隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)量的不斷增加和處理處置要求的提高,發(fā)展多元化的處理處置方法解決污泥處理處置的困境迫在眉睫。蚯蚓堆肥(vermicomposting)由于其環(huán)境友好、安全可持續(xù)的特點(diǎn)有望為當(dāng)前的污泥處理提供一個(gè)新出路。城鎮(zhèn)污泥蚯蚓堆肥仍屬于好氧堆肥范疇,污泥復(fù)氧能力是制約其堆肥效率的一個(gè)重要因素。城鎮(zhèn)污泥粒徑大小不同,其比表面積不同,與氧接觸的面積不同,降解效率也有所差異。本研究將城鎮(zhèn)污泥制成5 mm和14.5 mm的顆粒,加入蚯蚓后考察:1)兩種粒徑污泥中有機(jī)質(zhì)(OM)、含水率、電導(dǎo)率(EC)、pH、NH4+、NO3-、溶解性有機(jī)碳(DOC)、微生物碳量(MBC)八種理化指標(biāo)以及傅里葉紅外光譜、三維熒光光譜兩種光譜特性隨時(shí)間的變化;2)兩種粒徑污泥中脫氫酶(DHA)、FDA酶、蔗糖酶、纖維素酶、脂肪酶、脲酶、蛋白酶七種酶活性隨時(shí)間的變化;3)兩種粒徑污泥中16s rDNA和18s rDNA兩種微生物群落隨時(shí)間的變化;4)不同污泥復(fù)氧能力對(duì)蚯蚓堆肥過程中物質(zhì)、酶活性和微生物群落三者之間關(guān)系的影響。主要結(jié)論如下:(1)城鎮(zhèn)污泥粒徑對(duì)蚯蚓堆肥理化指標(biāo)有顯著影響,主成分分析表明減小粒徑在蚯蚓堆肥前期能夠加速有機(jī)碳礦化、在中后期通過加速氨化和提前硝化進(jìn)程加速了有機(jī)氮礦化,且在中期加速了難利用有機(jī)質(zhì)的分解。傅里葉紅外光譜結(jié)果表明,減小污泥粒徑有助于對(duì)于纖維素、半纖維素等的降解,同時(shí)蚯蚓處理城鎮(zhèn)污泥過程可能并不是以有機(jī)質(zhì)的芳香化為根本穩(wěn)定手段。三維熒光光譜的結(jié)果說明了蛋白質(zhì)類有機(jī)氮的礦化發(fā)生在堆肥后期,蚯蚓堆肥過程并不是通過將有機(jī)質(zhì)腐殖化來穩(wěn)定污泥,而是將相對(duì)難降解的物質(zhì)進(jìn)一步分解,減小污泥粒徑有助于加強(qiáng)這一過程。(2)酶活性變化表明減小污泥粒徑對(duì)微生物利用蔗糖、脂類等易利用有機(jī)碳源促進(jìn)作用有限,但是對(duì)纖維素這樣的難利用有機(jī)碳源有明顯的促進(jìn)作用。減小粒徑促進(jìn)污泥中有機(jī)氮的礦化不是通過蛋白酶實(shí)現(xiàn)的,而是通過促進(jìn)脫氨基作用和通過脲酶促進(jìn)尿素分解實(shí)現(xiàn)的。主成分分析也表明減小粒徑在0~10天稍稍加速了易利用有機(jī)碳的利用、在10~30天大大加速纖維素等難利用有機(jī)碳的利用以及在30天后極大加速了脫氨基和硝化作用。(3)蚯蚓堆肥過程中始終保持優(yōu)勢(shì)地位的16s rDNA菌門是變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、綠菌門和綠彎菌門,減小粒徑能夠減少優(yōu)勢(shì)菌門的種類。此外,減小污泥粒徑能夠提高對(duì)纖維素具有分解能力的16s rDNA的菌門占比(87.39%提高至92.54%),也有利于降低堆肥中厭氧菌的占比。蚯蚓堆肥過程中始終保持優(yōu)勢(shì)地位的18s rDNA菌門只有子囊菌門,但在堆肥開始與結(jié)束時(shí)均為優(yōu)勢(shì)菌門的還有擔(dān)子菌門和前毛壺菌門,接合菌門很快取代纖毛蟲門成為堆肥過程中占絕對(duì)主導(dǎo)地位的優(yōu)勢(shì)菌門。蚯蚓、纖毛蟲門和領(lǐng)鞭毛蟲門這兩種優(yōu)勢(shì)原生動(dòng)物、接合菌門之間存在捕食關(guān)系,減小粒徑通過加速蚯蚓對(duì)原生動(dòng)物的捕食為接合菌門的大量繁殖創(chuàng)造了條件。此外,由于易利用碳源的減少,堆肥結(jié)束時(shí),兩處理組中子囊菌門、擔(dān)子菌門、接合菌門這三種能夠利用難利用碳源的菌門之和均較堆肥初期有巨大增長(zhǎng),增幅超過60%,且兩處理組之間沒有太大差異。(4)堆肥過程物質(zhì)與酶活性相關(guān)性結(jié)果表明,小粒徑處理組中纖維素的降解對(duì)有機(jī)質(zhì)降解的貢獻(xiàn)要高于大粒徑處理組。蚯蚓堆肥過程中從蛋白質(zhì)大分子有機(jī)氮到氨基酸等小分子有機(jī)氮再到NH4+這兩個(gè)過程不是同時(shí)期發(fā)生的,但是從尿素到NH4+的過程則是從堆肥開始就在進(jìn)行,硝化作用的發(fā)生則需要等待有機(jī)質(zhì)降解到一定程度后才能發(fā)生,減小污泥粒徑有助于加速硝化進(jìn)程。堆肥過程微生物群落與酶活性相關(guān)性結(jié)果表明,蚯蚓堆肥過程中與蔗糖酶分泌有關(guān)的菌門有Saccharibacteria,與纖維素酶分泌有關(guān)的菌門有Choanoflagellida、Cryptomycota,與脂肪酶分泌有關(guān)的菌門有Saccharibacteria、Proteobacteria、Firmicutes、Choanoflagellida、Ciliophora,與脲酶分泌有關(guān)的菌門有Saccharibacteria、Firmicutes、Actinobacteria、Choanoflagellida,與蛋白酶分泌有關(guān)的菌門有Zygomycota,相關(guān)性均在0.5以上。其余優(yōu)勢(shì)菌門在蚯蚓堆肥中的具體功能還需要進(jìn)一步研究。堆肥前30天主要是脂肪酶等、蔗糖酶等、尿酶等、蛋白酶等在發(fā)揮作用,使污泥中易利用物質(zhì)被快速降解,并在系統(tǒng)中積累NH4+和氨基酸;30天后脫氨基作用和硝化作用占據(jù)主導(dǎo)地位。小粒徑處理組在前30天加速了有機(jī)碳的利用,以及在前20天加速尿素的分解為NH4+,為其在20天后就開始硝化進(jìn)程提供了條件,在30天后加速脫氨基作用也進(jìn)一步提供了大量硝化底物——NH4+,從而硝化強(qiáng)度明顯高于大粒徑處理組。
【學(xué)位單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X703;S141.4
【部分圖文】：

