蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属的影响

DOI: 10.12357/cjea.20220253

郇辉辉, 储昭霞, 王兴明, 范廷玉, 董众兵, 甄泉, 张佳妹, 代碧波. 蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属的

影响[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(4): 577?586

HUAN H H, CHU Z X, WANG X M, FAN T Y, DONG Z B, ZHEN Q, ZHANG J M, DAI B B. Effects of earthworm mucus and

straw charcoal on heavy metals during domestic sludge co-composting[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(4): 577?586

蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属

的影响

郇辉辉1, 储昭霞2,4, 王兴明1,2,3, 范廷玉1, 董众兵1, 甄　泉1, 张佳妹5, 代碧波3

(1. 安徽理工大学地球与环境学院安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室　淮南　232001; 2. 安徽师范

大学皖江流域退化生态系统的恢复与重建省部共建协同创新中心　芜湖　241000; 3. 金属矿山安全与健康国家重点实验室/中钢

集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司　马鞍山　243071; 4. 资源与环境生物技术安徽普通高校重点实验室/淮南师范学院生物

工程学院　淮南　232038; 5. 中国科学院合肥物质科学研究院/智能机械研究所　合肥　230031)

摘　要: 生活污泥中富含的重金属限制其资源化利用, 为钝化重金属活性, 降低污泥毒害效果和提高其利用价值, 以

40 mL蚯蚓粘液和2%、4%、6%、8%秸秆炭为添加剂对2 kg污泥进行堆肥, 研究粘液、粘液协同秸秆炭添加对

污泥堆肥后重金属变化的影响。结果显示, 与对照组污泥堆肥相比, 粘液堆肥污泥后pH升高1.42%, 总氮、总磷含

量降低7.87%、14.18% (P<0.05); 而粘液协同秸秆炭堆肥污泥后, 污泥逐渐呈碱性, 电导率提升5.71%~9.58%

(P<0.05), 有机质含量升高7.71%~24.60% (P<0.05), 丰富了堆体中可溶性离子和有机物含量, 但总氮、总钾含量分

别降低19.10%~30.95%、7.87%~14.31%。在添加粘液对污泥堆肥后, 重金属总量均表现出下降趋势, Ni、Zn、Pb

的较活泼形态向难以降解的残渣态转化, 使残渣态所占比例较CK处理分别升高61.81%、120.19%、72.51%; 当添

加粘液和秸秆炭对污泥堆肥后, 重金属总量继续表现出下降趋势, 碳酸盐结合态Ni和Pb、铁锰结合态Pb、可交换

态Zn逐步向稳定的残渣态转化, 而有机结合态Cu却向可交换态和残渣态转化, 钝化了堆肥污泥中Ni、Zn、Pb, 活

化了Cu。最后根据分析得出结论, 粘液协同秸秆炭改变污泥中pH来影响重金属Ni、Zn、Pb、Cu有效态, 粘

液+8%秸秆炭处理对污泥重金属的影响较为理想。

关键词: 蚯蚓粘液; 秸秆炭; 生活污泥堆肥; 重金属含量; 重金属形态

中图分类号: X705开放科学码(资源服务)标识码(OSID):







国家自然科学基金项目(51878004, 51978001, 42102204, 32001159)、国家重点研发计划“固废资源化”重点专项(2020YFC1908601)、金属矿

山安全与健康国家重点实验室开放基金项目(2020-JSKSSYS-02)、安徽高校协同创新项目(GXXT-2020-075)、安徽省重点研究与开发计划项

目(202104a06020027)、安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室开放课题(2022-WSREPMA-04)、安徽高校自然科学

研究重点项目(KJ2019A0332)、安徽理工大学芜湖研究院研发专项(ALW2020YF08)、安徽省高校优秀人才重点支持计划项目(gxyqZD2021129)

资助

通信作者: 储昭霞, 主要研究方向为重金属污染与生态修复和固废(污泥)资源化。E-mail: [e-mail]

郇辉辉, 主要研究方向为固废(污泥)资源化。E-mail: [e-mail]

收稿日期: 2022-04-06　接受日期: 2022-08-31

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51878004, 51978001, 42102204, 32001159), the Key Project of Na-

tional Key Research and Development Project of China (2020YFC1908601), the Open Fund of State Key Laboratory of Safety and Health in Metal

Mines of China (2020-JSKSSYS-02), the Collaborative Innovation Project of the Anhui Higher Education Institutions of China (GXXT-2020-075),

the Research and Development Program of Anhui (202104a06020027), the Opening Foundation of Anhui Province Engineering Laboratory of Water

and Soil Resources Comprehensive Utilization and Ecological Protection in High Groundwater Mining Area (2022-WSREPMA-04), the Natural Sci-

ence of the Higher Education Institutions of Anhui Province (KJ2019A0332), the Research and Development Project of Wuhu Research Institute, An-

hui University of Science and Technology (ALW2020YF08), the Excellent Talent Support Project of the Anhui Higher Education Institutions

(gxyqZD2021129).

