溫度對(duì)蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥穩(wěn)定化過程的影響

　　1 引言

　　城市污泥作為污水處理后的產(chǎn)物,是一種由有機(jī)殘片、微生物、無(wú)機(jī)顆粒、膠體等組成的復(fù)雜非均質(zhì)體,極易腐化發(fā)臭,如果處理不當(dāng)將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染.近年來,蚯蚓堆肥作為一種環(huán)境友好的、可持續(xù)的安全生物處理技術(shù)逐漸被人們所熟知.然而城鎮(zhèn)污泥很容易產(chǎn)生有害滲濾液及氨氣和硫化氫等有毒氣體,導(dǎo)致蚯蚓不能直接在其中生存.Fu等發(fā)現(xiàn)將污泥造粒后,可直接作為蚯蚓堆肥的底物,并能夠顯著降低城鎮(zhèn)污泥中微生物數(shù)量及其活性,得到較穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)物.

　　在蚯蚓堆肥過程中,其效果往往取決于環(huán)境因子是否適宜,而溫度是其中最重要,也是較容易控制的因素之一.溫度對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖及代謝活動(dòng)均有巨大影響,不同的蚯蚓所適宜的環(huán)境溫度也存在差異,蚯蚓堆肥常用的赤子愛勝蚓在15~25 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性.然而溫度不僅能夠嚴(yán)重影響蚯蚓的生長(zhǎng)代謝,對(duì)改變微生物的代謝活性及群落結(jié)構(gòu)也有著重要作用.溫度通過影響酶的活性,進(jìn)而影響微生物的生長(zhǎng)速率及基質(zhì)利用率;同時(shí),溫度還會(huì)影響有機(jī)物生化反應(yīng)中某些中間產(chǎn)物形成的速率,這些變化直接反映在微生物種群的組成上.而在不同溫度條件下微生物組成的差異,又會(huì)對(duì)蚯蚓堆肥產(chǎn)生不同的效果.

　　因此,本文通過考察蚯蚓堆肥在不同溫度(15、20、25 ℃)條件下OM、EC、NH4+-N和NO3--N、MBC、DHA指標(biāo)的變化,研究溫度對(duì)蚯蚓堆肥過程穩(wěn)定化進(jìn)程的影響及其影響特征,為蚯蚓堆肥的穩(wěn)定高效提供理論依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　實(shí)驗(yàn)所用蚯蚓為赤子愛勝蚓(Eisenia foetida),實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng).實(shí)驗(yàn)用污泥來自蘭州市七里河污水處理廠脫水污泥,理化性質(zhì)見表 1.將脫水污泥制成5 mm粒徑后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)組,每組3個(gè)平行.每個(gè)反應(yīng)器中加入4 kg粒徑5 mm的造粒污泥和100條蚯蚓,每條蚯蚓約重1.0 g.將反應(yīng)器置于恒溫培養(yǎng)箱中,溫度分別為(15±1)℃、(20±1)℃、(25±1)℃,每天人工翻動(dòng)一次.反應(yīng)器用塑料薄膜覆蓋保濕、深色覆蓋物避光.實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 d,每10 d取樣一次.一部分鮮樣直接測(cè)定MBC和DHA,另一部分陰干,研磨過100目篩,測(cè)理化指標(biāo).

　　表 1 實(shí)驗(yàn)用泥理化特性

　　2.2 測(cè)定方法

　　EC采用電導(dǎo)儀測(cè)定;OM采用灼燒法(550 ℃,5 h)測(cè)定;DOC采用硫酸-重鉻酸鉀容量法測(cè)定;MBC通過改進(jìn)的熏蒸提取-容量法進(jìn)行測(cè)定;DHA采用TTC還原法測(cè)定;NH4+-N采用氯化鉀溶液提取分光光度法(HJ 643—2012)測(cè)定;NO3--N采用酚二磺酸比色法測(cè)定.

　　2.3 數(shù)據(jù)處理

　　采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件,通過單因素方差分析(ANOVA)對(duì)同一指標(biāo)不同處理組進(jìn)行差異顯著性分析,處理組間差異顯著性定義為p<0.05;采用Statistics10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行主成分分析(PCA).

　　3 結(jié)果與分析

　　3.1 溫度對(duì)理化性質(zhì)的影響

　　由圖 1可知,15、20、25 ℃ 3個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度下,OM的降幅和EC、NH4+-N和NO3--N的增幅隨時(shí)間延長(zhǎng)均增大,并呈顯著差異(p<0.05),但25 ℃和20 ℃之間的差異大于20 ℃和15 ℃之間,并存在明顯突變.這表明溫度高有利于蚯蚓和微生物作用的發(fā)揮,可提高有機(jī)質(zhì)的降解速率和礦化程度,但在不同的溫度范圍,其作用強(qiáng)度存在顯著差異.

