污泥蚯蚓堆肥过程中胞外聚合物的结构变化

陈 进,谢佳辰,徐俊杰,夏 慧*,黄 魁,2

污泥蚯蚓堆肥过程中胞外聚合物的结构变化

陈 进1,谢佳辰1,徐俊杰1,夏 慧1*,黄 魁1,2

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学,甘肃省黄河水环境重点实验室,甘肃 兰州 730070)

为揭示污泥胞外聚合物(EPS)特征与蚯蚓堆肥产物腐熟的关系,以无蚯蚓为对照组,探究蚯蚓堆肥对污泥EPS结构变化的影响.结果表明,蚯蚓堆肥显著加快了蚯蚓堆肥产物有机质的矿化速率,其电导率和硝酸盐氮含量比对照组产物分别显著提升了0.64和0.22倍(<0.05).蚯蚓堆肥产物EPS层中的蛋白质和多糖的总含量比对照组产物分别降低了32.77%和31.54%.三维荧光结果表明,蚯蚓堆肥过程中蛋白质的荧光强度下降速率比对照组更高,其腐殖质在堆肥后期一直处于较高水平.污泥蚯蚓堆肥产物的紧密结合层(TB-EPS)和松散结合层(LB-EPS)中的色氨酸含量比对照组分别减少7.69%和13.62%,而LB-EPS和粘液层(SEPS)中腐殖酸含量比对照组分别增加了25.1%和7.82%.蚯蚓堆肥期间的硝酸盐氮含量和电导率均同SEPS、LB-EPS结构中的DOC、蛋白质和多糖含量呈显著正相关(<0.05),其总DOC含量与EPS各层中的DOC及多糖含量呈显著相关性(<0.05).实验过程中对照组仅有机质和DOC含量同EPS各层多糖含量呈显著相关(<0.05).研究表明,蚯蚓堆肥能够破坏污泥EPS结构以促进有机物的分解,加快污泥的腐殖化和稳定化进程,且污泥EPS结构的变化可作为反映污泥蚯蚓堆肥产物腐熟程度的关键指标.

蚯蚓堆肥；污泥资源化；腐熟；胞外聚合物；蚯蚓粪有机肥

脱水污泥作为污水处理的终端副产物,具有资源和污染的双重特征,如何对其合理的处理处置已成为我国生态文明建设的难题之一[1-2].在碳中和背景之下,污泥资源化已成为水处理行业的共识.蚯蚓堆肥是一种经济、绿色并且可持续的污泥资源化技术[3].相较于其它的污泥处理方法,该技术具有能耗低、工艺简单、堆肥产物肥效高等优点[4].蚯蚓堆肥技术主要利用蚯蚓肠胃中丰富的功能酶和微生物共同作用,实现污泥的降解和稳定[5-6],同时将其转化为营养丰富的蚯蚓粪肥. 胞外聚合物(EPS)是污泥的重要组成成分,是由微生物在其代谢过程中分泌到胞外的天然高分子聚合物[7].根据EPS与细胞之间的紧密程度,可将EPS分为粘液层(SEPS)、松散结合层(LB-EPS)和紧密结合层(TB-EPS)[8].EPS有着介导细胞与外界交互的作用,以此形成一个巨大的网络结构,并将自由水、部分结合水与大部分有机物质储存其中[9].因此,如何破坏污泥的EPS结构,改善其脱水性能,已成为污泥深度脱水问题的关键.且EPS中储存着污泥中60%～80%的有机物,其主要由蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸等构成.同时,污泥EPS是大部分溶解性有机物(DOM)的储存部位,也是微生物活动以及降解有机物的主要场所[10].可见,把握蚯蚓堆肥进程中有机物变化和EPS结构变化的相互关系,对于污泥的资源化与稳定化有着重要的意义.

本研究提取蚯蚓堆肥过程中各阶段产物的EPS,分析蚯蚓堆肥对污泥稳定化进程中堆肥产物EPS结构的影响,旨在为污泥蚯蚓堆肥资源化提供参考.

