1 引言(Introduction)

城市污泥作为污水处理后的产物,是一种由有机残片、微生物、无机颗粒、胶体等组成的复杂非均质体,极易腐化发臭,如果处理不当将会对环境造成二次污染.近年来,蚯蚓堆肥作为一种环境友好的、可持续的安全生物处理技术逐渐被人们所熟知(Hartenstein et al., 1981；Elvira et al., 1997；Khwairakpam et al., 2009；Castillo et al., 2013).然而城镇污泥很容易产生有害渗滤液及氨气和硫化氢等有毒气体,导致蚯蚓不能直接在其中生存(Gupta et al., 2008；Suthar,2010；Hait et al., 2011；Yadav et al., 2011).Fu等(2015)发现将污泥造粒后,可直接作为蚯蚓堆肥的底物,并能够显著降低城镇污泥中微生物数量及其活性,得到较稳定的堆肥产物(伏小勇等,2015).

在蚯蚓堆肥过程中,其效果往往取决于环境因子是否适宜,而温度是其中最重要,也是较容易控制的因素之一.温度对蚯蚓的生长繁殖及代谢活动均有巨大影响(Edwards et al., 1977),不同的蚯蚓所适宜的环境温度也存在差异,蚯蚓堆肥常用的赤子爱胜蚓在15~25 ℃范围内表现出较好的适应性(Edwards et al., 1977).然而温度不仅能够严重影响蚯蚓的生长代谢,对改变微生物的代谢活性及群落结构也有着重要作用(郭昱廷等,2012).温度通过影响酶的活性,进而影响微生物的生长速率及基质利用率；同时,温度还会影响有机物生化反应中某些中间产物形成的速率,这些变化直接反映在微生物种群的组成上.而在不同温度条件下微生物组成的差异,又会对蚯蚓堆肥产生不同的效果.

因此,本文通过考察蚯蚓堆肥在不同温度(15、20、25 ℃)条件下OM、EC、NH₄⁺-N和NO₃^--N、MBC、DHA指标的变化,研究温度对蚯蚓堆肥过程稳定化进程的影响及其影响特征,为蚯蚓堆肥的稳定高效提供理论依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验材料

实验所用蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eisenia foetida),实验室培养.实验用污泥来自兰州市七里河污水处理厂脱水污泥,理化性质见表 1.将脱水污泥制成5 mm粒径后再进行实验.实验分为3个组,每组3个平行.每个反应器中加入4 kg粒径5 mm的造粒污泥和100条蚯蚓,每条蚯蚓约重1.0 g.将反应器置于恒温培养箱中,温度分别为(15±1)℃、(20±1)℃、(25±1)℃,每天人工翻动一次.反应器用塑料薄膜覆盖保湿、深色覆盖物避光.实验时间为60 d,每10 d取样一次.一部分鲜样直接测定MBC和DHA,另一部分阴干,研磨过100目筛,测理化指标.

2.2 测定方法

EC采用电导仪测定；OM采用灼烧法(550 ℃,5 h)测定；DOC采用硫酸-重铬酸钾容量法测定(鲁如坤,1999)；MBC通过改进的熏蒸提取-容量法进行测定(吴金水等,2006)；DHA采用TTC还原法测定(尹军等,2004)；NH₄⁺-N采用氯化钾溶液提取分光光度法(HJ 643—2012)测定；NO₃^--N采用酚二磺酸比色法测定(鲍士旦,2005).

2.3 数据处理

采用SPSS 17.0统计软件,通过单因素方差分析(ANOVA)对同一指标不同处理组进行差异显著性分析,处理组间差异显著性定义为p<0.05；采用Statistics10.0统计软件对所测参数进行主成分分析(PCA).

3 结果与分析(Results and discussion) 3.1 温度对理化性质的影响

由图 1可知,15、20、25 ℃ 3个实验温度下,OM的降幅和EC、NH₄⁺-N和NO₃^--N的增幅随时间延长均增大,并呈显著差异(p<0.05),但25 ℃和20 ℃之间的差异大于20 ℃和15 ℃之间,并存在明显突变.这表明温度高有利于蚯蚓和微生物作用的发挥,可提高有机质的降解速率和矿化程度,但在不同的温度范围,其作用强度存在显著差异.

