1 引言(Introduction)

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(张自杰等, 2000).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(顾夏声等, 2006).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(Rajiv et al., 2010).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(Lazcano et al., 2008；陈学民等, 2010), 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(伏小勇等, 2015；Fu et al., 2015a).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(周群英等, 2008), 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(Stumm et al., 1996；García-Gil et al., 2004).酸缓冲容量(Acid Buffering Capacity, ABC)(Wong et al., 1998)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(Materials and methods) 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(鲍士旦, 2005)；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(Results and discussion)

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c_B或强酸(H⁺)的量c_A(Stumm et al., 1996)：

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(Zhang et al., 2004), 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(Wong et al., 1998).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(姜军等, 2007).

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(Wüst et al., 2009), 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.

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(伏小勇等, 2013；Yakushev et al., 2009；Parkin et al., 1999), 以及蚓粪含有的反硝化功能菌(Horn et al., 2003)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(黄平等, 2009).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(黄福珍, 1982)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.

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(Fu et al., 2015b), 蚯蚓处理组反硝化作用强于对照组(Svensson et al., 1986；Horn et al., 2003).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(Fu et al., 2015b)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.

4 结论(Conclusions)

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.