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试污泥来自兰州市安宁区七里河污水处理厂,其电导率,含水率,硝酸盐氮,溶解性有机碳,蛋白质和多糖含量分别为(200.00±0.00)mS/cm,73.02%±(0.00,0.33±0.01)mg/g,(16.09±0.06)mg/g,(17.24±2.24)mg/g和(0.90±0.10)mg/g.蚯蚓品种为赤子爱胜蚓(),体重约为0.4g,且在实验前经脱水污泥饲养驯化.

1.2 试验方法

取6个污泥蚯蚓堆肥反应器,其单个尺寸为60cm´40cm´30cm,材质为塑料.首先向反应器中投放10kg的新鲜污泥,为避免堆体缺氧,污泥平均厚度约为50mm.而后向其中3个反应器中各接种600条赤子爱胜蚓,将其作为蚯蚓处理组,剩余3个反应器中不接种蚯蚓并将其作为对照处理组.所有反应器上均覆盖有黑色带孔塑料膜,并每隔3d喷洒少量水,保持湿度在60%～70%左右,且均在室温下进行(20～ 25℃).本实验分为2个阶段,第1阶段为持续20d的蚯蚓堆肥阶段,在第20d从反应器中取出蚯蚓,第2阶段为持续10d的微生物腐熟阶段,且腐熟期间所有反应器内均不喷洒水.

1.2.1 样品的采集与保存 每10d取一次样品,样品采集前先将堆体充分混匀,之后随机取出样品于无菌塑封袋中.部分新鲜样品用于提取EPS,部分样品进行风干后研磨,冷藏于冰箱中备用.

1.2.2 EPS的提取 参考Hu等[11]方法进行,将新鲜样品与去离子水混匀(干样:水=1:10;质量浓度),在4℃下冷藏,静置沉淀1.5h后丢弃上清液.沉淀物以4000r/min的速度离心15min,收集上清液为SEPS.将剩余的沉淀物中加入0.9%的生理盐水,摇匀后超声处理2min,之后以4000r/min的速度离心20min,收集上清液为LB-EPS.最后再向沉淀物中加入0.9%的生理盐水,充分混匀后60℃水浴1h,以4000r/ min的速度离心40min,收集的上清液即为TB-EPS.

1.3 测定方法

1.3.1 理化性质的测定 将风干的样品与去离子水混匀(干样:水=1:50;质量浓度),磁力搅拌30min后测定pH值(雷磁PHS-3C,上海)和电导率(雷磁DDS-307,上海).上述混合液稀释10倍后,使用0.45 µm薄滤膜抽滤,直接采用碳氮分析仪(耶拿MULTI N/C,德国)测定溶解性有机碳(DOC).将剩余混合液的DOC浓度稀释至同一水平后,采用荧光分光光度计(日立F-7100,日本)测定可溶性有机物的三维荧光(3D-EEM),其具体测定参数如下:PMT电压700V,激发波长(x)为220～450nm,发射波长(m)为220～ 500nm,狭缝宽度为5nm,扫描速度为12000nm/min.硝酸盐氮的含量采用紫外分光光度法进行测定(HJ/T 346-2007).具体理化测试参照黄魁等[12]方法进行.

1.3.2 多糖和蛋白质的测定 蛋白质采用Lowry法测定,以牛血清蛋白作为校准进行定量.多糖采用蒽酮法测定,以葡萄糖作为标准进行定量.具体测试参照Frølund等[13]方法进行.

1.4 统计方法

使用SPSS 26软件对样品的理化性质分别进行Spearman相关性及重复测量方差分析.使用Statistica 10.0软件对样品的理化性质在各组之间的差异进行单因素方差分析(One-way ANOVA).使用HemI 1.0软件绘制热图.使用MATLAB R2019b软件对3D-EEM图谱进行体积积分(FRI).在进行PARAFAC建模之前,先对3D-EEM数据进行预处理,包括去除一阶和二阶拉曼散射、拉曼单位标准化等.扫描同一批样品所使用的去离子水水样的拉曼单位(在350nm固定激发波长下所发射的390～410nm波长的拉曼信号的积分),通过将每个样品的3D-EEM除以该积分,使拉曼单位标准化,以减少每个样品中不同DOM浓度的影响.使用MATLAB R2019b软件和DOMFluor工具箱[14]构建PARAFAC模型,并采用拆半分析和随机初始化检验.最后采用Origin2021对分析结果进行绘制.