Corresponding author, E-mail: [e-mail]

Received Apr. 6, 2022; accepted Aug. 31, 2022



中国生态农业学报 (中英文)　?2023年4月　?第?31?卷　?第?4?期

Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Apr.?2023,?31(4):?577?586

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Effects of earthworm mucus and straw charcoal on heavy metals during

domestic sludge co-composting

HUAN Huihui1, CHU Zhaoxia2,4, WANG Xingming1,2,3, FAN Tingyu1, DONG Zhongbing1, ZHEN Quan1,

ZHANG Jiamei5, DAI Bibo3

(1. Anhui Province Engineering Laboratory of Water and Soil Resources Comprehensive Utilization and Ecological Protection in High

Groundwater Mining Area, School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;

2. Collaborative Innovation Center of Recovery and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Wanjiang Basin Co-founded by Anhui

Province and Ministry of Education, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China; 3. State Key Laboratory of Safety and Health for Met-

al Mines, Sinosteel Ma’anshan General Institute of Mining Research Company Limited, Ma’anshan 243071, China; 4. Key Laboratory of

Bioresource and Environmental Biotechnology of Anhui Higher Education Institutes / School of Biological Engineering, Huainan Normal

University, Huainan 232038, China; 5. Institute of Intelligent Machines, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences,

Hefei 230031, China)

Abstract: Heavy metals restrict the reuse of municipal sludge. To passivate the activity of heavy metals, reduce sludge toxicity, and

create new value, 2 kg of sludge was composted with 40 mL earthworm mucus and 2%, 4%, 6%, and 8% straw charcoal, to investig-

ate changes in the heavy metal mobility in sewage sludge. The results showed that, compared with the control sludge compost (CK),

the pH increased by 1.42% (P<0.05) and the total nitrogen and total phosphorus decreased by 7.87% and 14.18%, respectively

(P<0.05), after the addition of the mucus to the sludge. After adding both the mucus and straw charcoal to the sludge compost, the

sludge gradually became alkaline; furthermore, its electrical conductivity value increased by 5.71%?9.58% (P<0.05), and organic

matter content increased by 7.71%?24.60% (P<0.05). Although this enriched the content of soluble ions and available organic matter

in the compost, the total nitrogen and potassium contents decreased by 19.10%–30.95% and 7.87%–14.31%, respectively, resulting in

the loss of plant nutrients. By adding mucus to the sludge compost, different total heavy metal contents showed different declining

trends; these included Cd, Cu, Ni, Zn, and Pb, which decreased by 3.59%, 7.03%, 10.93%, 8.39%, and 5.11% (P<0.05, except Ni),

compared to the CK treatment group. The more active forms of Ni, Zn, and Pb were transformed into an unavailable residue form that

was difficult to degrade; therefore, the proportion of residual forms increased by 61.81%, 120.19%, and 72.51%, respectively, com-

pared with the CK treatment. When the mucus and different proportions of straw charcoal were added to the sludge, the total heavy

metal contents decreased further. The total amount of Cd, Pb, Cu, Ni, and Zn decreased by 37.18%, 67.36%, 6.07%, 59.59%, and

31.82%, respectively, in the mucus plus 8% straw charcoal treatment group (P<0.05). The Ni and Pb associated with the carbonate,

Pb associated with iron-manganese, and exchangeable Zn were gradually shifted to the residue form, so that the available contents of

Ni, Pb, and Zn were significantly decreased by 28.08%, 42.00%, and 28.31%, respectively, in the mucus plus 8% straw charcoal treat-

ment group, which passivated Ni, Zn, and Pb in the composted sludge. In contrast, organic form of Cu was converted into exchange-

able and residual forms. Its available content was increased by 89.82 % (P<0.05) in the mucus plus 8% straw charcoal treatment

group, and Cu was activated in the sludge during composting. In the analysis of the effect of mucus and different ratios of straw char-

coal on the availability of heavy metals after composting, it was found that the correlation coefficients of straw charcoal addition with

the available forms of heavy metals Cu, Zn, Pb, and Ni reached significant levels of 0.906, ?0.909, ?0.847, and ?0.639 (P<0.05), re-

spectively, while the correlation coefficients with Cd were lower. Finally, based on the principal component analysis and stepwise re-

gression equations, mucus in combination with straw charcoal influenced the pH of the sludge compost, affecting the mobility of Ni,

Zn, Pb, and Cu. Therefore, mucus plus 8% straw charcoal is an effective approach for treating the heavy metals in the sludge.

Keywords: Earthworm mucus; Straw charcoal; Municipal sludge compost; Heavy metal content; Heavy metal speciation



近些年, 随着更多污水处理厂的投入运用, 污泥

产生量也快速提高, 根据我国住房和城乡建设部公

布的《2020年城乡建设统计年鉴》[1], 截至2020年

年底干污泥产量已达1333万t, 较高的产量会使污泥

大量暴露于露天环境中, 产生较多挥发性有机化合

物、温室气体、具有异味的气体(H2S、NH3)和渗滤

液等危害环境的有毒有害污染物[2]。而生活污泥中

存在重金属的现象较为普遍, 如若无法妥善解决, 也

会破坏环境并酿成二次污染[3]。目前污泥的常规处

置仍是以填埋和焚烧为主, 但前者会占用大量土地

资源, 后者不仅成本高, 还会排放大量尾气, 在未来

很可能会被堆肥及土地利用等具有良好发展的资源

化技术所代替[4]。污泥堆肥对降低污泥中重金属含

量和削弱重金属毒性有重要作用。研究发现, 在污

泥中添加不同改良剂, 可使重金属有效态和形态发

生不同变化。如: 堆肥中添加木屑和蘑菇渣能改变

重金属浓度和存在形态, 增强重金属稳定性[5]; 添加

蒙脱石可显著降低重金属Pb、Cu、Zn活性, 钝化重

金属有效性[6], 磷矿粉能钝化堆肥中Cu的活性[7]。而

生物炭因其比表面积大, 富含多种能与离子进行配

578 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷

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位反应和交换反应的官能团, 可降低重金属移动性[8],

如Liu等[9]发现生物炭对污泥堆肥时, 能滞留养分和

钝化重金属Cu、Zn、Pb、Ni和Cr; Malinowski等[10]

