1 引言

　　城市污泥作為污水處理后的產物,是一種由有機殘片、微生物、無機顆粒、膠體等組成的復雜非均質體,極易腐化發(fā)臭,如果處理不當將會對環(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逐漸被人們所熟知.然而城鎮(zhèn)污泥很容易產生有害滲濾液及氨氣和硫化氫等有毒氣體,導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.溫度對蚯蚓的生長繁殖及代謝活動均有巨大影響,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 ℃范圍內表現(xiàn)出較好的適應性.然而溫度不僅能夠嚴重影響蚯蚓的生長代謝,對改變微生物的代謝活性及群落結構也有著重要作用.溫度通過影響酶的活性,進而影響微生物的生長速率及基質利用率;同時,溫度還會影響有機物生化反應中某些中間產物形成的速率,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,又會對蚯蚓堆肥產生不同的效果.

　　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指標的變化,研究溫度對蚯蚓堆肥過程穩(wěn)定化進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.

　　2 材料與方法

　　2.1 實驗材料

　　實驗所用蚯蚓為赤子愛勝蚓(Eisenia foetida),實驗室培養(yǎng).實驗用污泥來自蘭州市七里河污水處理廠脫水污泥,理化性質見表 1.將脫水污泥制成5 mm粒徑后再進行實驗.實驗分為3個組,每組3個平行.每個反應器中加入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)℃,每天人工翻動一次.反應器用塑料薄膜覆蓋保濕、深色覆蓋物避光.實驗時間為60 d,每10 d取樣一次.一部分鮮樣直接測定MBC和DHA,另一部分陰干,研磨過100目篩,測理化指標.

　　表 1 實驗用泥理化特性

　　2.2 測定方法

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

　　2.3 數(shù)據處理

　　采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件,通過單因素方差分析(ANOVA)對同一指標不同處理組進行差異顯著性分析,處理組間差異顯著性定義為p<0.05;采用Statistics10.0統(tǒng)計軟件對所測參數(shù)進行主成分分析(PCA).

　　3 結果與分析

　　3.1 溫度對理化性質的影響

　　由圖 1可知,15、20、25 ℃ 3個實驗溫度下,OM的降幅和EC、NH4+-N和NO3--N的增幅隨時間延長均增大,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,可提高有機質的降解速率和礦化程度,但在不同的溫度范圍,其作用強度存在顯著差異.

　　圖 1 OM、EC、NH4+-N、NO3--N隨時間的變化(同一時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體為主的有機質構成,其降解過程以有機氮向無機氮的轉化為主,因此,含氮有機質的降解效率對于整個過程的穩(wěn)定化有著重要作用.NH4+-N和NO3--N含量是有機氮降解的重要指標,氨化細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隨著溫度的升高而升高,25 ℃更接近氨化細菌適宜的生存溫度,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硝化作用,同時,溫度的提高也增強了硝化菌的活性.25 ℃條件下NO3--N含量急速增加是有機質降解、氨化作用與溫度綜合影響的結果.EC與NH4+-N和NO3--N均呈顯著正相關(p<0.01),但與NO3--N的相關性更強,這是由于NH4+-N與污泥顆粒的結合能力強于NO3--N,這也符合城鎮(zhèn)污泥的礦化以含氮有機質為主的特點.溫度升高能夠促進蚯蚓生長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質降解速率及氨化作用的強弱,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MBC和DHA的影響

　　微生物量碳(Microbial Biomass Carbon,MBC)能直接反映基質中微生物數(shù)量的多少.從圖 2a可以看出,在整個穩(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：首先,溫度越高微生物及蚯蚓活性越強,分解同樣有機質所需要的微生物數(shù)量越少;另外,伴隨有機質含量降低,又會限制微生物數(shù)量增加.因此,溫度通過改變有機質降解效率來影響微生物量.