2 结果与讨论

2.1 蚯蚓对污泥理化性质变化的影响

电导率能够在一定程度上反映堆肥产物的矿化程度,一般认为电导率小于4.0mS/cm的腐熟堆肥产物安全可用[15].如图1(a)所示,第30d时蚯蚓堆肥产物和对照组产物中的电导率相比原污泥上升了249.17%和113.17%,且蚯蚓堆肥产物的电导率比对照产物显著增长了0.64倍(<0.05).重复测量方差分析表明2实验组呈现显著差异(<0.01).在堆肥过程中,2组中的电导率均呈上升趋势,且蚯蚓堆肥的上升速率更快,可能是蚯蚓与微生物的共同作用加速了污泥中有机物的矿化速率.

含水率会影响蚯蚓和微生物的正常生命活动,从而影响堆肥效率.且含水率30%以下的蚯蚓堆肥产物满足其作为土壤改良剂或有机肥料的标准[16].图1(b)可见,相较于原污泥,对照组和蚯蚓堆肥产物中的含水率在第20d时分别下降了9.03%和22.74%.实验结束时,蚯蚓堆肥产物的含水率相较于对照组降低了81.43%,且经重复测量方差分析,2实验组表现出显著性差异(<0.01).蚯蚓堆肥可造成污泥水分的快速损失,主要原因可能是由于蚯蚓的生命活动破坏了污泥EPS结构,释放出污泥EPS中包裹的自由水和部分结合水.

图1(c)显示,与原污泥相比,第30d时对照组和蚯蚓堆肥产物中的硝酸盐氮含量分别提升了1.72和2.48倍(<0.01),且蚯蚓堆肥产物比对照组产物显著增加了21.8%(<0.01),表明蚯蚓能够加速堆肥体中的硝化作用.吴颖等[17]研究发现蚯蚓堆肥可以显著增加堆肥体中氨氧化古菌和氨氧化细菌的数量.同时,蚯蚓活动可增加污泥和空气接触的比表面积,为硝化作用提供了良好的环境条件,从而加速污泥中有机物的降解速率.

图1 堆肥过程中理化性质的变化规律

如图1(d)所示,堆肥前10d,两组中污泥有机质含量均迅速下降.第10～20d内,对照组产物的有机质含量无变化,而蚯蚓堆肥产物的有机质含量比对照组显著(<0.05)下降了4.18%.但在第30d时,对照组和蚯蚓堆肥产物中有机质含量分别为266.7g/kg和268.4g/kg.

图1(e)结果显示,与原污泥相比,第20d时对照组和蚯蚓堆肥产物中水溶性总氮含量分别下降了27.21%和28.53%.在第30d时对照组比原污泥降低了41.13%,而蚯蚓堆肥产物显著(<0.05)增加了18.53%.在实验过程中,对照组中的含量一直呈下降趋势,但在蚯蚓组中呈现先下降后上升的趋势.经重复测量方差分析可知,添加蚯蚓可显著(<0.01)提高堆肥产物中水溶性总氮的含量.

对水溶性总磷而言,第20d时对照组产物的含量相比原污泥下降了6.67%,而蚯蚓堆肥产物仅下降了0.39%.第30d时对照组和蚯蚓堆肥产物相比原污泥分别下降了5.86%和10.92%.在堆肥期间对照组产物中的水溶性总磷含量呈现先上升后下降的趋势.蚯蚓堆肥产物中的含量在堆肥期间较为稳定,却在腐熟期间下降明显.总磷含量的增加可能是由于微生物不断分泌的有机酸和磷酸酶的活化导致有机磷的矿化速率增加[18].Busato等[19]认为磷能富集在蚯蚓堆肥产物当中,并且有着向可利用的形态转化的趋势,这可能是导致蚯蚓堆肥产物中总磷含量呈现此趋势的原因.

