張?jiān)娙A，葛瑞琦，程 東，張新喜

(安徽工業(yè)大學(xué)a. 建筑工程學(xué)院；b. 生物膜法水質(zhì)凈化及利用技術(shù)教育部工程研究中心，安徽馬鞍山 243032)

隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，我國(guó)污水處理的附屬產(chǎn)物污泥總產(chǎn)量呈急速上升趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2020—2025年間，污泥年產(chǎn)量將超過(guò)6 000萬(wàn)t。污泥成分復(fù)雜，含有氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)以及微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)富集重金屬、病原微生物等污染物。隨意填埋未經(jīng)處理的污泥，會(huì)導(dǎo)致土壤微生物結(jié)構(gòu)及功能的改變，甚至?xí)?yán)重污染環(huán)境。如何合理處置污泥，解決污泥資源化、減量化和穩(wěn)定化等問(wèn)題成為當(dāng)前研究重點(diǎn)之一。

目前，污泥的處理方式主要有厭氧消化、好氧堆肥和干化等。好氧堆肥是一種通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化堆體內(nèi)有機(jī)廢物的技術(shù)，可對(duì)有機(jī)廢物進(jìn)行有效消毒和生化穩(wěn)定。在堆肥過(guò)程中污泥可減少約50%的體積和質(zhì)量，且重金屬和其他有害物質(zhì)能夠得到有效降解，同時(shí)堆肥產(chǎn)生的高溫條件可破壞污泥中的病原微生物，使其最終形成穩(wěn)定、無(wú)害、具有腐殖質(zhì)的產(chǎn)物；產(chǎn)物中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分可作為農(nóng)業(yè)土壤、污染土壤及退化土壤改良劑或優(yōu)質(zhì)肥料。因此，污泥堆肥化土地利用是最有效的資源化處置方式之一。但污泥含水率高導(dǎo)致堆體透氣性差等問(wèn)題，對(duì)此一般通過(guò)添加調(diào)理劑如麥秸、木片、工業(yè)固體廢物、粉煤灰等進(jìn)行解決，其中工業(yè)固體廢物由于易于獲得且可實(shí)現(xiàn)資源利用而引起廣泛關(guān)注。鋼渣作為煉鋼中的第二大固體廢物，孔隙率較高、比表面積較大，能夠優(yōu)化堆體透氣性，給微生物提供生長(zhǎng)環(huán)境；含多種金屬氧化物如FeO，MgO等，且含游離石灰f-CaO，具有較強(qiáng)的堿性及活性，被逐漸用于農(nóng)業(yè)肥料與土壤改良劑中。Nishimoto 等研究表明，鋼渣表面的Fe(III)氧化物可作為催化部位，增強(qiáng)腐殖質(zhì)前體形成聚合物的活性，提升堆體質(zhì)量；Qi 等研究顯示，鋼渣中Fe(III)和Mn(IV)的氧化物起到氧化劑作用，可促進(jìn)堆體縮聚反應(yīng)，穩(wěn)定更多的有機(jī)質(zhì)。但目前關(guān)于添加鋼渣的污泥堆肥過(guò)程中環(huán)境因子變化和微生物群落演替的研究較少，鑒于此，探討添加鋼渣對(duì)污泥好氧堆肥過(guò)程中溫度、含水率、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮的影響，通過(guò)微生物高通量測(cè)序探究堆肥過(guò)程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)以及物種變化趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用脫水污泥取自馬鞍山市東部污水處理廠。鋼渣取自馬鞍山鋼鐵股份有限公司，為轉(zhuǎn)爐渣，經(jīng)破碎后用孔徑為2.36 mm篩子篩分。污泥的理化性質(zhì)及鋼渣主要化學(xué)成分分別如表1，2。

表1 污泥的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of sludge

表2 鋼渣的主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical composition of steel slag

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。堆肥容器為1 000 mL 的玻璃瓶，以脫水污泥鮮重為基準(zhǔn)，依次向堆肥體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%的鋼渣，具體配比如表3。設(shè)置兩組平行實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置脫水污泥單獨(dú)好氧堆肥作為對(duì)照。將污泥與鋼渣混勻后放入反應(yīng)器，曝氣速率為200 mL·min，用水浴控溫方式模擬堆肥自升溫過(guò)程，每天記錄3 次堆體溫度，保持水浴溫度低于堆體內(nèi)部溫度1～2 ℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程在堆肥第1，3，6，9，12，15，19，23，27，30 d取樣用于指標(biāo)測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

