1 引言

　　活性污泥是一種由無(wú)機(jī)顆粒、有機(jī)殘?bào)w、微生物群體和膠體組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體, 其中, 有機(jī)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(jī)物組成, 微生物則主要由細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物構(gòu)成.活性污泥中微生物以異養(yǎng)好氧為主, 增殖速率高, 具有較強(qiáng)的分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物的能力.但污泥脫水后微生物生存環(huán)境急劇改變, 好氧環(huán)境發(fā)生變化, 外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中斷, 其原有的穩(wěn)定體系也開(kāi)始瓦解重構(gòu), 體現(xiàn)為脫水污泥穩(wěn)定性差, 極易腐敗發(fā)臭.若要延續(xù)脫水污泥中好氧微生物活性, 就必須保持脫水后污泥環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定, pH就是其中重要的指標(biāo)之一.

　　蚯蚓堆肥被認(rèn)為是環(huán)境友好、可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)的有機(jī)質(zhì)處理方式.蚯蚓堆肥是蚯蚓與微生物共同作用的過(guò)程, 但微生物是有機(jī)質(zhì)降解的主力.研究表明, 有蚯蚓參與的堆肥過(guò)程, pH變幅較小, 蚯蚓參與污泥處理過(guò)程會(huì)顯著影響污泥理化性質(zhì), 對(duì)加快污泥降解速度具有促進(jìn)作用.城鎮(zhèn)脫水污泥中的有機(jī)質(zhì)構(gòu)成以生物有機(jī)體為主, 其降解過(guò)程是以生物有機(jī)碳、氮向無(wú)機(jī)碳、氮轉(zhuǎn)化為主的過(guò)程.有機(jī)碳降解產(chǎn)生的弱酸會(huì)改變污泥pH, 有機(jī)氮氨化、氨氧化及反硝化過(guò)程也會(huì)引起pH變化.微生物對(duì)環(huán)境pH較為敏感, 因此, 相對(duì)穩(wěn)定的pH值有利于微生物作用的高效發(fā)揮.

　　污泥pH值的穩(wěn)定程度由基質(zhì)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(lái)描述基質(zhì)對(duì)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(guò)程中對(duì)酸堿緩沖容量的影響, 對(duì)于理解蚯蚓處理為何能平抑污泥pH變化, 穩(wěn)定污泥酸堿環(huán)境, 加快城鎮(zhèn)污泥有機(jī)質(zhì)降解速率具有非常重要的意義.因此, 本文通過(guò)將含水率80%的城鎮(zhèn)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(wú)蚯蚓為對(duì)照組, 研究蚯蚓處理對(duì)城鎮(zhèn)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(shí)驗(yàn)材料

　　供試蚯蚓赤子愛(ài)勝蚓(Eisenia foetida)由實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)馴化, 平均體重1 g.試驗(yàn)用污泥取自蘭州市安寧七里河污水處理廠的脫水車(chē)間, 在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)率(EC)為(573.00±8.49)μS·cm-1, 有機(jī)質(zhì)(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(shí)驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理, 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 共6個(gè)反應(yīng)器, 尺寸為Φ36 cm×12 cm, 每個(gè)反應(yīng)器中加入4 kg污泥.3個(gè)處理組反應(yīng)器中各放100條蚯蚓, 另外3個(gè)反應(yīng)器不添加蚯蚓作為對(duì)照組, 反應(yīng)器遮光保濕, 每天人工翻動(dòng)1次, 環(huán)境溫度控制在(25±1)℃.每隔10 d取一次樣, 實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行60 d.風(fēng)干樣品研磨充分、混勻并過(guò)100目篩后備用.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)成蚓數(shù)量未發(fā)生變化, 體重平均增加0.2~0.3 g.

　　2.2 測(cè)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(jì)(雷磁, 上海)和DDS-307型電導(dǎo)儀(雷磁, 上海)測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用灼燒法(550℃, 5 h)測(cè)定;氨氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法(HJ 634—2012)測(cè)定;硝氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定;總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法(CJ/T 221—2005)測(cè)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(diǎn)(pH=4或pH=8), 由pH酸度計(jì)指示滴定終點(diǎn).

　　2.3 數(shù)據(jù)處理

　　分析平臺(tái)為SPSS 19.0, 通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)對(duì)同一指標(biāo)不同處理組進(jìn)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(guān)矩陣分別分析蚯蚓處理組與對(duì)照組各指標(biāo)之間的相關(guān)性.