第20d时蚯蚓单体重量约为0.6g,蚯蚓数量约为583条.与投加时相比,蚯蚓体重增加了50%,堆肥期间蚯蚓生长情况良好.Rodrigo等[20]发现蚯蚓的体重在最初的15d内增加,在达到每条600mg之后(初始体重约为每条410mg)会将营养物质用于繁殖,这与本实验的研究结果一致,表明污泥蚯蚓堆肥期间蚯蚓的生长状况良好.

2.2 蚯蚓堆肥对DOC的含量及结构的影响

2.2.1 DOC含量及其结构的光谱分析 DOC是判断堆肥腐熟程度的重要标准之一,相关研究表明[21]堆肥产物当中的DOC含量低于4g/kg时即为腐熟.如图2所示,在第10d和第20d时蚯蚓堆肥产物比对照组分别下降了24.44%和40.89%,表明蚯蚓堆肥可促进污泥中DOC的矿化速率.这可能是由于蚯蚓的摄食、破碎等刺激作用促进了微生物量的增长,从而加快了微生物对有机质的分解利用,使蚯蚓堆肥产物的稳定化程度更好[22].但在第30d,对照组和蚯蚓堆肥产物中DOC含量基本一致,可能是由于腐熟期间蚯蚓堆肥中含水率急剧下降导致有机物降解速率降低.经重复测量方差分析显示两处理组之间在实验期间表现出显著性差异(<0.01).

为进一步揭示蚯蚓堆肥产物中不同阶段的DOC结构变化,将3D-EEM图谱划分为5个区域,并对各区域进行FRI分析.其中区域Ⅰ和Ⅱ分别代表酪氨酸和色氨酸等类芳香族类蛋白质,区域Ⅲ代表富里酸类物质,区域Ⅳ代表可溶性微生物副产物,区域Ⅴ代表腐殖酸类物质[23].如图2(b)、(c)所示,与原始污泥相比,蚯蚓粪和对照组产物中腐殖酸的含量分别增加了28.62%和32.24%,富里酸含量也分别增加了11.31%和1.08%.然而,蚯蚓粪中蛋白质的含量相比原始污泥下降了10.4%,而对照组仅下降了1.1%.以上结果表明蚯蚓能够促进污泥中蛋白质的降解,并将其转化为富里酸和腐殖酸,从而提高堆肥产物的芳香化和腐殖化程度.先前研究[24-25]发现,在有机物含量较高的基质堆肥过程中,蛋白类物质不断减少,而富里酸和腐殖酸物质呈现上升的趋势,这与本实验的研究结果一致.

2.2.2 3D-EEM平行因子分析 PARAFAC模型可以将给定三维荧光数据集分离为独立且不同的荧光组分,并且能够将残差最小化[26-28].如图3(a)～(c)所示,污泥及各层EPS结构中共鉴定出3种荧光组分:组分Ⅰ代表一种蛋白质,有着和类色氨酸相似的荧光[29];组分Ⅱ被认为具有类似腐殖质的荧光[30];组分Ⅲ是一种蛋白质,通常在人为影响因素较大的地区发现,也与木质素的分解有关[31].

如图3(d)～(f)所示,为3种荧光组分在不同堆肥阶段的变化规律.在前10d蚯蚓堆肥和对照组中产物的可溶性微生物副产物的荧光强度均从初始值下降至0,且在蚯蚓堆肥产物中的下降速率更快,该情况在组分Ⅲ的变化中也有发生,表明蚯蚓可以促进微生物活动对色氨酸等类蛋白质的强烈生物氧化作用[32].第20～30d期间,蚯蚓堆肥产物中组分Ⅲ的max下降程度明显高于对照组,表明蚯蚓可以促进堆肥过程中蛋白质等物质的矿化速率,这与理化性质的分析结果一致.在第10d至堆肥结束,蚯蚓堆肥产物中组分Ⅱ的max变化较小,一直维持在高于对照组的水平,证明其比对照组的腐殖化程度更高,且具有更好的腐熟效果.