表3 污泥與鋼渣添加量Tab.3 Addtion of sludge and steel slag

1.3 指標(biāo)的測(cè)定

用數(shù)顯電子溫度計(jì)(TP101)檢測(cè)堆體內(nèi)部溫度，每天檢測(cè)記錄3次；通過(guò)測(cè)量烘干前后污泥樣品的質(zhì)量計(jì)算污泥的含水率；將烘干后的污泥樣品放入馬弗爐，在550 ℃灼燒4 h取出，冷卻至常溫，根據(jù)前后質(zhì)量差計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量；用2 mol·LKCl 溶液浸提污泥樣品后，采用靛芬藍(lán)比色法測(cè)定污泥中銨態(tài)氮(NH—N)含量；將污泥樣品送至上海派森諾生物科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序，采用Illumina Mi Seq 平臺(tái)對(duì)細(xì)菌群落DNA片段進(jìn)行雙端(Paired-end)測(cè)序。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆肥過(guò)程中溫度的變化

圖2為加入不同質(zhì)量鋼渣污泥樣品在堆肥過(guò)程中的溫度變化。由圖2可看出：4個(gè)實(shí)驗(yàn)組的溫度變化趨勢(shì)相似，最高溫度及高溫維持時(shí)間存在一定差異；對(duì)照組CK 的堆體在第7 d達(dá)最高溫度，57 ℃，在50 ℃以上停留6 d，在55 ℃以上停留3 d；T1，T2，T3組的堆體最高溫度同步出現(xiàn)在第6 d，分別為58.1，60.1，58.2 ℃，在50 ℃以上停留7～8 d，在55 ℃以上停留5～6 d。由此表明，添加鋼渣有利于提高堆體溫度和延長(zhǎng)高溫階段，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鋼渣效果最佳。這歸因于鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)以及質(zhì)地堅(jiān)硬，鋼渣能夠反抗堆肥過(guò)程中的沉降壓實(shí)，增大堆體自由空域(FAS)，從而確保氧氣充足，進(jìn)一步提升微生物活性，產(chǎn)生更多熱量。與前人研究相比，實(shí)驗(yàn)各組高溫維持時(shí)間普遍較短，主要是因?yàn)槎洋w體積較小，其含較少的熱源物質(zhì)供微生物消化和分解，但各組堆體溫度均滿足堆肥無(wú)害化的必要條件。

圖2 污泥與鋼渣好氧堆肥過(guò)程中溫度變化Fig.2 Temperature variation during aerobic composting of sludge and steel slag

2.2 堆肥過(guò)程中含水率與有機(jī)質(zhì)的變化

堆肥過(guò)程中水分為微生物新陳代謝、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸以及微生物遷移提供介質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量變化間接反映微生物對(duì)底物的降解能力，因此含水率與有機(jī)質(zhì)含量為關(guān)鍵指標(biāo)。添加不同質(zhì)量鋼渣污泥樣品堆體的含水率與有機(jī)質(zhì)含量變化如圖3，4。

由圖3 可知：4 組污泥樣品在堆肥過(guò)程中含水率呈逐漸降低趨勢(shì)；對(duì)照組CK 和T1，T2，T3 組含水率分別下降3.52%，5.83%，8.35%，9.28%，表明添加鋼渣能夠加快堆體含水率下降；在堆肥初中期的0～9 d，添加鋼渣的堆體含水率下降速度較快，鋼渣含量越大含水率下降越明顯，這是由于堆體內(nèi)鋼渣越多，其孔隙率越高，堆體透氣性得到優(yōu)化，在溫度與微生物活動(dòng)作用下使水分被加速利用和蒸發(fā)；堆肥結(jié)束后，T1，T2，T3組含水率均下降至60%以下，一定程度上實(shí)現(xiàn)了污泥處理的減量化目的。

圖3 污泥與鋼渣好氧堆肥過(guò)程中含水率變化Fig. 3 Change of water content during aerobic composting of sludge and steel slag

