城镇污泥粒径对蚯蚓堆肥的影响

发布时间：2020-10-16 03:01

　　 随着我国城镇污泥产量的不断增加和处理处置要求的提高,发展多元化的处理处置方法解决污泥处理处置的困境迫在眉睫。蚯蚓堆肥(vermicomposting)由于其环境友好、安全可持续的特点有望为当前的污泥处理提供一个新出路。城镇污泥蚯蚓堆肥仍属于好氧堆肥范畴,污泥复氧能力是制约其堆肥效率的一个重要因素。城镇污泥粒径大小不同,其比表面积不同,与氧接触的面积不同,降解效率也有所差异。本研究将城镇污泥制成5 mm和14.5 mm的颗粒,加入蚯蚓后考察:1)两种粒径污泥中有机质(OM)、含水率、电导率(EC)、pH、NH4+、NO3-、溶解性有机碳(DOC)、微生物碳量(MBC)八种理化指标以及傅里叶红外光谱、三维荧光光谱两种光谱特性随时间的变化;2)两种粒径污泥中脱氢酶(DHA)、FDA酶、蔗糖酶、纤维素酶、脂肪酶、脲酶、蛋白酶七种酶活性随时间的变化;3)两种粒径污泥中16s rDNA和18s rDNA两种微生物群落随时间的变化;4)不同污泥复氧能力对蚯蚓堆肥过程中物质、酶活性和微生物群落三者之间关系的影响。主要结论如下:(1)城镇污泥粒径对蚯蚓堆肥理化指标有显著影响,主成分分析表明减小粒径在蚯蚓堆肥前期能够加速有机碳矿化、在中后期通过加速氨化和提前硝化进程加速了有机氮矿化,且在中期加速了难利用有机质的分解。傅里叶红外光谱结果表明,减小污泥粒径有助于对于纤维素、半纤维素等的降解,同时蚯蚓处理城镇污泥过程可能并不是以有机质的芳香化为根本稳定手段。三维荧光光谱的结果说明了蛋白质类有机氮的矿化发生在堆肥后期,蚯蚓堆肥过程并不是通过将有机质腐殖化来稳定污泥,而是将相对难降解的物质进一步分解,减小污泥粒径有助于加强这一过程。(2)酶活性变化表明减小污泥粒径对微生物利用蔗糖、脂类等易利用有机碳源促进作用有限,但是对纤维素这样的难利用有机碳源有明显的促进作用。减小粒径促进污泥中有机氮的矿化不是通过蛋白酶实现的,而是通过促进脱氨基作用和通过脲酶促进尿素分解实现的。主成分分析也表明减小粒径在0~10天稍稍加速了易利用有机碳的利用、在10~30天大大加速纤维素等难利用有机碳的利用以及在30天后极大加速了脱氨基和硝化作用。(3)蚯蚓堆肥过程中始终保持优势地位的16s rDNA菌门是变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿菌门和绿弯菌门,减小粒径能够减少优势菌门的种类。此外,减小污泥粒径能够提高对纤维素具有分解能力的16s rDNA的菌门占比(87.39%提高至92.54%),也有利于降低堆肥中厌氧菌的占比。蚯蚓堆肥过程中始终保持优势地位的18s rDNA菌门只有子囊菌门,但在堆肥开始与结束时均为优势菌门的还有担子菌门和前毛壶菌门,接合菌门很快取代纤毛虫门成为堆肥过程中占绝对主导地位的优势菌门。蚯蚓、纤毛虫门和领鞭毛虫门这两种优势原生动物、接合菌门之间存在捕食关系,减小粒径通过加速蚯蚓对原生动物的捕食为接合菌门的大量繁殖创造了条件。此外,由于易利用碳源的减少,堆肥结束时,两处理组中子囊菌门、担子菌门、接合菌门这三种能够利用难利用碳源的菌门之和均较堆肥初期有巨大增长,增幅超过60%,且两处理组之间没有太大差异。(4)堆肥过程物质与酶活性相关性结果表明,小粒径处理组中纤维素的降解对有机质降解的贡献要高于大粒径处理组。蚯蚓堆肥过程中从蛋白质大分子有机氮到氨基酸等小分子有机氮再到NH4+这两个过程不是同时期发生的,但是从尿素到NH4+的过程则是从堆肥开始就在进行,硝化作用的发生则需要等待有机质降解到一定程度后才能发生,减小污泥粒径有助于加速硝化进程。堆肥过程微生物群落与酶活性相关性结果表明,蚯蚓堆肥过程中与蔗糖酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria,与纤维素酶分泌有关的菌门有Choanoflagellida、Cryptomycota,与脂肪酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria、Proteobacteria、Firmicutes、Choanoflagellida、Ciliophora,与脲酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria、Firmicutes、Actinobacteria、Choanoflagellida,与蛋白酶分泌有关的菌门有Zygomycota,相关性均在0.5以上。其余优势菌门在蚯蚓堆肥中的具体功能还需要进一步研究。堆肥前30天主要是脂肪酶等、蔗糖酶等、尿酶等、蛋白酶等在发挥作用,使污泥中易利用物质被快速降解,并在系统中积累NH4+和氨基酸;30天后脱氨基作用和硝化作用占据主导地位。小粒径处理组在前30天加速了有机碳的利用,以及在前20天加速尿素的分解为NH4+,为其在20天后就开始硝化进程提供了条件,在30天后加速脱氨基作用也进一步提供了大量硝化底物——NH4+,从而硝化强度明显高于大粒径处理组。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703;S141.4
【部分图文】：

