隨著城市污水處理廠的污水處理量逐年增加，污泥產(chǎn)量亦隨之攀升，預(yù)計(jì)至2025年，我國剩余污泥年產(chǎn)量將達(dá)到9×107t(80%含水率)。污泥資源化利用已成為城市污水處理廠低碳發(fā)展的重要內(nèi)容。污泥中有機(jī)物含量約占總固體的50%~70%，主要為蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)等，且含有有機(jī)污染物和病原菌等。好氧發(fā)酵是一種常見污泥處理技術(shù)，通過微生物的代謝作用促進(jìn)有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生高質(zhì)量的腐熟產(chǎn)物，可在實(shí)現(xiàn)污泥的無害化處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥有機(jī)質(zhì)資源化利用。
污泥好氧發(fā)酵過程主要包括礦化過程和腐殖化過程，微生物可將基質(zhì)中不穩(wěn)定的有機(jī)化合物(例如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖酸(humicsubstances，HS)，包括富里酸(fulvicacids，FA)和胡敏酸(humicacids，HA)。腐殖化過程產(chǎn)生的腐殖質(zhì)具有促進(jìn)植物生長、減少植物病害并增加土壤固碳的作用。促進(jìn)腐殖化過程已然成為提升好氧發(fā)酵處理效果的重要手段。多酚-蛋白質(zhì)、多酚自縮合和木質(zhì)素蛋白質(zhì)理論等多種途徑被用于描述自然界的腐殖化過程，而上述途徑可能并存于好氧發(fā)酵過程。已有研究指出，腐殖酸前體物的形成和聚合受污泥和園林廢棄物進(jìn)料比例的影響(如蛋白質(zhì)和纖維素等)。同時(shí)，提高原料中污泥比例亦可提升養(yǎng)分含量，從而強(qiáng)化菌群之間的相互作用，進(jìn)而加速礦化和腐殖化過程。好氧發(fā)酵過程中的有機(jī)物礦化過程主要以產(chǎn)熱為主，而高溫會(huì)促進(jìn)難降解有機(jī)質(zhì)(如纖維素等)的分解為腐殖化過程提供前體物。蛋白質(zhì)作為污泥好氧發(fā)酵升溫及高溫階段的主要產(chǎn)熱來源，研究其分解調(diào)控策略對延長高溫持續(xù)時(shí)間以強(qiáng)化腐殖化過程具有重要意義。
本研究旨在闡明污泥好氧發(fā)酵過程中升溫階段的蛋白質(zhì)分解特性，分析蛋白質(zhì)分解對好氧發(fā)酵升溫過程的貢獻(xiàn)，并探討污泥在好氧發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)分解調(diào)控策略；通過全周期試驗(yàn)探究調(diào)控前后污泥好氧發(fā)酵過程中理化性質(zhì)、腐殖化過程及微生物群落的變化差異，為污泥好氧發(fā)酵技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論支撐。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
試驗(yàn)污泥取自西安市某污水處理廠的脫水污泥(由剩余污泥和初沉污泥組成)。木屑采購于某木材加工廠，粒徑小于5mm，作為污泥好氧發(fā)酵的調(diào)理劑，用于調(diào)節(jié)堆體的含水率和碳氮比(C/N)。腐熟堆肥作為微生物返混料，取自陜西省漢中市某污水處理廠，包含酵母菌、乳酸菌等。原料的基本理化性質(zhì)見表1。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
污泥好氧發(fā)酵裝置主要由好氧發(fā)酵箱、控溫裝置和曝氣系統(tǒng)組成(圖1)。好氧發(fā)酵箱是由不銹鋼制成的正方體加蓋箱體，且設(shè)有進(jìn)出氣孔，有效容積為27L；控溫裝置為恒溫培養(yǎng)箱，可通過調(diào)節(jié)恒溫培養(yǎng)箱溫度改變好氧發(fā)酵箱外部環(huán)境溫度；曝氣裝置由氣體流量計(jì)和曝氣泵組成，通過好氧發(fā)酵箱底部布?xì)獍鍖?shí)現(xiàn)均勻曝氣；出氣管連接臭氣處理裝置。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
