1 引言

活性污泥是一種由無機顆粒、有機殘體、微生物群體和膠體組成的極其復雜的非均質體, 其中, 有機成分主要是由棲息在活性污泥上的微生物群體及被吸附的有機物組成, 微生物則主要由細菌、真菌、原生動物和后生動物構成.活性污泥中微生物以異養好氧為主, 增殖速率高, 具有較強的分解轉化有機物的能力.但污泥脫水后微生物生存環境急劇改變, 好氧環境發生變化, 外源營養物質中斷, 其原有的穩定體系也開始瓦解重構, 體現為脫水污泥穩定性差, 極易腐敗發臭.若要延續脫水污泥中好氧微生物活性, 就必須保持脫水后污泥環境的相對穩定, pH就是其中重要的指標之一.

蚯蚓堆肥被認為是環境友好、可持續且經濟的有機質處理方式.蚯蚓堆肥是蚯蚓與微生物共同作用的過程, 但微生物是有機質降解的主力.研究表明, 有蚯蚓參與的堆肥過程, pH變幅較小, 蚯蚓參與污泥處理過程會顯著影響污泥理化性質, 對加快污泥降解速度具有促進作用.城鎮脫水污泥中的有機質構成以生物有機體為主, 其降解過程是以生物有機碳、氮向無機碳、氮轉化為主的過程.有機碳降解產生的弱酸會改變污泥pH, 有機氮氨化、氨氧化及反硝化過程也會引起pH變化.微生物對環境pH較為敏感, 因此, 相對穩定的pH值有利于微生物作用的高效發揮.

污泥pH值的穩定程度由基質的pH緩沖性能決定, 由單位pH變化需要的酸堿決定.酸緩沖容量(Acid Buffering Capacity, ABC)和堿緩沖容量(Alkaline Buffering Capacity, ALBC)被分別用來描述基質對酸和堿的緩沖能力.由于酸堿緩沖容量是控制pH變化的重要因素, 因此, 研究蚯蚓在處理造粒污泥過程中對酸堿緩沖容量的影響, 對于理解蚯蚓處理為何能平抑污泥pH變化, 穩定污泥酸堿環境, 加快城鎮污泥有機質降解速率具有非常重要的意義.因此, 本文通過將含水率80%的城鎮污泥制成粒徑5 mm的顆粒污泥, 以添加蚯蚓(Eisenia foetida)為處理組, 無蚯蚓為對照組, 研究蚯蚓處理對城鎮污泥酸緩沖容量(ABC)、堿緩沖容量(ALBC)、pH及pH緩沖容量(pHBC)的影響.

2 材料與方法

2.1 實驗材料

供試蚯蚓赤子愛勝蚓(Eisenia foetida)由實驗室培養馴化, 平均體重1 g.試驗用污泥取自蘭州市安寧七里河污水處理廠的脫水車間, 在實驗室制成粒徑約為5 mm的顆粒后備用.供試污泥pH為6.77±0.01, 電導率(EC)為(573.00±8.49)μS·cm-1, 有機質(OM)為71.2%±7.7%, 氨氮(NH4+-N)為(7.36±0.08)μg·g-1, 硝氮(NO3--N)為(10.26±2.03)μg·g-1.

實驗設2個處理, 每個處理3個重復, 共6個反應器, 尺寸為Φ36 cm×12 cm, 每個反應器中加入4 kg污泥.3個處理組反應器中各放100條蚯蚓, 另外3個反應器不添加蚯蚓作為對照組, 反應器遮光保濕, 每天人工翻動1次, 環境溫度控制在(25±1)℃.每隔10 d取一次樣, 實驗共進行60 d.風干樣品研磨充分、混勻并過100目篩后備用.實驗結束時成蚓數量未發生變化, 體重平均增加0.2~0.3 g.

2.2 測定方法

pH、EC按照水土比50∶1(mL·g-1)溶解, 磁力攪拌0.5 h, 于4000 r·min-1條件下離心10 min, 取上清液用PHS-3C型pH酸度計(雷磁, 上海)和DDS-307型電導儀(雷磁, 上海)測定;有機質采用灼燒法(550℃, 5 h)測定;氨氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法(HJ 634—2012)測定;硝氮采用酚二磺酸比色法測定;總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法(CJ/T 221—2005)測定;酸、堿緩沖容量分別由H2SO4(5.04 mmol·L-1)和NaOH(14.4 mmol·L-1)滴定至指定pH終點(pH=4或pH=8), 由pH酸度計指示滴定終點.