图2 堆肥过程中DOC含量及三维荧光光谱区域体积百分比变化情况

2.3 蚯蚓堆肥对EPS结构的影响

2.3.1 EPS结构中蛋白质含量的变化 由图4可知,污泥中的蛋白质主要储存于污泥的TB-EPS中.前10d内,对照组和蚯蚓堆肥产物TB-EPS中的蛋白质分别显著下降了23.87%和32.21%(<0.01).且第30d时相比原始污泥,对照组产物和蚯蚓堆肥产物TB-EPS中的蛋白质含量分别下降了57.83%和59.72%.但在第20d,对照组产物的SEPS、LB-EPS和TB-EPS中蛋白质含量相比第10d分别增加了6471.28、107.24和1.21倍,而蚯蚓堆肥产物分别增加了1841.29、98.23和0.51倍.在堆肥前10d蚯蚓和微生物剧烈消耗蛋白质后,其含量的升高可能与EPS结构在逐渐恢复有关[33].蚯蚓堆肥产物的蛋白质含量的增加程度较少可能是由于蚯蚓破坏了污泥EPS结构,并且结合3D-EEM图谱的FRI分析结果,蚯蚓能够促进污泥中蛋白质的降解,从而导致EPS结构的恢复程度较低.在第30d时,相比第20d对照组产物各层EPS中的蛋白质含量分别下降了98.6%、79.8%和47.25%,蚯蚓堆肥产物分别下降了95.38%、93.04%和39.48%.在腐熟期间EPS各层中的蛋白质含量均呈现下降趋势.

2.3.2 EPS结构中多糖含量的变化 图5多糖含量发现,该成分主要储存于TB-EPS中.第0～10d期间,两组实验中污泥的TB-EPS中多糖含量呈现下降趋势,蚯蚓堆肥产物和对照组分别下降了33.33%和24.24%,多糖物质主要被TB-EPS紧密包裹的微生物消耗.在第10～20d,蚯蚓堆肥产物和对照组TB-EPS中的多糖含量相比第10d分别增加了9.1%和12%,且在此期间样品各层EPS中的多糖含量均有所增加.腐熟结束时,对照组和蚯蚓堆肥产物中TB-EPS的多糖含量相较于原污泥分别降低了38.6%和47.23%.第0～30d期间,对照组和蚯蚓堆肥产物的SEPS中的多糖含量分别增加了21倍和10倍,且LB-EPS中的多糖含量分别增加了9倍和7倍.

图4 EPS各层中蛋白质含量的变化

有研究发现,多糖的生成可为EPS结构提供一定的稳定性[34].结合图4c和图5c,观察到堆肥过程中两实验组TB-EPS中的蛋白质含量和多糖含量变化趋势相似.说明在第10～20d期间微生物在积极分泌蛋白质和多糖以恢复EPS结构,但蚯蚓促进污泥中蛋白质及多糖的分解[35],阻碍了EPS结构的恢复,导致第30d时蚯蚓堆肥产物中EPS各层中的蛋白质和多糖含量均低于对照组.

图5 EPS各层中多糖含量的变化

2.3.3 蚯蚓堆肥对EPS中DOC含量及结构的影响 由图6可见,污泥中的DOC和蛋白质及多糖的分布情况相似,同样主要分布于TB-EPS中.第30d时对照组产物中SEPS和LB-EPS的DOC含量对比原污泥分别增加了3.86、0.86倍,蚯蚓堆肥产物中分别增加了2.35、0.63倍.表明随着堆肥时间的不断增加,SEPS和LB-EPS中的DOC含量均呈现上升趋势,但蚯蚓堆肥中的上升速率较低.在第10d时,对照组和蚯蚓堆肥过程中TB-EPS的DOC含量分别下降了16.37%和25.15%.至堆肥结束时,对照组产物和蚯蚓堆肥产物中DOC含量相比原始污泥分别下降了36.75%和40.92%.而在第20d时TB-EPS层中DOC含量出现上升,对照组和蚯蚓堆肥产物中比第10d时分别上升了21.48%和7.97%.对比图4(c)、5(c)和图6(g)可发现在堆肥的整个过程中, TB-EPS中的蛋白质、多糖及DOC含量的变化趋势相似.