本試驗(yàn)分為2部分：第一部分為探究升溫階段不同溫度條件對蛋白質(zhì)分解的影響而進(jìn)行的批次實(shí)驗(yàn)。按照10∶3∶3的濕基比例(參照陜西環(huán)保集團(tuán)有機(jī)固廢處置中心的污泥好氧發(fā)酵工程運(yùn)行參數(shù))將污泥、木屑和腐熟堆肥混合均勻，初始含水率為60%~65%，曝氣量為1.5L·min−1，總質(zhì)量為8kg。為得到不同溫度條件下的蛋白質(zhì)降解速率，通過調(diào)控環(huán)境溫度形成不同的升溫曲線，據(jù)此分為A~D，4組實(shí)驗(yàn)(A組的環(huán)境溫度與堆體溫度相差0~2℃；B組的環(huán)境溫度比堆體溫度低2~4℃；C組的環(huán)境溫度比堆體溫度低4~6℃；D組的環(huán)境溫度比堆體溫度低6~8℃)。第二部分為探究調(diào)控后的條件對好氧發(fā)酵過程的影響而進(jìn)行的全周期試驗(yàn)。將污泥、木屑和腐熟堆肥以初始濕基比例10∶3∶3混合均勻后作為對照組，經(jīng)第一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的濕基比例13∶3∶3作為調(diào)控組�？傎|(zhì)量為8kg，曝氣量為1.5L·min−1，調(diào)整環(huán)境溫度比堆體溫度低1.5℃。堆體溫度≥70℃時(shí)或每隔3d翻堆1次，好氧發(fā)酵時(shí)間共計(jì)35d。翻堆完成后在堆體頂部、中部和底部取樣并混合均勻。
1.4 分析方法
溫度采用電子溫度計(jì)于每天上午、下午和晚上記錄3次，取平均值；含水率和有機(jī)質(zhì)含量測定采用重量法(CJ/T221-2005)；將鮮樣與去離子水按1∶10進(jìn)行混合，放入25℃水浴搖床180r·min−1振蕩2h，過0.45μm濾膜，使用pH計(jì)(PHS-3C，上海精科儀器有限公司)測定pH值；蛋白質(zhì)采用改良Lowry法測定；總有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定(HJ615-2011)；總氮用硫酸-過氧化氫消解，取部分消解液稀釋后用凱氏定氮儀滴定。
積溫T：堆體的累計(jì)溫度可作為判定好氧發(fā)酵穩(wěn)定化的指標(biāo)。積溫方程如式(1)所示。
式中：Ti為i時(shí)刻的堆體溫度，℃；T0為好氧發(fā)酵微生物大量繁殖時(shí)的起始溫度，參考陳同斌等研究取值15℃；Δt為單位時(shí)間，h。
腐殖質(zhì)的提取和測定：取風(fēng)干粉碎過100目篩的樣品1g，加入0.1mol·L−1NaOH和0.1mol·L−1Na2P2O7的混合液(1∶1，v/v)30mL攪拌均勻，在70℃恒溫水浴振蕩器上提取1h，3500r·min−1離心15min，用0.45μm濾膜過濾，重復(fù)多次至上清液無色，將濾液混合后即為腐殖酸溶液。吸取部分腐殖酸溶液，用0.5mol·L−1的H2SO4溶液將其pH調(diào)至1.0~1.5，靜置過夜，次日在10000r·min−1條件下離心10min，上清液即為富里酸。用0.05mol·L−1的NaOH將沉淀溶解后即為胡敏酸。腐殖酸、胡敏酸和富里酸含量通過重鉻酸鉀氧化-分光光度法進(jìn)行測定。
細(xì)菌群落分析：污泥好氧發(fā)酵樣品按照E.Z.N.A.®soilDNAKit(MJYH，上海美吉逾華生物醫(yī)藥科技有限公司)說明書抽提DNA，然后對16S的V3-V4區(qū)域(引物序列338F：5'-ACTCCTAGGGGAGGCAGCAG-3'和806R：5'-GGACTACHVGGGTWTATAAT-3')進(jìn)行PCR擴(kuò)增，利用IlluminaPE250平臺(tái)進(jìn)行測序，在美吉生物云平臺(tái)進(jìn)行分析。
2、結(jié)果與討論
2.1 升溫階段的溫度和蛋白質(zhì)含量變化
好氧發(fā)酵過程中，維持適宜的溫度對于增強(qiáng)微生物活性和提高有機(jī)質(zhì)降解速率至關(guān)重要。在不同的環(huán)境溫度條件下4個(gè)處理組的升溫曲線具有明顯差異(如圖2(a))。從環(huán)境溫度和堆體溫度變化曲線可以看出，A、B、C、D，4個(gè)實(shí)驗(yàn)組升溫階段持續(xù)時(shí)間(堆體溫度上升至50℃所需的時(shí)間)分別為27.0、40.0、10.5、69.5h。從環(huán)境溫度和堆體溫度變化曲線可以看出，B和D組升溫階段持續(xù)時(shí)間較長，主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度明顯要低于其他兩組。總蛋白質(zhì)的含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(圖2(b))。升溫階段的蛋白質(zhì)降解率隨升溫階段持續(xù)時(shí)間的延長而增加，分別為12.31%、36.52%、23.53%和66.06%。D組的蛋白質(zhì)降解率最高，可能是其初始蛋白質(zhì)濃度較高，具有較高的初始降解速率。這與WANG等的研究一致，即可溶性底物的初始濃度較高可能導(dǎo)致更快的降解速率。
2.2 升溫階段數(shù)據(jù)擬合分析