2.3 數據處理

分析平臺為SPSS 19.0, 通過單因素方差分析(ANOVA)對同一指標不同處理組進行顯著差異性分析(HSD), 處理組間差異顯著性定義為p < 0.05;采用相關矩陣分別分析蚯蚓處理組與對照組各指標之間的相關性.

3 結果與討論

緩沖容量(Buffer Capacity)β是指基質抑制強酸或強堿加入引起的pH變化的能力.一般將緩沖容量定義為基質每改變一個單位pH值時, 所需一定濃度的強堿(OH-)的量cB或強酸(H+)的量cA：

ABC是指基質抑制酸化的能力, 可以用降低到特定pH值所需要酸的量來描述, ALBC與ABC的定義類似, 是指基質抑制加入其中堿的能力, 用升高到特定pH值所需要的堿的量來描述.結合蚯蚓處理過程所處pH范圍, 確定滴定pH范圍為4~8.pH緩沖容量(pH Buffering Capacity, pHBC)由酸、堿緩沖容量共同決定, 表示指定pH范圍內單位質量的基質其pH增加或降低一個單位所需堿或酸的量.

3.1 蚯蚓對pH和pH緩沖容量的影響

由圖 1a可知, 蚯蚓處理組和對照組pH在第30 d開始出現顯著差異(p < 0.05).對照組pH呈先降低后升高的趨勢, 處理組pH呈波動上升趨勢.對照組pH的下降和上升主要受基質代謝產酸和后期氨化過程的影響, 而蚯蚓處理組pH呈波動上升可能主要受基質代謝產酸、氨化強度、硝化強度和反硝化強度4方面因素控制.蚯蚓處理提高了氨化和硝化過程的效率并且強化了反硝化過程, 而這3個過程又是與弱堿、弱酸相關的過程.污泥中有機碳和有機氮的代謝是影響污泥中酸堿緩沖容量的主要因素, 蚯蚓通過影響含氮有機質氮素的轉化來影響基質pH值變化.同時, pH變化也受pHBC影響, pHBC越大, 基質產生同樣量酸堿情況下pH波動越小.


由圖 1b可知, 蚯蚓處理組和對照組的pHBC整體呈先降后升的趨勢.以40 d為區分點, 前40 d略微下降, 40 d后呈上升趨勢.0~20 d蚯蚓處理組和對照組pHBC呈下降趨勢, 蚯蚓處理組略高于對照組, 接種蚯蚓對基質pHBC影響較小.20~40 d, 蚯蚓處理組pHBC呈略微上升趨勢, 對照組pHBC仍呈下降趨勢, 同期蚯蚓處理組氨化過程產堿大幅高于對照組應是pHBC出現趨勢差異的原因.40~60 d, 蚯蚓處理組和對照組pHBC均呈劇烈增加趨勢, 這是由于同期氨化作用、硝化作用的劇烈進行, 同時基質代謝產酸仍在進行, 相當于在基質中同時加入弱酸和弱堿, 提高了基質的pHBC;同期蚯蚓處理組pHBC(14.57 mmol·kg-1)增幅高于對照組(11.18 mmol·kg-1), 這可能是由于蚯蚓通過影響氨化及氨氧化微生物促進了氨化和硝化作用的進行, 以及蚓糞含有的反硝化功能菌劇烈進行反硝化共同造成的.

3.2 蚯蚓對酸緩沖容量(ABC)和堿緩沖容量(ALBC)的影響

基質的pHBC在線性范圍內能較好地表示其酸堿緩沖性能, 但對于酸堿緩沖能力并不完全一致的基質, 其描述精準度會相對降低, 需要分段擬合.本文中酸、堿緩沖容量因擁有較大的不同變化, 因此, 將以pHBC作為參考, 分別描述其ABC和ALBC來準確表征基質對酸和堿的緩沖能力.

由圖 2可知, 在0~20 d內, 蚯蚓處理組與對照組ABC、ALBC、NH4+-N、NO3--N的變化趨勢一致, 變化幅度無顯著差異(p>0.05), 這表明在前20 d蚯蚓對基質酸堿緩沖性能和基質有機氮的礦化過程影響較小, 主要由其中微生物代謝產酸導致在前20 d內ABC的下降和同期ALBC的上升.20~40 d, 蚯蚓處理組NH4+-N顯著高于對照組(p < 0.05), 特別是40 d時二者NH4+-N的累積量差距達到最大(3.85倍), 同期NO3--N很低且無顯著差異(p>0.05).在此期間蚯蚓處理組氨化速度大幅高于對照組(圖 2c), 且硝化進程尚未大幅進行(圖 2d), 表明20~40 d內, 蚯蚓劇烈地促進了氨化微生物環境及氨化進程, 氨化過程產生的弱堿NH3中和了部分同期體系內產生的弱酸, 同時蚯蚓食道內分布的鈣腺也可以分泌過剩的碳酸鹽中和弱酸.因此, 在圖 2a中可以發現, 同期蚯蚓處理組ABC顯著高于對照組(p < 0.05), 且下降速率較慢并在40 d時差距達到22.4%.以上過程中蚯蚓處理組和對照組中ABC呈下降趨勢, 蚯蚓的加入強化了氨化進程產NH3, 中和了一部分基質產生的弱酸, 減緩了基質ABC的下降, 但基質酸堿緩沖容量仍主要由有基質中有機碳代謝產生弱酸控制.


