利用蚯蚓处理城镇造粒污泥

由图 1b可知, 蚯蚓处理组和对照组的pHBC整体呈先降后升的趋势.以40 d为区分点, 前40 d略微下降, 40 d后呈上升趋势.0~20  d蚯蚓处理组和对照组pHBC呈下降趋势, 蚯蚓处理组略高于对照组, 接种蚯蚓对基质pHBC影响较小.20~40 d, 蚯蚓处理组pHBC呈略微上升趋势,  对照组pHBC仍呈下降趋势, 同期蚯蚓处理组氨化过程产碱大幅高于对照组应是pHBC出现趋势差异的原因.40~60 d,  蚯蚓处理组和对照组pHBC均呈剧烈增加趋势, 这是由于同期氨化作用、硝化作用的剧烈进行, 同时基质代谢产酸仍在进行, 相当于在基质中同时加入弱酸和弱碱,  提高了基质的pHBC;同期蚯蚓处理组pHBC(14.57 mmol˙kg-1)增幅高于对照组(11.18 mmol˙kg-1),  这可能是由于蚯蚓通过影响氨化及氨氧化微生物促进了氨化和硝化作用的进行, 以及蚓粪含有的反硝化功能菌剧烈进行反硝化共同造成的.

3.2 蚯蚓对酸缓冲容量(ABC)和碱缓冲容量(ALBC)的影响

基质的pHBC在线性范围内能较好地表示其酸碱缓冲性能, 但对于酸碱缓冲能力并不完全一致的基质, 其描述精准度会相对降低,  需要分段拟合.本文中酸、碱缓冲容量因拥有较大的不同变化, 因此, 将以pHBC作为参考, 分别描述其ABC和ALBC来准确表征基质对酸和碱的缓冲能力.

由图 2可知, 在0~20 d内, 蚯蚓处理组与对照组ABC、ALBC、NH4+-N、NO3--N的变化趋势一致,  变化幅度无显著差异(p>0.05), 这表明在前20 d蚯蚓对基质酸碱缓冲性能和基质有机氮的矿化过程影响较小, 主要由其中微生物代谢产酸导致在前20  d内ABC的下降和同期ALBC的上升.20~40 d, 蚯蚓处理组NH4+-N显著高于对照组(p < 0.05), 特别是40  d时二者NH4+-N的累积量差距达到最大(3.85倍), 同期NO3--N很低且无显著差异(p>0.05).在此期间蚯蚓处理组氨化速度大幅高于对照组(图  2c), 且硝化进程尚未大幅进行(图 2d), 表明20~40 d内, 蚯蚓剧烈地促进了氨化微生物环境及氨化进程,  氨化过程产生的弱碱NH3中和了部分同期体系内产生的弱酸, 同时蚯蚓食道内分布的钙腺也可以分泌过剩的碳酸盐中和弱酸.因此, 在图 2a中可以发现,  同期蚯蚓处理组ABC显著高于对照组(p < 0.05), 且下降速率较慢并在40 d时差距达到22.4%.以上过程中蚯蚓处理组和对照组中ABC呈下降趋势,  蚯蚓的加入强化了氨化进程产NH3, 中和了一部分基质产生的弱酸, 减缓了基质ABC的下降, 但基质酸碱缓冲容量仍主要由有基质中有机碳代谢产生弱酸控制.

图 2 ABC(a)、ALBC(b)、NH4+-N(c)和NO3--N(d)随时间的变化(*表示不同处理之间存在显著差异, p <  0.05)

40~50 d, 处理组和对照组NH4+-N(图 2c)呈增加趋势, pH(图 1a)呈略微上升趋势, 表明此时氨化速率仍大于氨氧化速率,  弱碱的增加仍高于酸的增加.50 d蚯蚓处理组出现反硝化功能菌Flavobacteriales bacterium, 而对照组中未出现,  蚯蚓处理组反硝化作用强于对照组.因此, 氨化过程产碱和反硝化消耗H+两方面原因共同造成蚯蚓处理组ALBC在40~50  d大幅上升(占总升幅的43.14%).50~60 d, 处理组氨化速率小于氨氧化速率导致NH4+-N经历峰值开始下降, 而对照组仍呈上升趋势,  同期硝化过程剧烈进行(NO3--N占总累计量69.92%), 处理组pH略微下降,  表明蚯蚓处理组中氨化作用和反硝化作用产碱小于硝化产酸与有机碳分解产生弱酸之和, 这4方面原因共同导致了同期蚯蚓处理组ABC增量小于对照组(图  2a).虽然50~60 d蚯蚓处理组反硝化仍在继续, 但由于硝化过程非常剧烈, 导致期间ALBC增加幅度小于40~50 d时.50~60  d对照组NH4+-N(图 2c)仍呈上升趋势, 表明对照组氨化速率仍大于氨氧化速率, DGGE图谱分析中对照组缺少反硝化条带表明反硝化强度弱,  这可能与对照组反硝化菌数量少有关.该时期内对照组氨化过程产碱仍强于硝化过程产酸和有机碳代谢产酸量之和, 因此, ALBC和ABC的累积仍延续40~50  d时的趋势, pH仍呈上升趋势.处理组氨化、硝化作用及反硝化作用使得酸、碱缓冲容量不再由基质中有机碳代谢产生弱酸控制, 转而由基质中有机氮的矿化控制,  ABC由下降改为上升趋势就是最好的证明.弱酸、弱碱的量大幅增加, 造成ABC、ALBC和pHBC大幅升高;蚯蚓处理组强化了氨化、硝化和反硝化作用,  加之蚯蚓钙腺对基质酸碱的调节作用, 使得ABC、ALBC和pHBC高于对照组.

实验结束时, 处理组ABC、ALBC和pHBC分别高于对照组5.24%、22.37%和13.01%, EC高于对照组32.24%,  有机质含量低于对照组1.93%, 表明蚯蚓处理组稳定性及矿化水平相对较高, 这可能在一定程度上归功于环境pH稳定带给微生物高效反应.

3.3 NH4+-N、NO3--N、ALBC、ABC、pHBC的相关关系

由表 1可知, 蚯蚓处理组和对照组中ALBC与NH4+-N、NO3--N均呈显著正相关(p < 0.01),  相关系数大于0.8;ABC与NO3--N呈显著正相关(p < 0.01),  但与NH4+-N之间相关性未达显著水平;pHBC与NH4+-N、NO3--N均呈显著正相关(p < 0.01),  且相关系数高于对照组.造粒污泥的酸碱环境与有机氮的矿化过程密切相关, 蚯蚓通过影响污泥中有机氮氨化、硝化, 增加造粒污泥pHBC,  减小pH变化幅度.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

表 1 对照组和蚯蚓处理组NH4+-N、NO3--N、ALBC、ABC、pHBC相关矩阵

4 结论

污泥中有机碳矿化、有机氮氨化、硝化及反硝化等过程的进行伴随大量弱酸、弱碱的产生和消耗, 对污泥酸碱环境有剧烈影响.蚯蚓促使污泥提前氨化, 提高硝化强度,  促进基质中弱酸、弱碱的产生, 进而提高酸碱缓冲容量.蚯蚓处理组pH波动幅度小于对照组, ABC、ALBC和pHBC在全处理过程中高于对照组,  其较为稳定的pH值和较高的酸碱缓冲容量是相匹配的, 接种蚯蚓能够显著提高污泥微环境酸碱稳定性, 利于微生物活性高效发挥.

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