综合EPS各层蛋白质、多糖和DOC含量的变化趋势分析,在第0～10d期间,通过蚯蚓对微生物的刺激作用[22],其活性瞬间增加,加快了微生物对TB-EPS中DOC的利用,以及这部分DOC有着较快的矿化速率[36],导致了其含量的快速降低.这部分有机物主要由来自植物和微生物的多糖以及蛋白质、肽和氨基糖聚合物的多糖和寡糖组成[37],同时也是微生物可直接利用的碳源和氮源.在第10～20d期间3种成分在EPS各层均呈现上升趋势,但蚯蚓堆肥产物中的上升程度均低于对照组,可能是由于在此阶段微生物的活性最高.微生物在消耗大量的TB-EPS中的DOC后,开始通过EPS向外界捕获较易溶解的有机物和部分难降解的有机物以维持生命活动[36],导致TB-EPS中DOC含量有所上升.同时蚯蚓促进EPS结构中蛋白质和多糖的分解使EPS结构稳定性有所下降,TB-EPS所包裹的DOM从而出现迁移至SEPS和LB-EPS的现象.在堆肥的腐熟阶段,由于蚯蚓已经破坏了污泥的EPS结构,并且其恢复程度较低,导致DOC持续向外层EPS迁移.

图6 EPS各层中DOC含量及三维荧光光谱区域体积百分比变化情况

图6(b)、(e)、(h)和6(c)、(f)、(i)分别为对照组与蚯蚓堆肥产物EPS各层的3D-EEM区域体积百分比随时间的变化情况.相较于原始污泥,蚯蚓堆肥产物SEPS层中酪氨酸、富里酸和腐殖酸含量分别降低了8.22%、7.2%和9.6%.而色氨酸和可溶性微生物副产物分别增加了6.03%和4.63%.蚯蚓堆肥产物LB-EPS中酪氨酸和富里酸含量相比原始污泥分别降低了11.75%和4.84%,而色氨酸、可溶性微生物副产物和腐殖酸含量较原始污泥分别增加了6.15%、1.86%和31.81%.TB-EPS中酪氨酸和富里酸含量比原始污泥分别增加了8.95%和8.54%,色氨酸和腐殖酸的含量比原始污泥分别减少了5.18%和15.62%.

蚯蚓堆肥产物中TB-EPS及LB-EPS的色氨酸含量相比对照组分别减少7.69%和13.62%.同时其LB-EPS和SEPS中腐殖酸含量比对照组分别增加了25.1%和7.82%,表明微生物正在将蛋白质转化为腐殖酸.非腐殖质类物质(例如多糖、蛋白质等)会在蚯蚓堆肥的过程中转化为腐殖质,从而增加了堆肥产物的腐殖化和稳定化,这与Huang等[38]的研究结果一致.

2.3.4 EPS结构与污泥蚯蚓堆肥腐熟的关系 研究表明,电导率、DOC和硝酸盐氮含量均可反映污泥蚯蚓堆肥产物的腐熟程度[39].本研究采用Spearman相关系数检验确定蚯蚓堆肥进程和EPS结构变化的相关性.

如表(1),对照组产物SEPS层、LB-EPS和TB-EPS层中多糖含量与其有机质含量的相关系数分别为-0.958、-0.713和0.678(<0.05).对照组产物中的总DOC含量和SEPS层、LB-EPS与TB-EPS层中多糖含量的相关系数分别为-0.916、-0.762和0.643(<0.05).

如表1所示,蚯蚓堆肥产物中其中电导率和硝酸盐氮含量均与DOC含量呈现显著负相关(= -0.749、-0.769,<0.01),但电导率和硝酸盐氮含量呈现显著正相关(=0.958,<0.01).该结果表明本研究中电导率、DOC和硝酸盐氮含量均可以作为污泥蚯蚓堆肥腐熟度的关键指标.同时,蚯蚓堆肥产物的SEPS、LB-EPS中的DOC、蛋白质及多糖含量与其电导率都呈现显著正相关性,相关系数分别为0.848、0.650、0.788、0.770、0.767和0.827(<0.05). 其DOC含量同SEPS、LB-EPS和TB-EPS各层中的DOC含量及多糖含量呈显著相关性,相关系数分别为-0.877,-0.622,-0.762,-0.951, -0.853和0.783(<0.05).硝酸盐氮含量和SEPS、LB-EPS层中的DOC、蛋白质及多糖含量呈现出显著正相关,相关系数分别为0.888、0.643、0.741、0.769、0.727和0.839(<0.05).因此,上述相关性表明EPS各层结构中的DOC及多糖含量,和SEPS、LB-EPS中的蛋白质含量变化可以有效地表征蚯蚓促进堆肥稳定化和腐殖化的进程.