40~50 d, 處理組和對照組NH4+-N(圖 2c)呈增加趨勢, pH(圖 1a)呈略微上升趨勢, 表明此時氨化速率仍大于氨氧化速率, 弱堿的增加仍高于酸的增加.50 d蚯蚓處理組出現反硝化功能菌Flavobacteriales bacterium, 而對照組中未出現, 蚯蚓處理組反硝化作用強于對照組.因此, 氨化過程產堿和反硝化消耗H+兩方面原因共同造成蚯蚓處理組ALBC在40~50 d大幅上升(占總升幅的43.14%).50~60 d, 處理組氨化速率小于氨氧化速率導致NH4+-N經歷峰值開始下降, 而對照組仍呈上升趨勢, 同期硝化過程劇烈進行(NO3--N占總累計量69.92%), 處理組pH略微下降, 表明蚯蚓處理組中氨化作用和反硝化作用產堿小于硝化產酸與有機碳分解產生弱酸之和, 這4方面原因共同導致了同期蚯蚓處理組ABC增量小于對照組(圖 2a).雖然50~60 d蚯蚓處理組反硝化仍在繼續, 但由于硝化過程非常劇烈, 導致期間ALBC增加幅度小于40~50 d時.50~60 d對照組NH4+-N(圖 2c)仍呈上升趨勢, 表明對照組氨化速率仍大于氨氧化速率, DGGE圖譜分析中對照組缺少反硝化條帶表明反硝化強度弱, 這可能與對照組反硝化菌數量少有關.該時期內對照組氨化過程產堿仍強于硝化過程產酸和有機碳代謝產酸量之和, 因此, ALBC和ABC的累積仍延續40~50 d時的趨勢, pH仍呈上升趨勢.處理組氨化、硝化作用及反硝化作用使得酸、堿緩沖容量不再由基質中有機碳代謝產生弱酸控制, 轉而由基質中有機氮的礦化控制, ABC由下降改為上升趨勢就是最好的證明.弱酸、弱堿的量大幅增加, 造成ABC、ALBC和pHBC大幅升高;蚯蚓處理組強化了氨化、硝化和反硝化作用, 加之蚯蚓鈣腺對基質酸堿的調節作用, 使得ABC、ALBC和pHBC高于對照組.

實驗結束時, 處理組ABC、ALBC和pHBC分別高于對照組5.24%、22.37%和13.01%, EC高于對照組32.24%, 有機質含量低于對照組1.93%, 表明蚯蚓處理組穩定性及礦化水平相對較高, 這可能在一定程度上歸功于環境pH穩定帶給微生物高效反應.

3.3 NH4+-N、NO3--N、ALBC、ABC、pHBC的相關關系

由表 1可知, 蚯蚓處理組和對照組中ALBC與NH4+-N、NO3--N均呈顯著正相關(p < 0.01), 相關系數大于0.8;ABC與NO3--N呈顯著正相關(p < 0.01), 但與NH4+-N之間相關性未達顯著水平;pHBC與NH4+-N、NO3--N均呈顯著正相關(p < 0.01), 且相關系數高于對照組.造粒污泥的酸堿環境與有機氮的礦化過程密切相關, 蚯蚓通過影響污泥中有機氮氨化、硝化, 增加造粒污泥pHBC, 減小pH變化幅度。

4 結論

污泥中有機碳礦化、有機氮氨化、硝化及反硝化等過程的進行伴隨大量弱酸、弱堿的產生和消耗, 對污泥酸堿環境有劇烈影響.蚯蚓促使污泥提前氨化, 提高硝化強度, 促進基質中弱酸、弱堿的產生, 進而提高酸堿緩沖容量.蚯蚓處理組pH波動幅度小于對照組, ABC、ALBC和pHBC在全處理過程中高于對照組, 其較為穩定的pH值和較高的酸堿緩沖容量是相匹配的, 接種蚯蚓能夠顯著提高污泥微環境酸堿穩定性, 利于微生物活性高效發揮.