蚯蚓堆肥粒徑實(shí)驗(yàn)（注：a 為小粒徑蚯蚓處理組（S），b 為大粒徑蚯蚓處理組（B）Figure2.1 Particle size experiment of vermicomposting定方法）含水率和有機(jī)質(zhì)：有機(jī)質(zhì)（OM）采用灼燒法（550℃，5 h）測(cè)定；含水法測(cè)定。）NH4+采用氯化鉀溶液提取分光光度法[54]。）NO3-采用酚二磺酸比色法測(cè)定[55]。）MBC 采用氯仿熏蒸-重鉻酸鉀容量法測(cè)定[56]。）DOC 參照硫酸-重鉻酸鉀容量法[57]。）pH 和 EC 參照《土壤和固體廢棄物監(jiān)測(cè)分析技術(shù)》測(cè)定[58]。）傅里葉紅外光譜特性采用傅里葉變換紅外分光光度計(jì)（島津 IR Prestige-，使用 KBr 壓片，掃描波數(shù)范圍為 400～4 000 cm-1。）三維熒光光譜特性采用熒光分光光度計(jì)（島津 RF5300 PC）進(jìn)行測(cè)定[59]據(jù)處理

污泥含水率總體保持相對(duì)穩(wěn)定。由圖 2.2c，自 20 天起至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，小粒徑處理組污泥電導(dǎo)率（EC）均顯著高于大粒徑處理組。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，小粒徑處理組污泥 pH在20天至30天有明顯的突降，且在30天~50天與大粒徑處理組有顯著性差異（圖2.2d）。蚯蚓處理大、小粒徑污泥過程中，NH4+變化趨勢(shì)幾乎完全一致（圖 2.2e），但小粒徑污泥在 20 天時(shí)即開始了硝化進(jìn)程，而大粒徑則遲滯了 20 天（圖 2.2f）。兩組污泥中的溶解性有機(jī)碳（DOC）均呈先升后降趨勢(shì)，但是小粒徑處理組保持增長(zhǎng)的時(shí)間比大粒徑處理組多 20 天（圖 2.2g）。20 天后，小粒徑處理組污泥微生物碳量（MBC）要低于大粒徑處理組，但是沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異（圖 2.2h）。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，減小污泥粒徑在前期能夠顯著增強(qiáng)污泥中有機(jī)質(zhì)降解速率，并加速有機(jī)質(zhì)礦化速率。盡管兩種粒徑污泥在蚯蚓處理過程中 NH4+凈含量變化始終一致

指標(biāo)雙標(biāo)圖（注：IS 表示原始污泥，數(shù)字表示天數(shù)，S 表示小粒徑處理組，B 徑處理組）Figure2.3 Double-coordinates graph of physicochemical properties對(duì)紅外光譜特性的影響 為不同粒徑污泥蚯蚓堆肥傅里葉紅外光譜圖，從圖中可以找到 14 個(gè)主分別是 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這三個(gè)高于 3500 cm-1的吸收峰和9.41cm-1這三個(gè)低于 1000 cm-1的吸收峰分別屬于含結(jié)晶水或 OH-的礦質(zhì)[61]，均為無機(jī)官能團(tuán)，其強(qiáng)度變化較為穩(wěn)定。圖 2.4 中其余吸收峰見表 2.2，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)處理組在 3304.06 cm-1處的吸收峰強(qiáng)漸減弱，50 天有所增強(qiáng)，50 天后又有所減弱，小粒徑處理組在 30 天處理組略弱，但后期差異不明顯。2926.01 cm-1和 2864.29 cm-1處兩組 3304.06 cm-1處吸收峰強(qiáng)度變化有相同的規(guī)律。上述三處吸收峰的變
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