牡蛎壳粉减少市政污泥好氧发酵过程氮素损失影响研究

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在市政污泥好氧发酵中使用添加剂提高发酵产物品质是近些年的研究热点。牡蛎壳粉作为一种廉价易得的添加剂,已有研究表明添加在市政污泥好氧发酵中能够有效降低氮素损失,但对于其减少氮素损失作用机制尚不明确。本实验在好氧发酵堆体中添加不同比例的牡蛎壳粉,通过分析理化性质、氮素形态转化和酶活性的变化规律,说明环境因子对市政污泥好氧发酵过程氮素损失的影响;基于16S r RNA高通量测序技术,深入探究好氧发酵堆体细菌群落结构变化规律,并通过微生物群落、酶活性与环境因子的关联性分析,明确显著影响氮素形态转化和氮素损失的主要微生物,最终揭示市政污泥添加牡蛎壳粉减少好氧发酵过程氮素损失的作用机制。主要结论如下:(1)基于顶空气相色谱技术建立了一种快速、准确测定污泥中反硝化酶活性(NR)的新方法,大大提高了实验效率。将样品恒温培养12小时后,通过检测顶空瓶中NO2气体的峰面积间接表达反硝化酶活性。最终结果表明,该方法重现性好,准确度高,相对标准偏差小于5%。(2)好氧发酵过程中温度均达到了无害化标准要求,添加牡蛎壳粉能够有效促进有机质的降解,添加牡蛎壳粉后的堆体总有机碳(TOC)和总碳(TC)损失更小,说明添加牡蛎壳粉能够有效滞留污泥中的有机碳。相比于CK(空白)组,OS(Oyster Shell)组含有更丰富的腐殖质,更能保持产物养分和结构、促进堆体内矿物的分解和养分的释放。(3)在最终发酵产物中,OS组含有更多的总氮(TN)、NO3-和水溶性有机氮(SON)等,含有效性氮更丰富,发酵产物品质更高。添加牡蛎壳粉可以有效降低氨气排放速率、减少氮素损失,OS15组氨气排放减少了36.13%。Spearman相关性分析表明,添加牡蛎壳粉后TN的减少受温度(T)、TC和碳氮比(C/N)的影响较大,通过影响堆体的硝化反硝化强度从而显著影响NO2-的变化。(4)基于16S r RNA高通量测序技术进行的细菌群落结构特征分析表明:牡蛎壳粉的添加为堆体创造了良好的发酵环境,促进了好氧菌群的活性,使得微生物活动更加剧烈,能够显著提高好养发酵产物的物种丰度和群落多样性;好氧发酵前期主要以放线菌(Actinobacteria)和厚壁菌(Firmicutes)为主,而OS组别的主要物种丰度明显高于CK组;属水平主要物种短芽孢杆菌(Brevibacillus)和小杆菌(Symbiobacterium)是厚壁菌(Firmicutes)的分支,而Actinobacteria、Brevibacillus和Symbiobacterium具有很好的氨同化能力,可以起到吸收氨气的作用。Thermobispora、Brevibacillus和Symbiobacterium与TN呈现正相关,说明这几种微生物群落对总氮流失具有显著影响;同时Firmicutes的分支Brevibacillus与硝化强度(NS)具有显著相关性,通过增强堆体硝化作用从而减少氮素损失。本研究基于发酵堆体基本理化性质规律研究,明确了市政污泥添加牡蛎壳粉好氧发酵过程影响氮素形态转化的主要环境因子和微生物,同时明确了添加牡蛎壳粉后减少氮素损失的作用机制,更深层次的证实了牡蛎壳粉这一廉价易得的固废作为添加剂应用于市政污泥好氧发酵的可行性,为资源化利用市政污泥和牡蛎壳提供理论及实践参考数据。
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