城镇污泥主要由是以微生物有机体为主的有机质构成,其降解过程以有机氮向无机氮的转化为主,因此,含氮有机质的降解效率对于整个过程的稳定化有着重要作用.NH₄⁺-N和NO₃^--N含量是有机氮降解的重要指标,氨化细菌适宜生存的温度范围为25~35 ℃(许光辉等,1986),其菌落数及氨化速率在一定范围内随着温度的升高而升高(匡燕等,2013；张文艺等,2012),25 ℃更接近氨化细菌适宜的生存温度,因此,氨化速率显著高于15 ℃和20 ℃.硝化菌是自养型微生物,OM含量的降低和NH₄⁺-N含量的升高均有利于增强硝化作用,同时,温度的提高也增强了硝化菌的活性(郭一令等,2013).25 ℃条件下NO₃^--N含量急速增加是有机质降解、氨化作用与温度综合影响的结果.EC与NH₄⁺-N和NO₃^--N均呈显著正相关(p<0.01),但与NO₃^--N的相关性更强,这是由于NH₄⁺-N与污泥颗粒的结合能力强于NO₃^--N,这也符合城镇污泥的矿化以含氮有机质为主的特点.温度升高能够促进蚯蚓生长繁殖(Wever et al., 2001)和微生物的代谢活性,由于城镇污泥降解取决于含氮有机质降解速率及氨化作用的强弱,因此,越接近这些微生物适宜生存的温度,越有利于蚯蚓与微生物协同作用的高效发挥.

3.2 温度对MBC和DHA的影响

微生物量碳(Microbial Biomass Carbon,MBC)能直接反映基质中微生物数量的多少.从图 2a可以看出,在整个稳定化过程中MBC随温度升高依次降低,这与两方面的原因有关：首先,温度越高微生物及蚯蚓活性越强(Lazcano et al., 2008),分解同样有机质所需要的微生物数量越少；另外,伴随有机质含量降低,又会限制微生物数量增加(Kuzyakov et al., 2000；尹军等,1994；周春生等,1991).因此,温度通过改变有机质降解效率来影响微生物量.

脱氢酶能够激活某些特殊的氢原子,使有机质脱氢而被氧化,并参与糖、脂肪、氨基酸、核苷酸代谢,是微生物降解有机物,获得能量所必须的酶.对于以细菌、真菌、原生动物和后生动物为主体构成的城镇污泥的堆肥过程来说,脱氢酶活性(Dehydrogenase Activity,DHA)可表征污泥的稳定程度.在适宜温度范围内,温度的升高有助于提高脱氢酶的活性(杨磊等,2007),但本实验结果显示(图 2b),DHA并没有随温度的升高而成梯度关系.从DHA变化趋势看,温度对污泥DHA影响较小,这可能与污泥有机质(OM)和蚯蚓粘液均可对DHA产生显著影响有关(杨磊等,2007；史志明等,2013；Martin et al., 1992；Aira et al., 2007).

3.3 不同温度条件下蚯蚓堆肥稳定化过程的主成分分析

城镇污泥中的有机质构成以微生物及其残体为主,其降解过程是有机碳氮向无机碳氮的转化.NH₄⁺-N/ NO₃^--N在一定程度上反映了有机氮的氨化及硝化的程度(Bernai et al., 1998),结合EC变化,就能综合反映污泥的矿化程度.污泥所含的有机质中,溶解性有机碳(DOC)是最易为微生物利用的碳源,DOC的变化是对系统内部稳定化程度的反映(Gómez-Brandón et al., 2008).污泥中有机质含量的变化,在一定程度上反映了堆肥的进程(Domeizel et al.,2004；Li et al.,2001；Chefetz et al., 1996),而微生物量及其活性的大小则主要表征有机质的生物降解能力(Mondini et al., 2006).

