隨著我國(guó)污水處理能力的提高,污泥產(chǎn)量急劇增加,由此帶來(lái)的二次污染問題日益突出。污泥好氧堆肥技術(shù)由于運(yùn)行成本低、工藝操作簡(jiǎn)單而得到研究人員以及工程技術(shù)人員的關(guān)注,目前在國(guó)內(nèi)已有許多大型的污泥堆肥項(xiàng)目投入使用。但污泥好氧堆肥過程普遍存在嚴(yán)重的氮素?fù)p失現(xiàn)象,據(jù)統(tǒng)計(jì),16%-74%的氮素在堆肥過程流失,不僅造成臭氣污染,同時(shí)也降低了堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用價(jià)值。氮素?fù)p失的途徑較多,其中氨氣揮發(fā)所占比例達(dá)到46.8%-77.4%。因此,控制氨氣揮發(fā)是減少氮素?fù)p失的有效途徑。 低碳氮比是造成好氧堆肥氨氣揮發(fā)的主要原因之一,污泥本身的低碳氮比特性使得這一問題更加嚴(yán)重。為了解決以上問題,研究者嘗試通過投加秸稈、木屑、樹枝等富含碳源的材料提高碳氮比以控制氨氣揮發(fā),但實(shí)際效果并不理想。究竟何種類型的碳源有利于氨氣揮發(fā)的控制,碳源在控制氨氣揮發(fā)中的作用機(jī)制尚不清楚。 基于上述原因,本論文系統(tǒng)的研究了不同碳源投加條件(碳源類型、碳源配比、投加時(shí)間)對(duì)污泥堆肥過程常規(guī)理化指標(biāo)及氮素?fù)p失情況的影響,在保證污泥堆肥過程順利完成的基礎(chǔ)上得到能夠有效降低氮素?fù)p失的碳源調(diào)控工藝參數(shù)；分析了堆肥過程有機(jī)質(zhì)生物降解過程及其結(jié)構(gòu)特征變化,利用溶解性有機(jī)碳、耗氧速率、二氧化碳揮發(fā)速率等指標(biāo)評(píng)價(jià)了有機(jī)質(zhì)的生物有效性,并分析了其與氨氣揮發(fā)之間的響應(yīng)關(guān)系；利用平板培養(yǎng)與分子生物學(xué)技術(shù),分析了不同類型碳源對(duì)堆肥微生物數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)特征的影響,明確了碳源投加控制堆肥過程氮素?fù)p失的微生物作用機(jī)制。 不同的碳源投加條件對(duì)氮素?fù)p失具有顯著影響,單獨(dú)投加葡萄糖以及蔗糖比秸稈的效果好,混合碳源的效果優(yōu)于單一碳源。由氨氣揮發(fā)以及氮素?fù)p失情況可知,蔗糖與秸稈混合投加效果最好,堆肥過程氨氣揮發(fā)總量比對(duì)照組減少37%,氮素?fù)p失減少47.8%；秸稈與蔗糖的最優(yōu)投加配比為3比7,在此條件下,氮素?fù)p失減少了47.4%；最后,獲得了以上最優(yōu)碳源的最佳投加時(shí)間,即在堆肥進(jìn)行至108小時(shí),投加秸稈與蔗糖(3/7)的混合碳源能夠使氨氣揮發(fā)總量減少55%,同時(shí)堆肥過程總氮損失僅為10.8%。 有機(jī)質(zhì)的生物降解特征與氮素?fù)p失之間具有一定的相關(guān)性,但僅通過有機(jī)碳的絕對(duì)含量變化不足以分析二者之間的關(guān)系,結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)質(zhì)在堆肥過程的降解特性也不同。微生物對(duì)有機(jī)碳的降解能力直接影響了其氮素?fù)p失的控制效果。利用二氧化碳揮發(fā)速率(dCO2/dt)來(lái)評(píng)價(jià)碳源的生物有效性(即生物降解能力)能夠闡明其與氨氣揮發(fā)之間的響應(yīng)機(jī)制。在最優(yōu)碳源調(diào)控條件下,dCO2/dt的最大值為105.1,出現(xiàn)時(shí)間為144小時(shí),該值不僅與氨氣高峰值出現(xiàn)的時(shí)間一致,同時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未投加碳源條件下(60.4)。將dCO2/dt變化情況與氨氣揮發(fā)結(jié)果比較可知,在氨氣劇烈揮發(fā)的高峰期,dCO2/dt值越大的條件下氨氣揮發(fā)量越小,氮素?fù)p失量越小。 由堆肥微生物數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)變化情況可知,碳源在氮素?fù)p失控制中的作用機(jī)制與微生物的氨同化作用密切相關(guān),而與硝化作用無(wú)關(guān)。投加蔗糖的處理中,在堆肥高溫期出現(xiàn)了大量具有氨同化功能微生物類群Pseudomonas sp.,且氨同化微生物數(shù)量增加至91×106,明顯大于投加秸稈條件下(16×105)。微生物通過氨同化作用可將氨氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮,從而減少氮素的損失。α-酮戊二酸既是氨同化作用的關(guān)鍵底物,也是糖類物質(zhì)在微生物的三羧酸循環(huán)作用產(chǎn)生的中間產(chǎn)物,這一過程中會(huì)生成大量的二氧化碳,二氧化碳含量的變化可間接反映微生物氨同化作用的強(qiáng)度,進(jìn)而反映碳源調(diào)控對(duì)氮素?fù)p失的控制效果。因此,上述結(jié)論也解釋了為何dCO2/dt與氨氣揮發(fā)之間存在明顯的相關(guān)性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：X703;S141.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
        1.1.1 污泥的產(chǎn)生及其危害
        1.1.2 污泥的處理處置現(xiàn)狀
        1.1.3 污泥堆肥技術(shù)發(fā)展及存在的問題
        1.1.4 課題研究目的和意義
    1.2 堆肥過程中的氮素?fù)p失
        1.2.1 氮素不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化