　　3 結(jié)果與討論

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

　　ABC是指基質(zhì)抑制酸化的能力, 可以用降低到特定pH值所需要酸的量來(lái)描述, ALBC與ABC的定義類似, 是指基質(zhì)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(lái)描述.結(jié)合蚯蚓處理過(guò)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(nèi)單位質(zhì)量的基質(zhì)其pH增加或降低一個(gè)單位所需堿或酸的量.

　　3.1 蚯蚓對(duì)pH和pH緩沖容量的影響

　　由圖 1a可知, 蚯蚓處理組和對(duì)照組pH在第30 d開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異(p < 0.05).對(duì)照組pH呈先降低后升高的趨勢(shì), 處理組pH呈波動(dòng)上升趨勢(shì).對(duì)照組pH的下降和上升主要受基質(zhì)代謝產(chǎn)酸和后期氨化過(guò)程的影響, 而蚯蚓處理組pH呈波動(dòng)上升可能主要受基質(zhì)代謝產(chǎn)酸、氨化強(qiáng)度、硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度4方面因素控制.蚯蚓處理提高了氨化和硝化過(guò)程的效率并且強(qiáng)化了反硝化過(guò)程, 而這3個(gè)過(guò)程又是與弱堿、弱酸相關(guān)的過(guò)程.污泥中有機(jī)碳和有機(jī)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(guò)影響含氮有機(jī)質(zhì)氮素的轉(zhuǎn)化來(lái)影響基質(zhì)pH值變化.同時(shí), pH變化也受pHBC影響, pHBC越大, 基質(zhì)產(chǎn)生同樣量酸堿情況下pH波動(dòng)越小.

　　圖 1 pH(a)和pHBC(b)隨時(shí)間的變化(*表示不同處理之間存在顯著差異, p < 0.05)

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

　　3.2 蚯蚓對(duì)酸緩沖容量(ABC)和堿緩沖容量(ALBC)的影響

　　基質(zhì)的pHBC在線性范圍內(nèi)能較好地表示其酸堿緩沖性能, 但對(duì)于酸堿緩沖能力并不完全一致的基質(zhì), 其描述精準(zhǔn)度會(huì)相對(duì)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(lái)準(zhǔn)確表征基質(zhì)對(duì)酸和堿的緩沖能力.

　　由圖 2可知, 在0~20 d內(nèi), 蚯蚓處理組與對(duì)照組ABC、ALBC、NH4+-N、NO3--N的變化趨勢(shì)一致, 變化幅度無(wú)顯著差異(p>0.05), 這表明在前20 d蚯蚓對(duì)基質(zhì)酸堿緩沖性能和基質(zhì)有機(jī)氮的礦化過(guò)程影響較小, 主要由其中微生物代謝產(chǎn)酸導(dǎo)致在前20 d內(nèi)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(duì)照組(p < 0.05), 特別是40 d時(shí)二者NH4+-N的累積量差距達(dá)到最大(3.85倍), 同期NO3--N很低且無(wú)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(duì)照組(圖 2c), 且硝化進(jìn)程尚未大幅進(jìn)行(圖 2d), 表明20~40 d內(nèi), 蚯蚓劇烈地促進(jìn)了氨化微生物環(huán)境及氨化進(jìn)程, 氨化過(guò)程產(chǎn)生的弱堿NH3中和了部分同期體系內(nèi)產(chǎn)生的弱酸, 同時(shí)蚯蚓食道內(nèi)分布的鈣腺也可以分泌過(guò)剩的碳酸鹽中和弱酸.因此, 在圖 2a中可以發(fā)現(xiàn), 同期蚯蚓處理組ABC顯著高于對(duì)照組(p < 0.05), 且下降速率較慢并在40 d時(shí)差距達(dá)到22.4%.以上過(guò)程中蚯蚓處理組和對(duì)照組中ABC呈下降趨勢(shì), 蚯蚓的加入強(qiáng)化了氨化進(jìn)程產(chǎn)NH3, 中和了一部分基質(zhì)產(chǎn)生的弱酸, 減緩了基質(zhì)ABC的下降, 但基質(zhì)酸堿緩沖容量仍主要由有基質(zhì)中有機(jī)碳代謝產(chǎn)生弱酸控制.