　　圖 2 MBC和DHA隨時間的變化

　　脫氫酶能夠激活某些特殊的氫原子,使有機質脫氫而被氧化,并參與糖、脂肪、氨基酸、核苷酸代謝,是微生物降解有機物,獲得能量所必須的酶.對于以細菌、真菌、原生動物和后生動物為主體構成的城鎮(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,溫度的升高有助于提高脫氫酶的活性,但本實驗結果顯示(圖 2b),DHA并沒有隨溫度的升高而成梯度關系.從DHA變化趨勢看,溫度對污泥DHA影響較小,這可能與污泥有機質(OM)和蚯蚓粘液均可對DHA產生顯著影響有關.

　　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)污泥中的有機質構成以微生物及其殘體為主,其降解過程是有機碳氮向無機碳氮的轉化.NH4+-N/ NO3--N在一定程度上反映了有機氮的氨化及硝化的程度,結合EC變化,就能綜合反映污泥的礦化程度.污泥所含的有機質中,溶解性有機碳(DOC)是最易為微生物利用的碳源,DOC的變化是對系統(tǒng)內部穩(wěn)定化程度的反映.污泥中有機質含量的變化,在一定程度上反映了堆肥的進程,而微生物量及其活性的大小則主要表征有機質的生物降解能力.

　　溫度對蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程影響的主成分分析(PCA)結果見圖 3.通過PCA分析得出,第一主成分(PC1)與第二主成分(PC2)的累積方差貢獻率達到80.9%.其中,第一主成分的方差貢獻率為57.5%,第二主成分的方差貢獻率為23.4%.第一主成分中OM、DOC、MBC、DHA載荷均在0.75以上為正效應,EC載荷則在-0.75以上為負效應.第一主成分主要與有機物、微生物和電導率有關,有機物的降解主要依靠微生物的數(shù)量及其活性,其降解結果表現(xiàn)為EC的增量,因此,有機物的降低與EC的升高存在因果關系,而在第一主成分正方向的得分越高表明與有機質的生物降解有關的活動能力越強,在負方向的得分越高則表明有機物的礦化程度越高.因此,第一主成分可表征堆肥系統(tǒng)中與有機物的生物降解有關的活動能力與有機物的礦化程度.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于硝化作用,負方向則表征硝化作用強于氨化作用,因此,第二主成分主要表征堆肥過程中礦質氮的轉化.

　　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)逐漸轉化的過程.圖 3中3個溫度組隨時間依次經歷倒“V”型的3個階段,根據3個溫度組在第一、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個溫度組均處于第四象限,與OM、DOC、MBC、DHA呈正相關關系,10 d時的3個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個溫度組的EC、NH4+-N、NO3--N含量均較低,變化無顯著差異(p>0.05).第2階段,3個溫度組分布在第一、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逐漸減弱,第二主成分上的負效應有增強趨勢.具體表現(xiàn)為：20~40 d 3個溫度組的OM、MBC、DHA均呈下降趨勢,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個溫度組均處于第三象限,與EC呈正相關關系,溫度越高相關性越強;硝化作用隨溫度升高而增強,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,各點投影綜合特征差異則主要體現(xiàn)在第二主成分上.無論處于哪個階段,15 ℃和20 ℃組之間歐氏距離較短,而與25 ℃組之間距離較長,表明低于25 ℃時,對蚯蚓和微生物的生理活動影響較大,25 ℃更接近于蚯蚓與微生物發(fā)揮高效作用的環(huán)境溫度.提高溫度能夠對蚯蚓堆肥產生積極的影響,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 ℃范圍內變化時,系統(tǒng)中微生物群落結構可能并未發(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 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

　　4 結論

　　溫度對蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥的影響主要體現(xiàn)在有機質降解、氨化和硝化速率上.PCA分析結果表明,蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥的穩(wěn)定化過程主要包括3個階段,分別以有機質的生物降解、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.在適宜蚯蚓生長的溫度范圍內,提高溫度有利于加速城鎮(zhèn)脫水污泥蚯蚓堆肥穩(wěn)定化,但不會改變穩(wěn)定化路徑.