由圖4可知：4組污泥樣品在堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量均下降；在堆肥前12 d有機(jī)質(zhì)降解迅速，表明堆體初期易降解的有機(jī)質(zhì)豐富，特別是碳水化合物、氨基酸和低分子有機(jī)酸，且微生物活動(dòng)劇烈；實(shí)驗(yàn)組CK，T1，T2，T3 的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.57%，14.18%，12.11%，12.24%，對(duì)應(yīng)的降解率分別為13.87%，16.27%，18.34%，18.21%。T1，T2，T3 組有機(jī)質(zhì)降解率均高于對(duì)照組CK，表明添加鋼渣可改善有機(jī)質(zhì)分解，主要是因?yàn)槎逊虱h(huán)境中足夠的氧氣含量和溫度、濕度以及鋼渣中含有的鐵錳氧化物可作為酶促進(jìn)劑刺激堆肥中的酶活性，增強(qiáng)微生物活性；同時(shí)f-CaO 等成分呈堿性，堿性物質(zhì)能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解。T2 組有機(jī)質(zhì)降解速率大于T3組，表明過(guò)多的鋼渣添加量對(duì)有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生不利影響，因堆體內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)快，抑制了微生物活性。

圖4 污泥與鋼渣好氧堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)變化Fig.4 Change of organic matter during aerobic composting of sludge and steel slag

2.3 堆肥過(guò)程中氨氮的變化

2.4 堆肥中細(xì)菌菌群分析

2.4.1 菌群多樣性與豐富度

堆肥樣品中細(xì)菌測(cè)序量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。對(duì)于12 個(gè)堆肥樣品，共獲得896 175 條高通量序列，去除嵌合體的高質(zhì)量序列，對(duì)照組CK，T1，T2，T3的高質(zhì)量序列分別為21 569，235 711，224 757，220 014條。在此基礎(chǔ)上，利用α 多樣性(又稱生境內(nèi)多樣性)研究局域均勻生境的物種數(shù)量。應(yīng)用Chao1 指數(shù)、Shannon 和Simpson 指數(shù)表征每種處理中細(xì)菌群落的相對(duì)豐度和多樣性變化，結(jié)果如表5。由表5 可看出：各組相對(duì)豐度與多樣性在高溫階段降低，此后增加到不同程度，這是由于高溫環(huán)境對(duì)細(xì)菌進(jìn)行了篩選，只有耐熱細(xì)菌能夠存活；T1，T2，T3組擁有更高的細(xì)菌群落豐富度和多樣性，即添加鋼渣能夠增加堆體物種豐度，這源于鋼渣較高的比表面積、孔隙率和Fe(III)和Mn(IV)等氧化物成分可加速微生物活動(dòng)。此結(jié)果證實(shí)了鋼渣與污泥混合堆肥能夠增加細(xì)菌菌群的多樣性和豐度。

圖5 污泥與鋼渣好氧堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮含量變化Fig.5 Change of ammonium nitrogen content during aerobic composting of sludge and steel slag

表4 堆肥樣本測(cè)序量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of sequencing amount of compost samples

表5 堆肥樣本中菌群微生物多樣性指數(shù)Tab.5 Microbial diversity index of flora in compost samples

4 組堆肥樣本的主成分分析(principal component analysis，PCA)結(jié)果如圖6。由圖6 可看出：PC1 和PC2(分別為第一和第二主要成分在堆肥三階段中細(xì)菌群落變化比例)為54.9%，22.1%；堆肥不同階段的細(xì)菌群落組成差異明顯，表明溫度在細(xì)菌群落的演替中起重要作用；堆肥樣本在高溫和降溫階段細(xì)菌群落組成也發(fā)生較大改變，表明添加鋼渣能夠影響和重塑微生物群落結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殇撛奶砑釉斐啥逊虱h(huán)境的差異，如氨氮、含水率、溫度以及有機(jī)質(zhì)等，這些外在條件影響細(xì)菌群落的活動(dòng)以及選擇。