　　圖 1 OM、EC、NH4+-N、NO3--N隨時(shí)間的變化(同一時(shí)期的不同字母表示各溫度處理之間存在顯著差異(p<0.05),下同)

　　城鎮(zhèn)污泥主要由是以微生物有機(jī)體為主的有機(jī)質(zhì)構(gòu)成,其降解過程以有機(jī)氮向無(wú)機(jī)氮的轉(zhuǎn)化為主,因此,含氮有機(jī)質(zhì)的降解效率對(duì)于整個(gè)過程的穩(wěn)定化有著重要作用.NH4+-N和NO3--N含量是有機(jī)氮降解的重要指標(biāo),氨化細(xì)菌適宜生存的溫度范圍為25~35 ℃,其菌落數(shù)及氨化速率在一定范圍內(nèi)隨著溫度的升高而升高,25 ℃更接近氨化細(xì)菌適宜的生存溫度,因此,氨化速率顯著高于15 ℃和20 ℃.硝化菌是自養(yǎng)型微生物,OM含量的降低和NH4+-N含量的升高均有利于增強(qiáng)硝化作用,同時(shí),溫度的提高也增強(qiáng)了硝化菌的活性.25 ℃條件下NO3--N含量急速增加是有機(jī)質(zhì)降解、氨化作用與溫度綜合影響的結(jié)果.EC與NH4+-N和NO3--N均呈顯著正相關(guān)(p<0.01),但與NO3--N的相關(guān)性更強(qiáng),這是由于NH4+-N與污泥顆粒的結(jié)合能力強(qiáng)于NO3--N,這也符合城鎮(zhèn)污泥的礦化以含氮有機(jī)質(zhì)為主的特點(diǎn).溫度升高能夠促進(jìn)蚯蚓生長(zhǎng)繁殖和微生物的代謝活性,由于城鎮(zhèn)污泥降解取決于含氮有機(jī)質(zhì)降解速率及氨化作用的強(qiáng)弱,因此,越接近這些微生物適宜生存的溫度,越有利于蚯蚓與微生物協(xié)同作用的高效發(fā)揮.

　　3.2 溫度對(duì)MBC和DHA的影響

　　微生物量碳(Microbial Biomass Carbon,MBC)能直接反映基質(zhì)中微生物數(shù)量的多少.從圖 2a可以看出,在整個(gè)穩(wěn)定化過程中MBC隨溫度升高依次降低,這與兩方面的原因有關(guān)：首先,溫度越高微生物及蚯蚓活性越強(qiáng),分解同樣有機(jī)質(zhì)所需要的微生物數(shù)量越少;另外,伴隨有機(jī)質(zhì)含量降低,又會(huì)限制微生物數(shù)量增加.因此,溫度通過改變有機(jī)質(zhì)降解效率來影響微生物量.

　　圖 2 MBC和DHA隨時(shí)間的變化

　　脫氫酶能夠激活某些特殊的氫原子,使有機(jī)質(zhì)脫氫而被氧化,并參與糖、脂肪、氨基酸、核苷酸代謝,是微生物降解有機(jī)物,獲得能量所必須的酶.對(duì)于以細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物為主體構(gòu)成的城鎮(zhèn)污泥的堆肥過程來說,脫氫酶活性(Dehydrogenase Activity,DHA)可表征污泥的穩(wěn)定程度.在適宜溫度范圍內(nèi),溫度的升高有助于提高脫氫酶的活性,但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(圖 2b),DHA并沒有隨溫度的升高而成梯度關(guān)系.從DHA變化趨勢(shì)看,溫度對(duì)污泥DHA影響較小,這可能與污泥有機(jī)質(zhì)(OM)和蚯蚓粘液均可對(duì)DHA產(chǎn)生顯著影響有關(guān).

　　3.3 不同溫度條件下蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程的主成分分析

　　城鎮(zhèn)污泥中的有機(jī)質(zhì)構(gòu)成以微生物及其殘?bào)w為主,其降解過程是有機(jī)碳氮向無(wú)機(jī)碳氮的轉(zhuǎn)化.NH4+-N/ NO3--N在一定程度上反映了有機(jī)氮的氨化及硝化的程度,結(jié)合EC變化,就能綜合反映污泥的礦化程度.污泥所含的有機(jī)質(zhì)中,溶解性有機(jī)碳(DOC)是最易為微生物利用的碳源,DOC的變化是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定化程度的反映.污泥中有機(jī)質(zhì)含量的變化,在一定程度上反映了堆肥的進(jìn)程,而微生物量及其活性的大小則主要表征有機(jī)質(zhì)的生物降解能力.

