蚯蚓说：处理城镇造粒污泥 让我来

北极星环保网讯:所谓的污泥处理是对污泥进行浓缩、调质、脱水、稳定、干化或焚烧等减量化、稳定化、无害化的加工过程。而活性污泥是一种由无机颗粒、有机残体、微生物群体和胶体组成的极其复杂的非均质体, 其中,  有机成分主要是由栖息在活性污泥上的微生物群体及被吸附的有机物组成....

1 引言

活性污泥是一种由无机颗粒、有机残体、微生物群体和胶体组成的极其复杂的非均质体, 其中,  有机成分主要是由栖息在活性污泥上的微生物群体及被吸附的有机物组成, 微生物则主要由细菌、真菌、原生动物和后生动物构成.活性污泥中微生物以异养好氧为主,  增殖速率高, 具有较强的分解转化有机物的能力.但污泥脱水后微生物生存环境急剧改变, 好氧环境发生变化, 外源营养物质中断, 其原有的稳定体系也开始瓦解重构,  体现为脱水污泥稳定性差, 极易腐败发臭.若要延续脱水污泥中好氧微生物活性, 就必须保持脱水后污泥环境的相对稳定, pH就是其中重要的指标之一.

蚯蚓堆肥被认为是环境友好、可持续且经济的有机质处理方式.蚯蚓堆肥是蚯蚓与微生物共同作用的过程, 但微生物是有机质降解的主力.研究表明,  有蚯蚓参与的堆肥过程, pH变幅较小, 蚯蚓参与污泥处理过程会显著影响污泥理化性质,  对加快污泥降解速度具有促进作用.城镇脱水污泥中的有机质构成以生物有机体为主,  其降解过程是以生物有机碳、氮向无机碳、氮转化为主的过程.有机碳降解产生的弱酸会改变污泥pH,  有机氮氨化、氨氧化及反硝化过程也会引起pH变化.微生物对环境pH较为敏感, 因此, 相对稳定的pH值有利于微生物作用的高效发挥.

污泥pH值的稳定程度由基质的pH缓冲性能决定, 由单位pH变化需要的酸碱决定.酸缓冲容量(Acid Buffering Capacity,  ABC)和碱缓冲容量(Alkaline Buffering Capacity,  ALBC)被分别用来描述基质对酸和碱的缓冲能力.由于酸碱缓冲容量是控制pH变化的重要因素, 因此, 研究蚯蚓在处理造粒污泥过程中对酸碱缓冲容量的影响,  对于理解蚯蚓处理为何能平抑污泥pH变化, 稳定污泥酸碱环境, 加快城镇污泥有机质降解速率具有非常重要的意义.因此, 本文通过将含水率80%的城镇污泥制成粒径5  mm的颗粒污泥, 以添加蚯蚓(Eisenia foetida)为处理组, 无蚯蚓为对照组,  研究蚯蚓处理对城镇污泥酸缓冲容量(ABC)、碱缓冲容量(ALBC)、pH及pH缓冲容量(pHBC)的影响.

2 材料与方法

2.1 实验材料

供试蚯蚓赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)由实验室培养驯化, 平均体重1 g.试验用污泥取自兰州市安宁七里河污水处理厂的脱水车间,  在实验室制成粒径约为5 mm的颗粒后备用.供试污泥pH为6.77±0.01, 电导率(EC)为(573.00±8.49)μS˙cm-1,  有机质(OM)为71.2%±7.7%, 氨氮(NH4+-N)为(7.36±0.08)μg˙g-1,  硝氮(NO3--N)为(10.26±2.03)μg˙g-1.

实验设2个处理, 每个处理3个重复, 共6个反应器, 尺寸为Φ36 cm×12 cm, 每个反应器中加入4  kg污泥.3个处理组反应器中各放100条蚯蚓, 另外3个反应器不添加蚯蚓作为对照组, 反应器遮光保湿, 每天人工翻动1次,  环境温度控制在(25±1)℃.每隔10 d取一次样, 实验共进行60 d.风干样品研磨充分、混匀并过100目筛后备用.实验结束时成蚓数量未发生变化,  体重平均增加0.2~0.3 g.

2.2 测定方法

pH、EC按照水土比50∶1(mL˙g-1)溶解, 磁力搅拌0.5 h, 于4000 r˙min-1条件下离心10 min,  取上清液用PHS-3C型pH酸度计(雷磁, 上海)和DDS-307型电导仪(雷磁, 上海)测定;有机质采用灼烧法(550℃, 5  h)测定;氨氮采用氯化钾溶液提取-分光光度法(HJ 634—2012)测定;硝氮采用酚二磺酸比色法测定;总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(CJ/T  221—2005)测定;酸、碱缓冲容量分别由H2SO4(5.04 mmol˙L-1)和NaOH(14.4  mmol˙L-1)滴定至指定pH终点(pH=4或pH=8), 由pH酸度计指示滴定终点.

2.3 数据处理

分析平台为SPSS 19.0, 通过单因素方差分析(ANOVA)对同一指标不同处理组进行显著差异性分析(HSD), 处理组间差异显著性定义为p  < 0.05;采用相关矩阵分别分析蚯蚓处理组与对照组各指标之间的相关性.

3 结果与讨论

缓冲容量(Buffer Capacity)β是指基质抑制强酸或强碱加入引起的pH变化的能力.一般将缓冲容量定义为基质每改变一个单位pH值时,  所需一定浓度的强碱(OH-)的量cB或强酸(H+)的量cA：

ABC是指基质抑制酸化的能力, 可以用降低到特定pH值所需要酸的量来描述, ALBC与ABC的定义类似, 是指基质抑制加入其中碱的能力,  用升高到特定pH值所需要的碱的量来描述.结合蚯蚓处理过程所处pH范围, 确定滴定pH范围为4~8.pH缓冲容量(pH Buffering Capacity,  pHBC)由酸、碱缓冲容量共同决定, 表示指定pH范围内单位质量的基质其pH增加或降低一个单位所需碱或酸的量.

3.1 蚯蚓对pH和pH缓冲容量的影响

由图 1a可知, 蚯蚓处理组和对照组pH在第30 d开始出现显著差异(p < 0.05).对照组pH呈先降低后升高的趋势,  处理组pH呈波动上升趋势.对照组pH的下降和上升主要受基质代谢产酸和后期氨化过程的影响,  而蚯蚓处理组pH呈波动上升可能主要受基质代谢产酸、氨化强度、硝化强度和反硝化强度4方面因素控制.蚯蚓处理提高了氨化和硝化过程的效率并且强化了反硝化过程,  而这3个过程又是与弱碱、弱酸相关的过程.污泥中有机碳和有机氮的代谢是影响污泥中酸碱缓冲容量的主要因素,  蚯蚓通过影响含氮有机质氮素的转化来影响基质pH值变化.同时, pH变化也受pHBC影响, pHBC越大, 基质产生同样量酸碱情况下pH波动越小.

图 1 pH(a)和pHBC(b)随时间的变化(*表示不同处理之间存在显著差异, p < 0.05)

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.