　　圖 2 ABC(a)、ALBC(b)、NH4+-N(c)和NO3--N(d)隨時(shí)間的變化(*表示不同處理之間存在顯著差異, p < 0.05)

　　40~50 d, 處理組和對(duì)照組NH4+-N(圖 2c)呈增加趨勢(shì), pH(圖 1a)呈略微上升趨勢(shì), 表明此時(shí)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(xiàn)反硝化功能菌Flavobacteriales bacterium, 而對(duì)照組中未出現(xiàn), 蚯蚓處理組反硝化作用強(qiáng)于對(duì)照組.因此, 氨化過(guò)程產(chǎn)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(dǎo)致NH4+-N經(jīng)歷峰值開(kāi)始下降, 而對(duì)照組仍呈上升趨勢(shì), 同期硝化過(guò)程劇烈進(jìn)行(NO3--N占總累計(jì)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(chǎn)堿小于硝化產(chǎn)酸與有機(jī)碳分解產(chǎn)生弱酸之和, 這4方面原因共同導(dǎo)致了同期蚯蚓處理組ABC增量小于對(duì)照組(圖 2a).雖然50~60 d蚯蚓處理組反硝化仍在繼續(xù), 但由于硝化過(guò)程非常劇烈, 導(dǎo)致期間ALBC增加幅度小于40~50 d時(shí).50~60 d對(duì)照組NH4+-N(圖 2c)仍呈上升趨勢(shì), 表明對(duì)照組氨化速率仍大于氨氧化速率, DGGE圖譜分析中對(duì)照組缺少反硝化條帶表明反硝化強(qiáng)度弱, 這可能與對(duì)照組反硝化菌數(shù)量少有關(guān).該時(shí)期內(nèi)對(duì)照組氨化過(guò)程產(chǎn)堿仍強(qiáng)于硝化過(guò)程產(chǎn)酸和有機(jī)碳代謝產(chǎn)酸量之和, 因此, ALBC和ABC的累積仍延續(xù)40~50 d時(shí)的趨勢(shì), pH仍呈上升趨勢(shì).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(zhì)中有機(jī)碳代謝產(chǎn)生弱酸控制, 轉(zhuǎn)而由基質(zhì)中有機(jī)氮的礦化控制, ABC由下降改為上升趨勢(shì)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(qiáng)化了氨化、硝化和反硝化作用, 加之蚯蚓鈣腺對(duì)基質(zhì)酸堿的調(diào)節(jié)作用, 使得ABC、ALBC和pHBC高于對(duì)照組.

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí), 處理組ABC、ALBC和pHBC分別高于對(duì)照組5.24%、22.37%和13.01%, EC高于對(duì)照組32.24%, 有機(jī)質(zhì)含量低于對(duì)照組1.93%, 表明蚯蚓處理組穩(wěn)定性及礦化水平相對(duì)較高, 這可能在一定程度上歸功于環(huán)境pH穩(wěn)定帶給微生物高效反應(yīng).

　　3.3 NH4+-N、NO3--N、ALBC、ABC、pHBC的相關(guān)關(guān)系

　　由表 1可知, 蚯蚓處理組和對(duì)照組中ALBC與NH4+-N、NO3--N均呈顯著正相關(guān)(p < 0.01), 相關(guān)系數(shù)大于0.8;ABC與NO3--N呈顯著正相關(guān)(p < 0.01), 但與NH4+-N之間相關(guān)性未達(dá)顯著水平;pHBC與NH4+-N、NO3--N均呈顯著正相關(guān)(p < 0.01), 且相關(guān)系數(shù)高于對(duì)照組.造粒污泥的酸堿環(huán)境與有機(jī)氮的礦化過(guò)程密切相關(guān), 蚯蚓通過(guò)影響污泥中有機(jī)氮氨化、硝化, 增加造粒污泥pHBC, 減小pH變化幅度.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　表 1 對(duì)照組和蚯蚓處理組NH4+-N、NO3--N、ALBC、ABC、pHBC相關(guān)矩陣

　　4 結(jié)論

　　污泥中有機(jī)碳礦化、有機(jī)氮氨化、硝化及反硝化等過(guò)程的進(jìn)行伴隨大量弱酸、弱堿的產(chǎn)生和消耗, 對(duì)污泥酸堿環(huán)境有劇烈影響.蚯蚓促使污泥提前氨化, 提高硝化強(qiáng)度, 促進(jìn)基質(zhì)中弱酸、弱堿的產(chǎn)生, 進(jìn)而提高酸堿緩沖容量.蚯蚓處理組pH波動(dòng)幅度小于對(duì)照組, ABC、ALBC和pHBC在全處理過(guò)程中高于對(duì)照組, 其較為穩(wěn)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(huán)境酸堿穩(wěn)定性, 利于微生物活性高效發(fā)揮.