采用木炭对污泥堆肥时发现重金属毒性显著降低,

显著加快堆肥化进程。因此, 生物炭常用作添加剂

改良污泥中重金属, 效果甚佳。

蚯蚓粘液是蚯蚓从体表排出的一种组分较为复

杂的淡黄色粘状液体, 主要由电解质、糖类化合物、

脂质、氨基酸、微量营养素、有益微生物等混合物

组成, 在蚯蚓的生命活动中具有重要作用[11-13]。研究

发现, 蚯蚓粘液具有启动和促进植物残体矿化、腐

殖化的作用, 是堆肥微生物生长发育的重要营养源[14],

能改变重金属在污染土壤中的存在状态[15], 也可提高

番茄(Solanum lycopersicum)幼苗中叶绿素含量, 促进

其对微量金属元素的吸收[16]。Sizmur等[15]还发现蚯

蚓粘液中富含溶解性碳、溶解性氮和能产生两性离

子的氨基酸, 可以与重金属等污染物发生络合反应,

从而改变重金属As的存在形态和降低其流动性。

因此, 粘液对重金属在环境中的行为变化起着重要

作用。

生物炭和粘液均具有调控环境中重金属活性的

作用[9,15-16], 前者广泛作为堆肥和污染土壤的改良剂,

后者在土壤中有一定研究, 而在堆肥中研究较为鲜

见, 对堆肥中重金属影响更为鲜见。鉴于此, 本试验

研究蚯蚓粘液及其与生物炭协同作用, 并通过设置

粘液协同不同比例秸秆炭对污泥堆肥, 探究粘液单

独作用及两者共同作用后能否调节污泥中重金属活

性, 从而对重金属形态和有效态产生怎样影响, 以为

更好地处理污泥中重金属活性提出新方案。

1 材料和方法



1.1 试验材料

选取安徽省淮南市某生活污水处理厂新鲜污泥,

该污泥通过污泥浓缩池和板框深浓度脱水工艺获得。

秸秆炭选取在实验室切成段状后自然风干的玉米

(Zea mays)秸秆, 将其置于升温速度为20 ℃?min?1的

马弗炉中500 ℃热解2 h, 于干燥器中冷却后研磨,

过100目筛, 获得材料比表面积45.05 m2?g?1, 平均孔径5~

5.5 nm。蚯蚓为江苏省某蚯蚓养殖基地的赤子爱胜

蚓(Eisenia fetida), 蚯蚓粘液采用不损伤蚯蚓的低电

压电流(5 V、10 mA, 电击后蚯蚓可正常存活)刺激

法获取[17]: 将蚯蚓于实验室驯化5~10 d, 筛选活性强、

个体大且含有环带的蚯蚓600 g (约1200条), 用蒸馏

水冲洗后放入排粪盒中排粪24 h, 取出后用超纯水冲

洗蚯蚓2~3次, 放置在粘液提取装置中[14], 通电3次,

每次持续1 min, 电击间隙1 min, 共获取50 mL粘液,

将其稀释10倍[18], 贮存于?20 ℃冰箱中。污泥、粘

液和秸秆炭的理化性质如表1所示。



表 1 供试材料的基本理化性质

Table 1 Basic physiochemical properties of the testes raw materials

性质 Property 污泥 Sludge 蚯蚓粘液 Earthworm mucus 秸秆炭 Straw charcoal

电导率 Electrical conductivity (ms?cm?1) 1.11±0.03 0.05±0.00 0.86±0.05

pH 6.70±0.02 6.89±0.20 8.87±0.09

含水率 Moisture content (%) 76.67±0.05 ? 8.42±0.02

有机质 Organic matter (%) 16.65±0.89 0.37±0.03 17.61±0.63

总氮 Total nitrogen (g?kg?1) 27.82±0.82 0.15±0.01 0.63±0.05

总磷 Total phosphorus (g?kg?1) 8.88±0.32 0.007±0.00 2.82±0.10

总钾 Total potassium (g?kg?1) 13.24±1.55 0.023±0.00 15.90±0.70

总锌 Total Zn (mg?kg?1) 737.00±44.55 ? 79.50±2.12

总铅 Total Pb (mg?kg?1) 14.73±2.09 ? ?

总铜 Total Cu (mg?kg?1) 60.43±5.27 72.90±1.78 19.37±0.66

总镍 Total Ni (mg?kg?1) 32.40±5.06 ? 2.45±0.07

总镉 Total Cd (mg?kg?1) 1.62±0.11 ? 0.05±0.00

　　“ ?”为未检出。“ ?” means not detected.



1.2 试验方法

为研究粘液、粘液+秸秆炭对污泥堆肥后重金

属含量的影响, 设置污泥堆肥(CK)对照组, 试验组

5个: 污泥+粘液堆肥(S0), 污泥+粘液+2%、4%、6%

和8%秸秆炭堆肥(S1、S2、S3和S4, 污泥干重比);

所 有 堆 肥 组 均 取2 kg新 鲜 污 泥, 采 用Huang等[14]

试验方案添加40 mL粘液, 每组分别设置3个平行

样品, 控制堆体周边环境温度在25 ℃左右, 含水率

保持在60%~70%, 堆肥时间选择能让粘液充分利用

并稳定堆体的35 d[14,19]。堆肥试验结束后, 将堆肥后

的污泥自然风干后进行研磨过100目筛, 制得分析

样品。

1.3 分析方法

取适量过筛污泥于纯水中磁力搅拌1 h后离心,

第 4 期 郇辉辉等 : 蚯蚓粘液 -秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属的影响 579