        1.2.2 氮素?fù)p失的影響因素
        1.2.3 氮素?fù)p失的控制方法
    1.3 堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)生物降解特征
        1.3.1 有機(jī)質(zhì)不同組分的轉(zhuǎn)化
        1.3.2 有機(jī)質(zhì)的生物降解對(duì)氮素?fù)p失的影響
    1.4 堆肥過程中的微生物特性研究
        1.4.1 堆肥微生物數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化
        1.4.2 基于非培養(yǎng)技術(shù)的堆肥微生物多樣性研究
        1.4.3 氮素轉(zhuǎn)化微生物的研究
    1.5 本課題的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 試驗(yàn)材料與方法
    2.1 堆肥原料及其理化特性
    2.2 堆肥試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件
    2.3 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法
        2.3.1 常規(guī)分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法
        2.3.2 非常規(guī)分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法
第3章 基于氮素?fù)p失控制的碳源投加條件優(yōu)選
    3.1 引言
    3.2 碳源類型對(duì)堆肥過程氮素轉(zhuǎn)化及損失的影響
        3.2.1 碳源類型對(duì)堆肥過程中常規(guī)理化特性的影響
        3.2.2 碳源類型對(duì)堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響
    3.3 碳源配比對(duì)堆肥過程氮素轉(zhuǎn)化及損失的影響
        3.3.1 碳源配比對(duì)堆肥過程中常規(guī)理化特性的影響
        3.3.2 碳源配比對(duì)堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響
    3.4 碳源投加時(shí)間對(duì)堆肥過程氮素轉(zhuǎn)化及損失的影響
        3.4.1 碳源投加時(shí)間對(duì)堆肥過程中常規(guī)理化特性的影響
        3.4.2 碳源投加時(shí)間對(duì)堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響
    3.5 本章小結(jié)
第4章 碳源調(diào)控對(duì)堆肥過程有機(jī)質(zhì)生物降解的影響
    4.1 引言
    4.2 堆肥過程有機(jī)質(zhì)不同溶解性組分的轉(zhuǎn)化
        4.2.1 溶解性組分的變化
        4.2.2 半纖維素類組分的變化
        4.2.3 纖維素類組分的變化
        4.2.4 木質(zhì)素類組分的變化
        4.2.5 TOC在不同組分中分布情況
    4.3 有機(jī)質(zhì)的生物有效性對(duì)氮素?fù)p失的影響
        4.3.1 溶解性有機(jī)碳（DOC）含量的變化
        4.3.2 耗氧速率（DRI）的變化
2/dt）的變化'>        4.3.3 二氧化碳釋放速率（dCO₂/dt）的變化
    4.4 堆肥過程水溶性有機(jī)質(zhì)的光譜學(xué)特征分析
        4.4.1 水溶性有機(jī)質(zhì)的紅外光譜特征
        4.4.2 水溶性有機(jī)質(zhì)的三維熒光光譜特征
        4.4.3 水溶性有機(jī)質(zhì)的紫外光譜特征
    4.5 本章小結(jié)
第5章 碳源調(diào)控對(duì)微生物的影響及作用機(jī)制研究
    5.1 引言
    5.2 碳源調(diào)控對(duì)常規(guī)微生物數(shù)量的影響
        5.2.1 細(xì)菌數(shù)量的變化
        5.2.2 放線菌數(shù)量的變化
        5.2.3 真菌數(shù)量的變化
    5.3 碳源調(diào)控對(duì)氮代謝微生物數(shù)量的影響
        5.3.1 氨化細(xì)菌數(shù)量的變化
        5.3.2 硝化細(xì)菌數(shù)量的變化
        5.3.3 氨同化細(xì)菌數(shù)量的變化
    5.4 碳源調(diào)控對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)的影響
        5.4.1 基因組DNA提取
        5.4.2 PCR反應(yīng)擴(kuò)增
        5.4.3 DGGE分析
        5.4.4 堆肥細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育分析
    5.5 堆肥過程中碳源調(diào)控的作用機(jī)制探討
        5.5.1 二氧化碳與氨氣揮發(fā)之間的響應(yīng)關(guān)系
        5.5.2 微生物氨同化作用對(duì)氮素?fù)p失控制的影響
        5.5.3 碳源調(diào)控技術(shù)在實(shí)際堆肥中的應(yīng)用價(jià)值
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2843742