碳源调控对污泥堆肥过程氮素损失的影响及其作用机制

发布时间：2020-10-16 20:32

　　 随着我国污水处理能力的提高,污泥产量急剧增加,由此带来的二次污染问题日益突出。污泥好氧堆肥技术由于运行成本低、工艺操作简单而得到研究人员以及工程技术人员的关注,目前在国内已有许多大型的污泥堆肥项目投入使用。但污泥好氧堆肥过程普遍存在严重的氮素损失现象,据统计,16%-74%的氮素在堆肥过程流失,不仅造成臭气污染,同时也降低了堆肥产品的农用价值。氮素损失的途径较多,其中氨气挥发所占比例达到46.8%-77.4%。因此,控制氨气挥发是减少氮素损失的有效途径。 低碳氮比是造成好氧堆肥氨气挥发的主要原因之一,污泥本身的低碳氮比特性使得这一问题更加严重。为了解决以上问题,研究者尝试通过投加秸秆、木屑、树枝等富含碳源的材料提高碳氮比以控制氨气挥发,但实际效果并不理想。究竟何种类型的碳源有利于氨气挥发的控制,碳源在控制氨气挥发中的作用机制尚不清楚。 基于上述原因,本论文系统的研究了不同碳源投加条件(碳源类型、碳源配比、投加时间)对污泥堆肥过程常规理化指标及氮素损失情况的影响,在保证污泥堆肥过程顺利完成的基础上得到能够有效降低氮素损失的碳源调控工艺参数；分析了堆肥过程有机质生物降解过程及其结构特征变化,利用溶解性有机碳、耗氧速率、二氧化碳挥发速率等指标评价了有机质的生物有效性,并分析了其与氨气挥发之间的响应关系；利用平板培养与分子生物学技术,分析了不同类型碳源对堆肥微生物数量及种群结构特征的影响,明确了碳源投加控制堆肥过程氮素损失的微生物作用机制。 不同的碳源投加条件对氮素损失具有显著影响,单独投加葡萄糖以及蔗糖比秸秆的效果好,混合碳源的效果优于单一碳源。由氨气挥发以及氮素损失情况可知,蔗糖与秸秆混合投加效果最好,堆肥过程氨气挥发总量比对照组减少37%,氮素损失减少47.8%；秸秆与蔗糖的最优投加配比为3比7,在此条件下,氮素损失减少了47.4%；最后,获得了以上最优碳源的最佳投加时间,即在堆肥进行至108小时,投加秸秆与蔗糖(3/7)的混合碳源能够使氨气挥发总量减少55%,同时堆肥过程总氮损失仅为10.8%。 有机质的生物降解特征与氮素损失之间具有一定的相关性,但仅通过有机碳的绝对含量变化不足以分析二者之间的关系,结构不同的有机质在堆肥过程的降解特性也不同。微生物对有机碳的降解能力直接影响了其氮素损失的控制效果。利用二氧化碳挥发速率(dCO2/dt)来评价碳源的生物有效性(即生物降解能力)能够阐明其与氨气挥发之间的响应机制。在最优碳源调控条件下,dCO2/dt的最大值为105.1,出现时间为144小时,该值不仅与氨气高峰值出现的时间一致,同时远远大于未投加碳源条件下(60.4)。将dCO2/dt变化情况与氨气挥发结果比较可知,在氨气剧烈挥发的高峰期,dCO2/dt值越大的条件下氨气挥发量越小,氮素损失量越小。 由堆肥微生物数量及种群结构变化情况可知,碳源在氮素损失控制中的作用机制与微生物的氨同化作用密切相关,而与硝化作用无关。投加蔗糖的处理中,在堆肥高温期出现了大量具有氨同化功能微生物类群Pseudomonas sp.,且氨同化微生物数量增加至91×106,明显大于投加秸秆条件下(16×105)。微生物通过氨同化作用可将氨氮转化为有机氮,从而减少氮素的损失。α-酮戊二酸既是氨同化作用的关键底物,也是糖类物质在微生物的三羧酸循环作用产生的中间产物,这一过程中会生成大量的二氧化碳,二氧化碳含量的变化可间接反映微生物氨同化作用的强度,进而反映碳源调控对氮素损失的控制效果。因此,上述结论也解释了为何dCO2/dt与氨气挥发之间存在明显的相关性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X703;S141.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
        1.1.1 污泥的产生及其危害
        1.1.2 污泥的处理处置现状
        1.1.3 污泥堆肥技术发展及存在的问题
        1.1.4 课题研究目的和意义