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通过电位法测定pH和电导率(EC)[19]; 总氮(TN)、总

磷(TP)在灭菌锅中处理30 min后采用碱性过硫酸

钾法测定[20]; 有机质(OM)通过重铬酸钾于150 ℃恒

温箱氧化消解30 min后冷却测定[21]; 重金属总量通

过氢氟酸、硝酸和高氯酸联合消解法, 有效态通过

DTPA-2Na溶液浸提法, 形态通过Tessier五步连续

提取法, 并将获取的重金属溶液使用AAS进行测

定[20]。试验均加入国家标准物质进行质量控制, 回收

率和相对标准偏差符合要求。

1.4 数据处理与分析

使 用Excel 2021对 数 据 进 行 整 理 和 计 算, 用

SPSS 26对数据进行单因素方差分析(ANOVA)、多

重比较(LSD)、相关性和逐步回归方程分析(P为

0.05或0.01), 用ORIGIN 2022对数据进行主成分分

析(PCA)和作图。

2 结果与分析



2.1 堆肥后污泥理化性质

蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后, 在不

同试验组间的理化性质和营养物质含量间表现出不

同差异(表2)。与污泥堆肥对照组(CK)相比, 单独

添加粘液对污泥堆肥后(S0)的pH、EC均升高, OM、

TN、和TP均降低, 其中pH升高显著(P<0.05), TN、

TP降低显著(P<0.05)。当粘液-秸秆炭共同作用对污

泥堆肥后(S1-S4), 与CK相比, pH、EC和OM在粘

液+8%秸 秆 炭(S4)时 分 别 升 高9.97%、19.40%和

24.60% (P<0.05), TN和TP分别降低30.95%和19.84%

(P<0.05); 粘液+4%秸秆炭(S2)时, pH、EC和OM分

别升高5.55%、12.68%和12.01% (P<0.05), 而TK和

TP与对照无显著差异。这表明添加粘液和秸秆炭,

能促进有机质的矿化、腐质化和脱氨基作用, 释放

碱性物质, 使污泥呈弱碱性; 而生物炭残留较多的难

降解碳, 也会提升OM含量; 堆体中氨气的释放和磷、

钾的滤出, 促使污泥中营养物质逐渐产生损失[9,14,22-23]。

由此, 所有试验组中粘液联合4%秸秆炭(S2)处理的

污泥效果较好, 堆体呈弱碱性, OM含量较丰富, 养分

损失少。

2.2 堆肥后污泥中重金属含量变化

由表3可知, 采用粘液-秸秆炭共同作用对污泥

表 2 蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥理化性质和营养物质的影响

Table 2 Effects of applying earthworm mucus and straw charcoal on the selected physical and chemical properties and nutrients of

sludge compost

处理

Treatment pH

电导率

Electrical conductivity

(mS?cm?1)

有机质

Organic matter

(%)

总氮

Total nitrogen

总磷

Total phosphorus

总钾

Total potassium

(g?kg?1)

CK 6.92±0.04e 1.34±0.01d 15.65±0.50d 32.31±0.31a 21.37±0.31a 15.14±0.16a

S0 7.02±0.06d 1.38±0.03d 15.45±0.15d 29.77±0.70b 18.34±0.12b 15.31±0.32a

S1 7.25±0.02c 1.46±0.02c 16.85±0.30c 25.56±0.32c 23.05±1.80a 13.95±0.96a

S2 7.30±0.04c 1.51±0.02bc 17.53±0.28b 26.14±0.26c 22.81±0.50a 12.98±2.53a

S3 7.47±0.08b 1.54±0.08ab 17.22±0.27bc 21.64±0.65d 17.57±1.90b 13.66±1.40a

S4 7.61±0.05a 1.60±0.01a 19.50±0.26a 22.31±0.60d 17.13±1.15b 13.32±1.65a

　　CK: 单独污泥堆肥; S0: 污泥+粘液堆肥; S1: 污泥+粘液+2%秸秆炭堆肥; S2: 污泥+粘液+4%秸秆炭堆肥; S3: 污泥+粘液+6%秸秆炭堆肥; S4: 污泥+

粘液+8%秸秆炭堆肥; 同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。CK: sludge composting; S0: sludge + mucus composting; S1: sludge + mucus + 2%

straw charcoal composting; S2: sludge + mucus + 4% straw charcoal composting; S3: sludge + mucus + 6% straw charcoal composting; S4: sludge + mucus +

8% straw charcoal composting. Different letters in the same column show significant differences among different treatments (P<0.05).

表 3 蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用的污泥堆肥后重金属含量

Table 3 Effect of applying earthworm mucus and straw charcoal on heavy metal contents of sludge compost

处理 Treatment 镉 Cd 铅 Pb 铜 Cu 镍 Ni 锌 Zn

mg?kg?1　

CK 1.95±0.02a 18.00±0.05a 65.85±3.90a 82.78±4.15a 858.00±39.09a

S0 1.88±0.08a 17.08±4.25a 61.22±4.79ab 73.73±6.38b 786.00±0.30a

S1 1.65±0.05b 11.78±1.48b 59.67±0.98ab 44.40±1.98c 783.00±7.50a

S2 1.53±0.08b 8.83±1.45bc 61.68±1.78ab 41.91±0.44cd 676.50±18.00b

S3 1.15±0.15c 6.37±1.70c 61.75±0.43ab 35.05±1.33de 645.00±7.50bc

S4 1.23±0.23c 5.88±1.48c 61.85±1.95ab 33.45±5.96e 585.00±29.25c

GB 4284—2018 (A) <3 <300 <500 <100 <1200

欧盟 European Union 20~40 750~1200 1000~1750 300~400 2500~4000

　　CK: 单独污泥堆肥; S0: 污泥+粘液堆肥; S1: 污泥+粘液+2%秸秆炭堆肥; S2: 污泥+粘液+4%秸秆炭堆肥; S3: 污泥+粘液+6%秸秆炭堆肥; S4: 污泥+