　　溫度對(duì)蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程影響的主成分分析(PCA)結(jié)果見圖 3.通過PCA分析得出,第一主成分(PC1)與第二主成分(PC2)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80.9%.其中,第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為57.5%,第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為23.4%.第一主成分中OM、DOC、MBC、DHA載荷均在0.75以上為正效應(yīng),EC載荷則在-0.75以上為負(fù)效應(yīng).第一主成分主要與有機(jī)物、微生物和電導(dǎo)率有關(guān),有機(jī)物的降解主要依靠微生物的數(shù)量及其活性,其降解結(jié)果表現(xiàn)為EC的增量,因此,有機(jī)物的降低與EC的升高存在因果關(guān)系,而在第一主成分正方向的得分越高表明與有機(jī)質(zhì)的生物降解有關(guān)的活動(dòng)能力越強(qiáng),在負(fù)方向的得分越高則表明有機(jī)物的礦化程度越高.因此,第一主成分可表征堆肥系統(tǒng)中與有機(jī)物的生物降解有關(guān)的活動(dòng)能力與有機(jī)物的礦化程度.第二主成分中NH4+-N/ NO3--N的載荷為0.92,反映系統(tǒng)中氨化及硝化過程.第二主成分正方向表征氨化作用強(qiáng)于硝化作用,負(fù)方向則表征硝化作用強(qiáng)于氨化作用,因此,第二主成分主要表征堆肥過程中礦質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化.

　　圖 3不同溫度組蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程主成分分析圖(IS：初始污泥;L：15 ℃組;M：20 ℃組;H：25 ℃組;數(shù)字表示天數(shù))

　　蚯蚓堆肥過程是污泥由不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化的過程.圖 3中3個(gè)溫度組隨時(shí)間依次經(jīng)歷倒“V”型的3個(gè)階段,根據(jù)3個(gè)溫度組在第一、第二主成分上的投影差異特性,可將蚯蚓堆肥過程大致分為3個(gè)階段：第1階段0~10 d,第2階段20~40 d,第3階段50~60 d.第1階段,3個(gè)溫度組均處于第四象限,與OM、DOC、MBC、DHA呈正相關(guān)關(guān)系,10 d時(shí)的3個(gè)溫度組與初始污泥在第一主成分上的投影差異顯著,且隨溫度升高投影差異變大,表明此階段有機(jī)物正被快速生物降解,溫度越高,偏移越大.具體表現(xiàn)為：初始污泥OM、MBC、DHA含量較高,在0~10 d大幅降低,且25 ℃組的降幅高于15 ℃組和20 ℃組,而3個(gè)溫度組的EC、NH4+-N、NO3--N含量均較低,變化無(wú)顯著差異(p>0.05).第2階段,3個(gè)溫度組分布在第一、二象限上,在第二主成分上投影差異較大,而在第一主成分上的投影較集中,且第一、第二主成分上的正效應(yīng)逐漸減弱,第二主成分上的負(fù)效應(yīng)有增強(qiáng)趨勢(shì).具體表現(xiàn)為：20~40 d 3個(gè)溫度組的OM、MBC、DHA均呈下降趨勢(shì),但速率低于第一階段,NH4+-N、EC開始升高,且25 ℃組顯著高于15 ℃組、20 ℃組(p<0.05),3個(gè)溫度組的硝化作用表現(xiàn)微弱,主要以氨化作用為主.第3階段,3個(gè)溫度組均處于第三象限,與EC呈正相關(guān)關(guān)系,溫度越高相關(guān)性越強(qiáng);硝化作用隨溫度升高而增強(qiáng),礦化程度顯著提高,OM、MBC、DHA則趨于穩(wěn)定.在第1階段和第3階段,各點(diǎn)在第一主成分上的投影差異較大,其綜合特征差異主要體現(xiàn)在第一主成分上.在第2階段,各點(diǎn)投影綜合特征差異則主要體現(xiàn)在第二主成分上.無(wú)論處于哪個(gè)階段,15 ℃和20 ℃組之間歐氏距離較短,而與25 ℃組之間距離較長(zhǎng),表明低于25 ℃時(shí),對(duì)蚯蚓和微生物的生理活動(dòng)影響較大,25 ℃更接近于蚯蚓與微生物發(fā)揮高效作用的環(huán)境溫度.提高溫度能夠?qū)︱球径逊十a(chǎn)生積極的影響,然而溫度并不能改變蚯蚓堆肥的穩(wěn)定化路徑,只是加快了蚯蚓堆肥的穩(wěn)定化速率,表明溫度在15~25 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)可能并未發(fā)生劇烈變化,只是提高了某些微生物的數(shù)量和代謝活性.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　溫度對(duì)蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥的影響主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)降解、氨化和硝化速率上.PCA分析結(jié)果表明,蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥的穩(wěn)定化過程主要包括3個(gè)階段,分別以有機(jī)質(zhì)的生物降解、氨化作用和硝化作用為特征.控制蚯蚓堆肥溫度應(yīng)以滿足蚯蚓生理需求為主,這將更有利于蚯蚓與微生物協(xié)同作用的高效發(fā)揮.在適宜蚯蚓生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi),提高溫度有利于加速城鎮(zhèn)脫水污泥蚯蚓堆肥穩(wěn)定化,但不會(huì)改變穩(wěn)定化路徑.