    1.2 堆肥过程中的氮素损失
        1.2.1 氮素不同形态的转化
        1.2.2 氮素损失的影响因素
        1.2.3 氮素损失的控制方法
    1.3 堆肥过程中的有机质生物降解特征
        1.3.1 有机质不同组分的转化
        1.3.2 有机质的生物降解对氮素损失的影响
    1.4 堆肥过程中的微生物特性研究
        1.4.1 堆肥微生物数量的动态变化
        1.4.2 基于非培养技术的堆肥微生物多样性研究
        1.4.3 氮素转化微生物的研究
    1.5 本课题的主要研究内容
第2章 试验材料与方法
    2.1 堆肥原料及其理化特性
    2.2 堆肥试验装置及运行条件
    2.3 分析项目及检测方法
        2.3.1 常规分析项目及检测方法
        2.3.2 非常规分析项目及检测方法
第3章 基于氮素损失控制的碳源投加条件优选
    3.1 引言
    3.2 碳源类型对堆肥过程氮素转化及损失的影响
        3.2.1 碳源类型对堆肥过程中常规理化特性的影响
        3.2.2 碳源类型对堆肥过程中氮素转化的影响
    3.3 碳源配比对堆肥过程氮素转化及损失的影响
        3.3.1 碳源配比对堆肥过程中常规理化特性的影响
        3.3.2 碳源配比对堆肥过程中氮素转化的影响
    3.4 碳源投加时间对堆肥过程氮素转化及损失的影响
        3.4.1 碳源投加时间对堆肥过程中常规理化特性的影响
        3.4.2 碳源投加时间对堆肥过程中氮素转化的影响
    3.5 本章小结
第4章 碳源调控对堆肥过程有机质生物降解的影响
    4.1 引言
    4.2 堆肥过程有机质不同溶解性组分的转化
        4.2.1 溶解性组分的变化
        4.2.2 半纤维素类组分的变化
        4.2.3 纤维素类组分的变化
        4.2.4 木质素类组分的变化
        4.2.5 TOC在不同组分中分布情况
    4.3 有机质的生物有效性对氮素损失的影响
        4.3.1 溶解性有机碳（DOC）含量的变化
        4.3.2 耗氧速率（DRI）的变化
2/dt）的变化'>        4.3.3 二氧化碳释放速率（dCO₂/dt）的变化
    4.4 堆肥过程水溶性有机质的光谱学特征分析
        4.4.1 水溶性有机质的红外光谱特征
        4.4.2 水溶性有机质的三维荧光光谱特征
        4.4.3 水溶性有机质的紫外光谱特征
    4.5 本章小结
第5章 碳源调控对微生物的影响及作用机制研究
    5.1 引言
    5.2 碳源调控对常规微生物数量的影响
        5.2.1 细菌数量的变化
        5.2.2 放线菌数量的变化
        5.2.3 真菌数量的变化
    5.3 碳源调控对氮代谢微生物数量的影响
        5.3.1 氨化细菌数量的变化
        5.3.2 硝化细菌数量的变化
        5.3.3 氨同化细菌数量的变化
    5.4 碳源调控对微生物种群结构的影响
        5.4.1 基因组DNA提取
        5.4.2 PCR反应扩增
        5.4.3 DGGE分析
        5.4.4 堆肥细菌系统发育分析
    5.5 堆肥过程中碳源调控的作用机制探讨
        5.5.1 二氧化碳与氨气挥发之间的响应关系
        5.5.2 微生物氨同化作用对氮素损失控制的影响
        5.5.3 碳源调控技术在实际堆肥中的应用价值
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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本文编号：2843742