粘液+8%秸秆炭堆肥; 同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。CK: sludge composting; S0: sludge + mucus composting; S1: sludge + mucus + 2%

straw charcoal composting; S2: sludge + mucus + 4% straw charcoal composting; S3: sludge + mucus + 6% straw charcoal composting; S4: sludge + mucus +

8% straw charcoal composting. Different letters in the same column show significant differences among different treatments (P<0.05).

580 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷

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堆肥后, 重金属总量均表现出降低趋势。与CK相

比, 仅添加粘液的试验组(S0)中重金属Cd、Pd、Cu、

Zn有降低趋势, 但差异不显著, 而Ni含量显著降低

10.93% (P<0.05); 当粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆

肥后, 重金属总量的降低幅度随秸秆炭含量加大而

增加, 在粘液+8%秸秆炭试验组(S4)重金属总量降

低幅度达最大, Cd、Pb、Cu、Ni和Zn含量分别降

低36.92%、67.33%、6.07%、59.59%和31.82% (P<

0.05)。综上所述, 粘液协同秸秆炭堆肥后对降低污

泥中多数重金属效果较好, 而对Cu效果一般, 堆肥

后重金属总量低于《农用污泥污染物控制标准》

(GB 4284?2018) A级标准, 更远低于欧盟污泥农用

标准[24], 此后可斟酌用作园林公路绿化、草坪基质及

农用。

2.3 堆肥后对污泥中重金属有效态的影响

堆肥体系中有效态重金属是指能被植物体直接

汲取、富集的重金属, 包含水溶态、酸溶态、螯合

态和吸附态等多种形态, 具有较强毒害作用, 而本试

验中有效态包含可交换态和碳酸盐结合态[25]。如表4

所示, 单独添加粘液污泥堆肥(S0)后, 重金属有效态

均有降低趋势, 其中有效态镉含量显著降低(P<0.05),

可能粘液中富含的氨基酸和蛋白质提供与重金属络

合的有机官能团, 降低其有效性。当粘液-秸秆炭共

同作用对污泥堆肥后, Cu有效态含量逐步上升, Ni、

Pb、Zn有效态含量表现为下降趋势。与CK相比,

粘液+8%秸秆炭处理(S4)变化幅度最大, 有效态铜

含量升高89.68%, 有效态镍、铅、锌含量分别下降

28.05%、41.99%、28.30% (P<0.05); 而有效态镉含量

在粘液+2%秸秆炭处理组(S1)较CK降幅最大, 为

38.46% (P<0.05), 随后开始升高, 但始终低于CK。这

是粘液和秸秆炭的共同作用, 产生能固化重金属的

负电荷基团, 降低多数重金属有效性, 而腐殖质中溶

解性有机碳活化了Cu, 提升了其有效性[26-27]。此外,

利用相关性分析粘液+不同比例秸秆炭对堆肥后(S0-

S4)重金属有效态的影响发现, 秸秆炭添加量与重金

属Cu、Zn、Pb、Ni有效态的相关系数分别为0.906、

?0.909、?0.847、?0.639, 均达显著水平(P<0.05), 而

与有效态镉含量相关系数较低, 为0.392。



表 4 蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后重金属有效态含量的影响

Table 4 Effects of applying earthworm mucus and straw charcoal on contents of available heavy metals of sludge compost

mg?kg?1　

处理

Treatment

有效态镉

Available Cd

有效态铅

Available Pb

有效态铜

Available Cu

有效态镍

Available Ni

有效态锌

Available Zn

CK 0.39±0.05a 7.43±0.00a 3.10±0.24d 5.17±0.10a 8.41±0.10a

S0 0.28±0.01d 6.60±0.29a 3.05±0.47d 4.58±0.09ab 8.29±0.14a

S1 0.24±0.04d 5.56±0.82b 4.70±0.10c 4.63±0.68ab 7.67±0.45b

S2 0.34±0.03bc 5.21±0.31bc 5.19±0.30bc 4.17±0.37bc 6.74±0.31c

S3 0.36±0.01ab 4.85±0.54bc 5.69±0.29ab 4.14±0.18bc 5.79±0.31d

S4 0.29±0.02cd 4.31±0.54c 5.88±0.10a 3.72±0.59c 6.03±0.46d

　　CK: 单独污泥堆肥; S0: 污泥+粘液堆肥; S1: 污泥+粘液+2%秸秆炭堆肥; S2: 污泥+粘液+4%秸秆炭堆肥; S3: 污泥+粘液+6%秸秆炭堆肥; S4: 污泥+

粘液+8%秸秆炭堆肥; 同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。CK: sludge composting; S0: sludge + mucus composting; S1: sludge + mucus + 2%

straw charcoal composting; S2: sludge + mucus + 4% straw charcoal composting; S3: sludge + mucus + 6% straw charcoal composting; S4: sludge + mucus +

8% straw charcoal composting. Different letters in the same column show significant differences among different treatments (P<0.05).



