中华纸业，2013，34（11）：10-16.
[2]王玉峰，石葆莹 .脱墨污泥的处理与资源化利用研究进展[C]//中国造纸学会第十五届学术年会论文集. 北京：中国造纸学会，2012：378-382.
[3]Hartenstein R，Hartenstein F. Physico-chemical changes affected in activated sludge by the earthworm Eisenia foetida[J]. Journal of Environmental Quality，1981，10（3）：377-381.
[4]刘鸿雁，郭端华，范敏，等. 造纸污泥蚯蚓生物处理效应研究[J]. 贵州化工，2009，34（5）：33-35.
[5]李丹，王德汉，曾婷，等. 接种蚯蚓堆制处理造纸污泥的试验研究[J]. 中国造纸学报，2010，25（1）：22-26.
[6]Banu J R，Logakanthi S，Vijayalakshmi G S. Biomanagement of paper mill sludge using an indigenous（Lampito mauritii）and two exotic（Eudrilus eugineae and Eisenia foetida）earthworms[J]. Journal of Environmental Biology，2001，22（3）：181-185.