圖6 堆肥過(guò)程中細(xì)菌的主成分分析Fig.6 PCA analysis of bacteria during composting

2.4.2 菌群結(jié)構(gòu)組成

圖7 為4 組堆體在門水平上細(xì)菌群落的相對(duì)豐度。由圖7 可看出：變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)是5個(gè)主要的門，之和占各組細(xì)菌群落總量的90%以上；對(duì)照組CK 與T1，T2，T3 組中的厚壁菌門在堆肥高溫時(shí)期占主導(dǎo)地位，占比分別為49.09%，41.31%，39.19%，24.51%。研究表明，厚壁菌門是堆肥中木質(zhì)纖維素分解利用的主要菌群之一。T1，T2，T3組的厚壁菌門相對(duì)豐度低于對(duì)照組，這是因?yàn)樘砑愉撛鼘?dǎo)致堆體復(fù)合纖維素降解菌的原料豐度降低，這與Li等用松葉生物炭改善豬糞堆肥的研究結(jié)果相似。然而在堆肥后期，厚壁菌門在T1，T2，T3組中仍占比較大，其中T3組的優(yōu)勢(shì)菌群占比34.21%。放線菌、變形菌和擬桿菌分別有利于碳、氮的轉(zhuǎn)化以及纖維素和木質(zhì)纖維素的降解。放線菌門、擬桿菌門和變形菌門的相對(duì)豐度在堆肥高溫期下降，然后逐漸上升至堆肥結(jié)束，表明在堆肥降溫階段，擬桿菌、變形菌和放線菌影響有機(jī)物的分解。在堆肥后期，T1，T2，T3 組的擬桿菌門(13.45%，18.13%，9.06%)和變形菌門(32.14%，35.80%，17.23%)豐度低于對(duì)照組CK(30.77%，41.73%)；T1，T2，T3組的放線菌豐度分別比對(duì)照組CK高3.93%，4.10%和3.05%。表明添加鋼渣對(duì)堆肥降溫期放線菌的繁殖生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，放線菌能夠產(chǎn)生各種抗生素抑制堆體內(nèi)病原菌，其豐度的增多有利于提高最終堆肥產(chǎn)品的安全性。上述分析表明，堆肥中添加不同質(zhì)量鋼渣能夠顯著影響堆體內(nèi)不同階段細(xì)菌群落的多樣性。

圖7 細(xì)菌在門水平的分布與豐度變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of distribution and abundance change of bacteria at phylum level

2.4.3 環(huán)境因子與細(xì)菌群落之間的相關(guān)性

堆肥過(guò)程中的環(huán)境因子會(huì)影響堆體內(nèi)細(xì)菌群落的新陳代謝，因此通過(guò)冗余分析(redundancy analysis，RDA)評(píng)估環(huán)境因子與細(xì)菌群落之間的相關(guān)性，結(jié)果如圖8。

圖8 堆肥過(guò)程中細(xì)菌群落理化特性的冗余分析Fig.8 RDA of physicochemical characteristics of bacterial community during composting

由圖8 可看出，RDA1 和RDA2(分別為第一和第二主成分細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異比例)為62.09%，23.61%。其中溫度、有機(jī)質(zhì)、含水率和銨態(tài)氮的

r

(環(huán)境因子與物種分布的決定系數(shù))分別為0.619 0，0.626 5，0.118 5，0.452 3，表明環(huán)境因子顯著影響細(xì)菌群落的物種分布和演替。PCA 分析顯示T1，T2，T3 組的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與對(duì)照組CK 明顯不同，鋼渣的添加改善了堆肥環(huán)境各因素，從而影響堆體內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。綠彎菌門、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)和浮霉菌門(Planctomycetes)是堆肥升溫期的優(yōu)勢(shì)菌種；變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和髕桿菌門(Patescibacteria)分別是堆肥高溫期和降溫期的優(yōu)勢(shì)菌種。在5個(gè)主要門分類中，厚壁菌門和放線菌門與溫度、銨態(tài)氮、pH呈顯著正相關(guān)；由于鋼渣的堿性，在堆肥后期T1，T2，T3組堆體內(nèi)兩種菌群含量較多，變形菌門和綠彎菌門與有機(jī)質(zhì)、含水率呈顯著正相關(guān)。

3 結(jié) 論

1)添加鋼渣可提升污泥好氧堆肥溫度并延長(zhǎng)高溫維持時(shí)間，促進(jìn)堆體內(nèi)有機(jī)物降解、加快水分蒸發(fā)和利用、提高銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化、降低氮損失，最終提升堆肥產(chǎn)物質(zhì)量，且效果優(yōu)于污泥單獨(dú)堆肥。

2)基于高通量測(cè)序表明，添加鋼渣提高了污泥好氧堆肥堆體內(nèi)細(xì)菌菌群多樣性和豐富度，鋼渣的成分和結(jié)構(gòu)影響污泥好氧堆肥堆體內(nèi)細(xì)菌群落的數(shù)量以及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化。

3)冗余分析結(jié)果表明，溫度、有機(jī)質(zhì)、含水率和銨態(tài)氮是影響污泥好氧堆肥堆體內(nèi)細(xì)菌群落的重要因素，添加鋼渣對(duì)堆肥的環(huán)境因子和菌群分布有顯著影響。