为了深入解析不同处理组与堆肥后重金属有效

态关系, 利用主成分分析法(PCA)得到如下结果: 两

种主成分(PC1=76.2%, PC2=20.8%)的累积方差贡献

率达97.0%, 符合要求(图1), 表示不同处理组对重金

属有效态影响, 污泥堆肥对照组(CK)和粘液+8%秸

秆炭堆肥处理组(S4)在PC1方向上分别表现出明显

正 和 负 效 应, 粘 液+2%秸 秆 炭 堆 肥 处 理 组(S1)在

PC2方向上表现出明显负效应。由此可知, CK对降

低污泥中重金属有效态含量效果较差, 而S4和S1

效果较好。此外, 通过重金属有效态的因子加载发

现, Zn、Pb、Ni和Cd分别在PC1和PC2正方向上

作用强, 而Cu在PC1负方向上作用强。结果表明,

粘液+2%秸秆炭(S1)对钝化污泥中重金属Cd效果

较好, 而粘液+8%秸秆炭(S4)能更好地钝化污泥中

重金属Ni、Pb、Zn活性, 却活化了重金属Cu, 这与

图2所示结果一致。

2.4 堆肥后污泥中重金属形态变化

重金属在污泥中以可交换态、碳酸盐结合态、铁

锰结合态、有机结合态和残渣态5种形态存在, 而

堆肥能改变重金属在污泥中的化学形态分布, 从而

钝化污泥中重金属的生物活性。其中可交换态和碳

酸盐结合态在5种形态中活性较强, 易于被植物体

所富集, 是影响污泥中重金属有效性的最主要形态,

铁锰结合态较为稳定, 易受酸碱度所影响, 有机结合

态与残渣态化学性质最为稳定, 较难被植物吸收富集。

如图2所示, 各处理组堆肥后重金属Cu以有机

结合态为主, Zn以铁锰结合态为主, Ni和Pb以残渣

态为主, 而Cd以可交换态为主。单独添加粘液对污

第 4 期 郇辉辉等 : 蚯蚓粘液 -秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属的影响 581

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泥堆肥后, 重金属均由较为活泼形态朝着残渣态转

化, 较CK的残渣态所占比例提升了33.19%~120.19%。

当粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后, Ni和Pb的

碳酸盐结合态、Pb的铁锰结合态、Zn的可交换态

逐步向稳定难降解的残渣态转化, 在添加8%秸秆炭

时, 重金属Ni、Pb、Zn的残渣态所占比例较CK分

别提高40.26%、102.74%和208.01%; 而Cu的有机

结合态却同时向可交换态和残渣态这两种活性相异

的形态转化, 加入8%秸秆炭时可交换态和残渣态所

占比例较CK试验组分别升高65.20%和50.82%; 残

渣态Cd也向可交换态和碳酸盐结合态两种活性较

强形态转化, 但这两种形态比例均未超过CK。这表

明粘液协同秸秆炭堆肥后, 有机质的加速矿化和腐

质化, 使产生的多种活性基团络合重金属, 降低其迁

移和转化能力, 从而钝化部分重金属活性, 使其形态

变的更为稳定; 而Cu在矿化和腐质化下发生游离,

与溶解性有机碳等物质结合, 降低了其固化效果, 从

而朝着相反形态变化[28-30]。

3 讨论

当粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后, pH显著

升高, 一方面原因是粘液和秸秆炭增加了堆肥中微

生物丰度, 促进了氨基酸脱氨基作用, 大量氨气释放

到堆肥中, 使pH逐渐升高; 另一方面原因是秸秆炭

释放自身的弱碱性物质, 也可提升堆肥体系中酸碱

度[9,31-32]。EC与污泥中可溶性矿物盐浓度密切相关。

Pan等[12]发现蚯蚓粘液可作为诱导有机质矿化的启

动因子, 提高矿化速率; 此外, Huang等[14]还发现添

加剂能提高堆肥体系中微生物活性, 提升有机质分



1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

0.5

0

0

0

PC1 (76.2%)

0

PC2 (20.8%) ?0.5

?0.5

?0.5

?1.0

?1.0

?1.5

?2 2 4

S4

S3

S2

Cd CK

Pb

Ni

Zn

S0

S1

Cu



图 1 粘液和秸秆炭添加与污泥堆肥重金属含量的关系

Fig. 1 Relationship between applying earthworm mucus and

straw charcoal and heavy metal contents of sludge

compost

CK: 单独污泥堆肥; S0: 污泥+粘液堆肥; S1: 污泥+粘液+2%秸秆

炭堆肥; S2: 污泥+粘液+4%秸秆炭堆肥; S3: 污泥+粘液+6%秸秆炭堆

肥; S4: 污泥+粘液+8%秸秆炭堆肥。CK: sludge composting; S0: sludge

+ mucus composting; S1: sludge + mucus + 2% straw charcoal composting;

S2: sludge + mucus + 4% straw charcoal composting; S3: sludge + mucus +

6% straw charcoal composting; S4: sludge + mucus + 8% straw charcoal

composting.



