基于强化污泥堆肥系统生物同化固氮作用的碳、氮代谢互作机制研究

Nitrogen loss is a major problem in the present domestic and foreign sewage sludge treatment. Nitrogen loss as ammonia emission is 40% of the initial nitrogen, leading to environmental pollution and decrease in value of composting product. According to previous results, the nitrogen loss could be significantly reduced by adding carbon source to promote nitrogen fixation and assimilation. However, the mechanism of the effect of carbon source on carbon and nitrogen metabolism was still unclear. This makes it impossible to clarify the mechanism of nitrogen-conserving by adding carbon source. In addition, the higher costs of pure carbon compounds have limited this technology wide application. In this study, chemical analysis method and biological isolation culture have been used to investigate the effect of carbon source on the bio-degradation of carbon and nitrogen during composting process; The interaction of carbon and nitrogen metabolism revealed the effect mechanism of carbon source on biological nitrogen fixation and assimilation, clearly definite the response relation between composting running parameters and biological nitrogen fixation and assimilation, obtain the fundamental cause of existing differences in composting maturity with different carbon sources as additives. At the same time, the feasibility of substitute material for carbon source to reduce cost was evaluated. The above results can provide theoretical bases and technical support for the application of carbon strengthening technology.

污泥堆肥过程氮素损失问题是目前堆肥技术领域亟待解决的主要问题之一。堆肥过程中平均40%以上的氮素损失直接影响堆肥产品肥效及空气质量。根据已有研究成果，通过投加碳源，强化生物同化固氮作用可减少污泥堆肥过程中的氮素损失，但碳源强化对堆肥系统碳、氮代谢的影响机制目前尚不清楚，致使无法阐明碳源强化技术的保氮机理；此外，相对较高的碳源投加成本也限制了该技术的推广应用。本项目通过化学分析方法和生物分离培养技术，结合酶学分析技术以及光谱学分析方法，研究碳源投加对污泥堆肥系统碳、氮转化过程的影响，揭示碳源强化对生物同化固氮作用的影响机制，明确常规堆肥工艺参数与碳源强化生物同化固氮作用效果之间响应关系，获得不同碳源强化条件下，堆肥物料腐熟进程存在差异的根本原因；同时系统评估碳源替代材料降低投加成本的可行性，进而为碳源强化生物同化固氮技术的应用提供可靠的理论依据与技术支持。

污泥堆肥过程中普遍存在氮素损失的问题，以往研究中提出加入富含碳源的材料提高物料的碳氮比可降低氨气挥发，即微生物对碳源的代谢会影响到氮素的代谢，但这二者之间究竟有何关系尚不明确。本研究以惰性颗粒填料代替部分木屑作为堆肥调理剂，分析了不同碳源投加条件下污泥堆肥底物中碳素和氮素的代谢特征，将传统培养技术和高通量测序技术相结合，从微生态学角度分析了碳氮代谢微生物数量和种群结构变化；通过二氧化碳和氨气挥发速率阐明了碳氮代谢之间的响应机制，并探讨了餐厨垃圾作为碳源替代材料的可行性。实验结果表明：易降解碳源的投加使热水溶性组分所占的比例由对照组的16.9%分别增加至20.6 %和20.5 %，促进了脂类和纤维素类组分的降解；不同处理组中NH4+-N的损失分别为41.6%，18.7%和17.7%，即添加蔗糖和葡萄糖明显降低了NH4+-N在堆肥高温期中的损失，提高了NO3⁻-N的含量，蔗糖组和葡萄糖组的累积氨气挥发量由对照试验的1201.5mg减少至850.6 mg、1087.6 mg。葡萄糖投加使细菌数量提高了两个数量级，蔗糖投加条件下，高温期氨同化菌数量比对照组增加了22.6%；由高通量测序结果可知，碳源加入明显增加了高温期堆肥微生物细菌菌群的丰富度，所有样品的COG功能组成较为相似，易降解碳源的添加增加了堆肥高温期蛋白转录功能微生物的相对丰度。当二氧化碳挥发速率峰值出现的时间与氨气挥发最大值出现时间相吻合时，该碳源对氨同化微生物才能发挥作用，进而获得较为理想的固氮效果。以蔗糖作为碳源强化物质，当其投加量3.5%，投加时间为高温期前期（168小时）时，其氮素损失控制效果最为理想。虽然餐厨垃圾作为碳源替代材料提高了堆肥样品的动态耗氧速率，但餐厨垃圾中所含有的脂类和蛋白类物质比例较大，因此其固氮效果并不理想。通过以上结果可知，只有在氨气挥发的高峰期能够被微生物降解利用的碳源才能起到强化氨同化作用的目的，这将为氮素损失固定中碳源的筛选提供理论依据。