表1 对照组和蚯蚓堆肥产物的EPS结构与其理化性质参数的相关性分析

注:*<0.05, **<0.01.

研究结果显示,蚯蚓可通过调节基质特性和改变微生物活性,有效的促进有机物的降解[40].在本研究中.蚯蚓可以通过破坏污泥的EPS结构,释放其中包含的水和有机物,从而加速污泥的腐殖化和稳定化进程,所以污泥EPS的结构特征变化可有效地表征蚯蚓粪的稳定性和腐熟程度.

3 结论

3.1 蚯蚓堆肥能够促进污泥EPS结构中的蛋白质和多糖向腐殖质类物质的转化,从而提高堆肥产物的稳定化和腐殖化程度.

3.2 堆肥过程中,蚯蚓堆肥EPS结构中蛋白质和多糖的总量分别降低32.77%和31.54%,破坏了其稳定性,导致EPS结构中的DOM呈现由内向外迁移的趋势.

3.3 污泥蚯蚓堆肥产物EPS各层中的DOC和多糖含量,及SEPS、LB-EPS中的蛋白质含量变化可以有效地表征蚯蚓堆肥的稳定化和腐殖化进程(< 0.05).

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Changes in the structure of extracellular polymeric substances during sludge vermicomposting.

CHEN Jin1, XIE Jia-chen1, XU Jun-jie1, XIA Hui1*, HUANG Kui1,2

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Yellow River Water Environment in Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2022,42(11)：5188～5197

Extracellular polymer substance (EPS) is an important factor affecting the stabilization of excess sludge. To reveal the relationship between EPS characteristics of sludge and its decomposition of vermicomposting, this study investigated the effect of vermicomposting on structural changes of sludge EPS, by comparing with the control treatment without earthworms. The results showed that the electric conductivity and nitrate nitrogen content of vermicompost significantly increased by 0.64 and 0.22 fold, respectively, compared with control treatment (<0.05), suggesting that vermicomposting can significantly accelerate the mineralization rate of organic matter in sludge. In addition, total protein, and polysaccharide contents of EPS in each layer of vermicomposting decreased by 32.77% and 31.54% compared with control treatment, respectively. Fluorescence intensity of protein reduced more rapid in vermicompost than control, while humus of vermicompost remained at a higher level in later stages. Compared to control, the tryptophan contents in tightly-bound EPS (TB-EPS) and loosely-bound EPS (LB-EPS) in vermicompost decreased by 7.69% and 13.62%, respectively, while the humic acid content in LB-EPS and soluble EPS (SEPS) increased by 25.1% and 7.82%, respectively. The nitrate nitrogen content and electric conductivity during vermicomposting were significantly and positively correlated with DOC, protein, and polysaccharide contents in the structure of SEPS and LB-EPS (<0.05), and their total DOC contents was significantly correlated with DOC and polysaccharide contents in each layer of EPS (<0.05). However, only organic matter and DOC contents were significantly correlated with the polysaccharide contents of EPS layers in control during the experiment (<0.05). The study indicated that earthworms could destroy the EPS structure of sludge to promote the decomposition of organic matter, thus accelerating the humification and stabilization process of vermicomposting, and the change of EPS structure of sludge could be a key indicator to assess the degree of sludge vermicomposting.

vermicomposting；sludge recycling；maturity；extracellular polymer substance；vermicompost fertilizer

X705

A

1000-6923(2022)11-5188-10

陈 进(1998-),男,甘肃兰州人,兰州交通大学硕士研究生,主要研究方向为污泥资源化.发表论文2篇.

2022-04-14

国家自然科学基金项目(51868036;52000095);甘肃省青年博士基金项目(2021-QB051);甘肃省科技计划资助项目(20JR2RA002)

* 责任作者, 副教授, xiahui@mail.lzjtu.cn