基于碳源调控的污泥堆肥氮素转化及氨同化作用机制研究

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1、博士学位论文基于碳源调控的污泥堆肥氮素转化及氨同化作用机制研究STUDYONNITROGENTRANSFORMATIONANDAMMONIAASSIMILATIONDURINGSEWAGESLUDGECOMPOSTINGBASEDONCARBONSOURCECONTROL吴传栋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TU992.3学校代码：10213国际图书分类号：628.4密级：公开工学博士学位论文基于碳源调控的污泥堆肥氮素转化及氨同化作用机制研究博士研究生：吴传栋导师：李伟光教授申请学位：工学博士学科：市政工程所在单位：环境学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:TU992.3U.D.C:628.4DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONNITROGENTRANSFORMATIONANDAMMONIAASSIMILATIONDURINGSEWAGESLUDGECOMPOSTINGBASEDONCARBONSOURCECONTROLCandidate：ChuandongWuSupervisor：Prof.WeiguangLiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipleEngi

3、neeringAffiliation：SchoolofEnvironmentDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着国家环境保护力度的逐渐加强，城镇污水处理厂污泥产量逐年递增，对城市环境卫生造成极大威胁。选择污泥处理处置方式应以减量化和无害化为目标，因地制宜地选择可靠、经济的技术。污泥堆肥工艺因其投资较少、操作简单、运行成本低等优点受到广泛关注，但严重的氮素损失问题尚未得到有效解决。堆肥过程中的氮素损失率可达16%~67%，主要以氨气的形式挥发，不仅会污染空气

4、，更会降低堆肥产品的肥效。前期研究发现，传统调理剂难以被微生物有效利用，而投加易降解碳源改变有机质组成可减少氨气挥发，但投加易降解碳源对污泥堆肥过程中的有机质降解及氮素转化过程的影响尚不清楚。基于上述原因，本文系统地研究了能够有效控制氮素损失的碳源类型及其使用条件，确定了碳源的最佳代替调理剂，在此基础上分析了碳源对堆肥过程、微生物碳源利用能力及堆肥成品品质的影响。结果表明：在无机调理剂的条件下，蔗糖控制污泥堆肥氮素损失的效果最佳，通过响应曲面法确定了最佳投加条件为投加量0.02：1（w蔗糖：w污泥）、投加时间为58.28h、蔗糖浓度为100%（固体投加），采用该投加条件进行堆肥时，氮素损失

5、率仅为25.2%，比空白减少了38.22%；利用污泥堆肥过程中BOD5含量、微生物呼吸速率等指标变化，结合Biolog分析，明确了蔗糖对微生物碳源利用能力的影响；在此基础上，确定了糖渣可作为蔗糖的替代调理剂，通过三维荧光光谱、种子发芽率及电导率等指标评价了污泥堆肥产品品质，投加蔗糖可以明显促进腐殖化进程，提高堆肥产品腐熟度。从氮素形态转化、氮素转化微生物数量的角度探讨了碳源控制污泥堆肥过程中氮素损失的影响机制，优化了控制氮素损失工艺指标，并建立了碳源与氮素损失之间的数学关系。结果表明：在污泥堆肥过程中，有机氮与氨氮、挥发氨气的总和占总氮的92%-97%，投加蔗糖主要影响氨氮和有机氮之间的相

6、互转化，氨同化作用得到强化，有机氮含量增加了9.66%；投加蔗糖后，氨化细菌受酸化影响减少，氨同化细菌数量增加了2.3倍；在工艺指标中，通风速率对氨气挥发的影响较大，0.1L/min的通风速率可显著减少氨气挥发；最后结合前两章内容，对氨气挥发与水溶性碳氮含量之间的相互关系进行了探讨，利用非线性回归分析，明确了CO2与NH3之间的响应关系模型符合高斯公式，当CO2产生量26.95-65.05g/kg干污泥（DS）时，氨气挥发量较大。考察了碳源对微生物多样性及菌群结构的影响，利用氮同位素及酶活性技术，分析了碳源对氨同化作用效能及相关酶活性的影响，明确了碳源调控氨同-I-哈尔滨工业大学工学博士学

7、位论文化作用的作用机制。结果表明：高通量测序分析发现投加蔗糖降低了微生物的多样性，促进了优势菌群的生长，从细菌、古菌和真菌的菌群结构分析中发现蔗糖能够促进分解纤维素、木质素等大分子有机物的微生物菌群的生长，如Bacillus、Streptomyces、Pseudoxanthomonas、Candida等，提高了碳源的降解率；利用氮同位素分析方法定量分析氨同化作用效能，发现蔗糖可将平均N15同化率提高27.87％，主要体现