温度对蚯蚓堆肥稳定化过程影响的主成分分析(PCA)结果见图 3.通过PCA分析得出,第一主成分(PC1)与第二主成分(PC2)的累积方差贡献率达到80.9%.其中,第一主成分的方差贡献率为57.5%,第二主成分的方差贡献率为23.4%.第一主成分中OM、DOC、MBC、DHA载荷均在0.75以上为正效应,EC载荷则在-0.75以上为负效应.第一主成分主要与有机物、微生物和电导率有关,有机物的降解主要依靠微生物的数量及其活性,其降解结果表现为EC的增量,因此,有机物的降低与EC的升高存在因果关系,而在第一主成分正方向的得分越高表明与有机质的生物降解有关的活动能力越强,在负方向的得分越高则表明有机物的矿化程度越高.因此,第一主成分可表征堆肥系统中与有机物的生物降解有关的活动能力与有机物的矿化程度.第二主成分中NH₄⁺-N/ NO₃^--N的载荷为0.92,反映系统中氨化及硝化过程.第二主成分正方向表征氨化作用强于硝化作用,负方向则表征硝化作用强于氨化作用,因此,第二主成分主要表征堆肥过程中矿质氮的转化.

蚯蚓堆肥过程是污泥由不稳定状态向稳定状态逐渐转化的过程.图 3中3个温度组随时间依次经历倒“V”型的3个阶段,根据3个温度组在第一、第二主成分上的投影差异特性,可将蚯蚓堆肥过程大致分为3个阶段：第1阶段0~10 d,第2阶段20~40 d,第3阶段50~60 d.第1阶段,3个温度组均处于第四象限,与OM、DOC、MBC、DHA呈正相关关系,10 d时的3个温度组与初始污泥在第一主成分上的投影差异显著,且随温度升高投影差异变大,表明此阶段有机物正被快速生物降解,温度越高,偏移越大.具体表现为：初始污泥OM、MBC、DHA含量较高,在0~10 d大幅降低,且25 ℃组的降幅高于15 ℃组和20 ℃组,而3个温度组的EC、NH₄⁺-N、NO₃^--N含量均较低,变化无显著差异(p>0.05).第2阶段,3个温度组分布在第一、二象限上,在第二主成分上投影差异较大,而在第一主成分上的投影较集中,且第一、第二主成分上的正效应逐渐减弱,第二主成分上的负效应有增强趋势.具体表现为：20~40 d 3个温度组的OM、MBC、DHA均呈下降趋势,但速率低于第一阶段,NH₄⁺-N、EC开始升高,且25 ℃组显著高于15 ℃组、20 ℃组(p<0.05),3个温度组的硝化作用表现微弱,主要以氨化作用为主.第3阶段,3个温度组均处于第三象限,与EC呈正相关关系,温度越高相关性越强;硝化作用随温度升高而增强,矿化程度显著提高,OM、MBC、DHA则趋于稳定.在第1阶段和第3阶段,各点在第一主成分上的投影差异较大,其综合特征差异主要体现在第一主成分上.在第2阶段,各点投影综合特征差异则主要体现在第二主成分上.无论处于哪个阶段,15 ℃和20 ℃组之间欧氏距离较短,而与25 ℃组之间距离较长,表明低于25 ℃时,对蚯蚓和微生物的生理活动影响较大,25 ℃更接近于蚯蚓与微生物发挥高效作用的环境温度. 提高温度能够对蚯蚓堆肥产生积极的影响,然而温度并不能改变蚯蚓堆肥的稳定化路径,只是加快了蚯蚓堆肥的稳定化速率,表明温度在15~25 ℃范围内变化时,系统中微生物群落结构可能并未发生剧烈变化,只是提高了某些微生物的数量和代谢活性.

4 结论(Conclusions)

温度对蚯蚓处理城镇污泥的影响主要体现在有机质降解、氨化和硝化速率上.PCA分析结果表明,蚯蚓处理城镇污泥的稳定化过程主要包括3个阶段,分别以有机质的生物降解、氨化作用和硝化作用为特征.控制蚯蚓堆肥温度应以满足蚯蚓生理需求为主,这将更有利于蚯蚓与微生物协同作用的高效发挥.在适宜蚯蚓生长的温度范围内,提高温度有利于加速城镇脱水污泥蚯蚓堆肥稳定化,但不会改变稳定化路径.