蚯蚓堆肥粒径实验（注：a 为小粒径蚯蚓处理组（S），b 为大粒径蚯蚓处理组（B）Figure2.1 Particle size experiment of vermicomposting定方法）含水率和有机质：有机质（OM）采用灼烧法（550℃，5 h）测定；含水法测定。）NH4+采用氯化钾溶液提取分光光度法[54]。）NO3-采用酚二磺酸比色法测定[55]。）MBC 采用氯仿熏蒸-重铬酸钾容量法测定[56]。）DOC 参照硫酸-重铬酸钾容量法[57]。）pH 和 EC 参照《土壤和固体废弃物监测分析技术》测定[58]。）傅里叶红外光谱特性采用傅里叶变换红外分光光度计（岛津 IR Prestige-，使用 KBr 压片，扫描波数范围为 400～4 000 cm-1。）三维荧光光谱特性采用荧光分光光度计（岛津 RF5300 PC）进行测定[59]据处理

污泥含水率总体保持相对稳定。由图 2.2c，自 20 天起至实验结束，小粒径处理组污泥电导率（EC）均显著高于大粒径处理组。整个实验过程中，小粒径处理组污泥 pH在20天至30天有明显的突降，且在30天~50天与大粒径处理组有显著性差异（图2.2d）。蚯蚓处理大、小粒径污泥过程中，NH4+变化趋势几乎完全一致（图 2.2e），但小粒径污泥在 20 天时即开始了硝化进程，而大粒径则迟滞了 20 天（图 2.2f）。两组污泥中的溶解性有机碳（DOC）均呈先升后降趋势，但是小粒径处理组保持增长的时间比大粒径处理组多 20 天（图 2.2g）。20 天后，小粒径处理组污泥微生物碳量（MBC）要低于大粒径处理组，但是没有统计学意义上的差异（图 2.2h）。从上述实验结果可知，减小污泥粒径在前期能够显著增强污泥中有机质降解速率，并加速有机质矿化速率。尽管两种粒径污泥在蚯蚓处理过程中 NH4+净含量变化始终一致

指标双标图（注：IS 表示原始污泥，数字表示天数，S 表示小粒径处理组，B 径处理组）Figure2.3 Double-coordinates graph of physicochemical properties对红外光谱特性的影响 为不同粒径污泥蚯蚓堆肥傅里叶红外光谱图，从图中可以找到 14 个主分别是 3849.92、3736.12、3606.89、3304.06、2926.01、2864.29、2531.48、1446.61、1024.20、771.53、667.37、449.41cm-1。 中 3849.92、3736.12、3606.89 cm-1这三个高于 3500 cm-1的吸收峰和9.41cm-1这三个低于 1000 cm-1的吸收峰分别属于含结晶水或 OH-的矿质[61]，均为无机官能团，其强度变化较为稳定。图 2.4 中其余吸收峰见表 2.2，从图中可以发现，两个处理组在 3304.06 cm-1处的吸收峰强渐减弱，50 天有所增强，50 天后又有所减弱，小粒径处理组在 30 天处理组略弱，但后期差异不明显。2926.01 cm-1和 2864.29 cm-1处两组 3304.06 cm-1处吸收峰强度变化有相同的规律。上述三处吸收峰的变
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本文编号：2842658