100

Cu Zn

Pb Cd

Ni

80

60

40

20

占比

Proportion (%)

占比

Proportion (%)

0

CK S0 S1 S2 S3 S4 CK S0 S1 S2 S3 S4 CK S0 S1 S2 S3 S4

CK S0 S1 S2 S3 S4

F1

F2

F3

F4

F5

100

80

60

40

20

0

处理 Treatment

CK S0 S1 S2 S3 S4



图 2 蚯蚓粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后重金属有效态分布的影响

Fig. 2 Effects of applying earthworm mucus and straw charcoal on distribution of available forms of heavy metals during sludge

composting

CK: 单独污泥堆肥; S0: 污泥+粘液堆肥; S1: 污泥+粘液+2% 秸秆炭堆肥; S2: 污泥+粘液+4% 秸秆炭堆肥; S3: 污泥+粘液+6% 秸秆炭堆肥; S4:

污泥+粘液+8% 秸秆炭堆肥。F1: 可交换态; F2: 碳酸盐结合态; F3: 铁锰结合态; F4: 有机结合态; F5: 残渣态。CK: sludge composting; S0: sludge +

mucus composting; S1: sludge + mucus + 2% straw charcoal composting; S2: sludge + mucus + 4% straw charcoal composting; S3: sludge + mucus + 6% straw

charcoal composting; S4: sludge + mucus + 8% straw charcoal composting. F1: exchange form; F2: carbonate bound form; F3: iron-manganese bound form; F4:

organic form; F5: residual.

582 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷

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解速率, 产生大量HCO3?、NH4+和其他无机盐等, 使

EC值逐渐提升, 这也与本研究结果相类似。粘液协

同秸秆炭堆肥污泥后还能促进污泥中有机质分解成

矿物盐, 使有机质含量在单一粘液堆肥的处理组下

降, 不断添加秸秆炭后, 残留较多结构稳定的难溶性

有机碳, 使堆肥体系中有机质含量增加[33]。

Guo等[33]研究发现, 生物炭能促进堆肥体系中

氨 气 的 释 放, 而 其 较 高 的 比 表 面 积 和 多 孔 结 构 对

NH3和NH4+的吸附作用, 又会减小氮损失; 生物炭也

能提高堆肥中氧气含量, 减少N2O和CH4排放, 进一

步降低氮损失[34]。本研究结果则不同, 单独添加粘液

对污泥堆肥后, 因粘液能刺激堆肥体系中微生物活

性和提高细菌丰度, 可将大量氮元素通过氨化、反

硝化作用以NH3、N2、N2O形式损失[22]; 当粘液与不

同比例秸秆炭共同作用对污泥堆肥后, 粘液协同秸

秆炭为参与氮反应的微生物提供更加有利的生存环

境, 使氨挥发能力远超过生物炭的吸附能力[35], 伴随

着秸秆炭产生的稀释作用, 造成总氮含量降低; Wei

等[23]发现, 磷元素常以固态或液态存在于堆体中, 当

有机物快速降解产生的有机酸会溶解部分难溶性磷

到滤液中, 导致磷流失, 这也可能与生物炭稀释作用

和阳离子交换量有关, 污泥中产生的有机酸也是K

溶解的主要机制, 从而部分溶解性钾随滤液溶出, 再

加上生物炭的稀释作用, 造成K含量略降低[36]。

Duan等[32]观察到, 有机废物中添加生物炭能促

进堆肥基质快速降解, 使活性有机物向稳定的腐殖

质转化并络合重金属, 提高重金属在堆肥中的水溶

性, 导致重金属总量因滤出而损失。这与本研究结

果相类似, 在本试验中添加粘液能提高堆肥污泥中

有机质矿化和腐殖化速率, 使腐殖质中富里酸吸附

重金属成为结合体随滤液浸出, 造成重金属总量降

低[14]; 当粘液与不同比例秸秆炭共同作用对污泥堆

肥后, 又对堆肥产生了较强的稀释效果, 进一步降低

重金属总量并减少重金属对堆肥的毒害作用, 提高

堆肥质量[10,37-38]。

堆肥过程中生物炭通过物理吸附、氧化还原反

应、沉淀络合、静电作用和离子交换反应等机制固

定重金属, 钝化堆肥中重金属活性[26]。在本试验中，

粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后降低了重金属

Cd、Ni、Pb、Zn有效态含量, 却提高了Cu有效态

含量, 由此对各处理组堆肥后的重金属有效态和理

化性质进行相关性分析得出(表5), 重金属Ni、Pb、

Zn有效态含量与pH表现为负相关(P<0.01)。随着

秸秆炭添加比例提高, pH也呈上升趋势并促使重金

属Ni、Pb、Zn有效态含量逐渐降低。这是因为粘

液中富含游离氨基酸和蛋白质[16], 为堆体提供较多氨

基、羧基、羟基等官能团, 伴随着污泥中秸秆炭的

添加, 秸秆炭自身碱性及其易降解物质(乙酸、丁酸

等)分解, 碱度也逐渐提高, 促进了官能团脱质子化

反应, 产生较多带负电荷的基团于堆体中并与重金

属发生络合反应, 钝化重金属Ni、Pb和Zn[26,39-40]。

本试验结果与Li等[26]证明的堆肥体系pH维持在

5.5~12.5范围内, Pb主要以Pb(OH)2形式存在类似;

也与Liu等[9]发现的添加生物炭到污泥中进行好氧

堆肥后, 堆体pH升高, 对污泥中Ni有效性产生钝化

效果相一致。重金属Ni、Pb、Zn含量与有机质含

量和EC也表现出负相关(P<0.01), 可能生物炭对微

生物的存活环境具有调节作用, 粘液也可提升污泥

中细菌丰度, 进而促进粘液秸秆炭堆肥体系中OM

分解成腐殖质, 使重金属被堆肥过程中形成的能够

吸附和固定重金属离子的胡敏酸所络合, 钝化重金

属活性[33,41]。Cu有效态与pH、EC和OM表现出显

著正相关(P<0.01), 因为粘液-秸秆炭共同作用污泥,

能使堆体腐殖化产生较多溶解性有机碳(包括富里酸

和类黄腐殖酸等), 促进溶解性有机碳对Cu的结合,

提高了Cu在污泥堆肥中的可移动性, 进而提高Cu

有效态含量[28-29,32,42], 这也与Zhao等[27]发现Cu易与

有机质中溶解性有机碳结合, 提高Cu的迁移率相一

表 5 污泥堆肥中重金属有效态含量与理化性质的相关关系

Table 5 Correlationships between contents of available forms of heavy metals with physical and chemical properties of sludge

compost

重金属

Heavy metal

理化性质 Physicochemical property

pH 电导率Electrical conductivity 有机质Organic matter 总氮Total nitrogen 总磷Total phosporus 总钾Total potassium

镍 Ni ?0.776 ?0.734 ?0.666 0.727 0.551 0.238

铅 Pb ?0.906 ?0.872 ?0.820 0.903 0.337 0.465

锌 Zn ?0.906 ?0.854 ?0.796 0.905 0.431 0.388

镉 Cd ?0.229 ?0.202 ?0.194 0.271 0.049 ?0.044

铜 Cu 0.944 0.932 0.866 ?0.937 ?0.239 ?0.565

　　和分别表示在 P<0.01和P<0.05水平显著相关。 and indicate significant correlation at P<0.01 and P<0.05 levels, respectively.

第 4 期 郇辉辉等 : 蚯蚓粘液 -秸秆炭共同作用对生活污泥堆肥中重金属的影响 583

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致。Cd有效态含量受堆体理化性质影响较小, 可能

生物炭表面的阳离子交换对Cd具有吸收作用, 从而

降低了Cd活性[26,33]。为了深入了解污泥中理化性质

对重金属有效性的直接影响, 对其进行回归方程分

析发现(表6), pH是影响堆肥污泥中重金属Ni、Pb、

Zn、Cu有效态的最关键因素。



表 6 污泥堆肥中重金属有效态含量与理化性质的回归方程

Table 6 Regression equations between contents of available forms of heavy metals with physical and chemical properties of sludge

compost

重金属 Heavy metal 逐步回归方程 Stepwise regression analysis 拟合指数 R2 显著性 P

锌 Zn y=35.939?3.965xpH 0.81 <0.01

镍 Ni y=17.474?1.801xpH 0.58 <0.01

铜 Cu y=?32.766+4.901xpH+0.089xTP 0.92 <0.01

铅 Pb y=36.106?4.194xpH 0.81 <0.01

镉 Cd ? ? ?

　　xpH为污泥堆肥的pH, xTP为污泥堆肥的总磷含量。“ ?”为未检出。xpH is the pH of the sludge compost, xTP is the total phosphorus content of the sludge

compost. “?” means not detected.



单独粘液添加到污泥中堆肥后降低了重金属不

稳定性, 这可能是粘液中含有的电解质和较多糖蛋

白、粘多糖、凝集素、血蓝蛋白等大分子混合物[12],

为微生物代谢创造适宜微环境, 改变堆肥中微生物

分布, 促进堆肥基质的矿化和腐殖化, 使矿化后的有

机质及粘液中原本富含的多种活性基团与重金属形

成络合物, 钝化污泥中重金属活性[14,30]。当粘液-秸秆

炭共同作用对污泥堆肥后, 重金属Pb、Ni和Zn的

有效态所占比例降低, 可能是粘液和秸秆炭协同作

用提升了堆肥pH, 增强堆体中腐殖质官能团(羧基

等)脱质子化, 产生较多能与重金属有效络合的负电

荷, 并形成表面沉淀物, 固定重金属[43-44], Zheng等[45]

也发现重金属Ni的前3种形态与pH呈负相关, 这

也与Liu等[9]研究发现生物炭对污泥堆肥降低了重

金属Pb、Zn和Ni的生物可利用度相一致; 污泥中

残渣态所占比例随生物炭比例增加也逐渐提升, 这

时堆体基质的矿化能力增强, 促进了有效硅产生, 产

生较多可与重金属络合成极难溶沉淀的硅酸根, 从

而提升残渣态所占比例[46]。随着粘液和秸秆炭的添

加, 有机结合态Cu向可交换态和残渣态转化, Cd的

交换态所占比例也逐渐提高, 这时有机结合态Cu在

污泥中含量丰富, 在粘液和秸秆炭的作用下促进有

机质矿化和腐殖化, 使更多有机Cu游离, 并与溶解

性有机碳等物质结合, 降低了Cu的固化效果[27-29,42],

而试验中Cd的变化与Liang等[37]试验结果相类似。

4 结论

1)粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后能提高污

泥碱度和有机质, 却导致养分损失; 当粘液+4%秸秆

炭时, 堆肥后污泥呈碱性, 有机质含量丰富, 养分损

失少。

2)粘液-秸秆炭共同作用对污泥堆肥后能降低污

泥中重金属总量, 钝化了Ni、Pb、Zn, 而活化Cu; 进

一步对污泥中重金属有效态分析得出, pH是影响重

金属有效态的最关键因素, 而粘液+8%秸秆炭钝化

重金属Ni、Zn、Pb效果甚佳, 对重金属Cu具有活

化效果。

3)单独添加粘液对污泥堆肥后的重金属活性降

低, 残渣态所占比例提高; 而粘液-秸秆炭共同作用对

污泥堆肥后, 碳酸盐结合态Ni和Pb、铁锰结合态Pb、

可交换态Zn逐步朝着稳定的残渣态转化, 而Cd和

Cu变化相异, 前者朝着可交换态转化, 后者朝着可交

换态和残渣态转化。

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