目前，對好氧發(fā)酵中有機(jī)質(zhì)降解進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的動(dòng)力學(xué)模型主要有：一階動(dòng)力學(xué)模型、Monod模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。其中，一級�?dòng)力學(xué)模型建立需要的參數(shù)較少，模型求解簡單，擬合分析效果相對較好。通過對升溫階段的總蛋白質(zhì)濃度變化進(jìn)行分析得出，升溫階段的可降解蛋白質(zhì)濃度與升溫階段持續(xù)時(shí)間和初始蛋白質(zhì)濃度呈線性關(guān)系(式(2))，對3者進(jìn)行線性擬合得出k=0.0168(R2=0.912)。
式中：C為可降解蛋白質(zhì)濃度，mg·g−1干物質(zhì)；t為升溫階段持續(xù)時(shí)間(T<50℃)，h；C0為初始蛋白質(zhì)濃度，mg·g−1干物質(zhì)。
根據(jù)一階動(dòng)力學(xué)方程可計(jì)算得到升溫階段的可降解蛋白質(zhì)含量變化(式(3))。
式中：C為污泥好氧發(fā)酵t時(shí)刻的可降解蛋白質(zhì)濃度，g·g−1干物質(zhì)；k為降解速率常數(shù)，h−1；kT為溫度對可降解蛋白質(zhì)降解速率的修正系數(shù)。
反應(yīng)速率受到溫度、含水率和pH等條件的影響，其中溫度對反應(yīng)速率的影響最為顯著，而在升溫階段中含水率和pH等條件變化不大。因此，本研究將溫度作為反應(yīng)速率的主要影響因素，溫度對可降解蛋白質(zhì)降解速率的修正系數(shù)kT由式(4)計(jì)算。
式中：x為溫度系數(shù)；T為堆體溫度。
將式(4)帶入到式(3)中，并選取批次實(shí)驗(yàn)中得到的可降解蛋白質(zhì)濃度及對應(yīng)的時(shí)間(圖3)，帶入公式中用Matlab進(jìn)行擬合得出降解速率常數(shù)k為0.1114，溫度系數(shù)x為0.9530。在已有研究中，很少有關(guān)于好氧發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，但大多數(shù)關(guān)于有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)的研究均表明有機(jī)質(zhì)的降解遵循一階動(dòng)力學(xué)。有機(jī)質(zhì)可以簡單的分為可降解部分和不可降解部分。例如，TREMIER等的好氧發(fā)酵模型將基質(zhì)分為可直接生物降解、可水解和惰性部分。還有研究提出了更為復(fù)雜的分類方法，如將基質(zhì)分成碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素，有時(shí)還分成特定的化學(xué)種類，以及以生物或化學(xué)需氧量分類。因此，在此基礎(chǔ)上可以假設(shè)蛋白質(zhì)的降解是符合一階動(dòng)力學(xué)的。本研究中的數(shù)據(jù)擬合與輔料、污泥品質(zhì)及實(shí)驗(yàn)條件等影響因素有關(guān)。
污泥好氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量平衡可以表達(dá)為Q積累=Q輸入-Q輸出+Q產(chǎn)生，上述方程是好氧發(fā)酵過程能量平衡模擬的理論基礎(chǔ)。本研究的熱量平衡計(jì)算基于可降解蛋白質(zhì)含量的變化，考慮到蛋白質(zhì)分解并不是完全氧化的過程，所以對熱量平衡方程進(jìn)行一定的修正。在此基礎(chǔ)上建立的好氧發(fā)酵熱量平衡擬合分析公式見式(5)和式(6)。
式中：m為堆體質(zhì)量，kg；c堆體為堆體的比熱容，kJ·(kg·℃)−1；Qi為堆體殘留熱量，kJ；G為進(jìn)出口空氣流量，kg·h−1；c空氣為空氣比熱容，kJ·(kg·℃)−1，取1.0044；H為蛋白質(zhì)降解產(chǎn)熱量，kJ·kg−1，取20458.5；a為熱量輸入修正系數(shù)；b為熱量輸出修正系數(shù)；c為蛋白質(zhì)降解產(chǎn)熱修正系數(shù)。
通過Nash-Sutcliffe系數(shù)(nash-sutcliffeefficiency，NSE)對數(shù)據(jù)擬合分析結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行表征，當(dāng)a、b和c分別取0.15、11和0.2時(shí)，升溫曲線和可降解蛋白質(zhì)的試驗(yàn)值與擬合效果吻合最優(yōu)(圖3(a)和3(b)所示)。4組實(shí)驗(yàn)的溫度曲線擬合結(jié)果的NSE值為0.19~0.82；可降解蛋白質(zhì)擬合結(jié)果的NSE值0.72~0.92。擬合結(jié)果的NSE值均大于0，因此認(rèn)為擬合結(jié)果準(zhǔn)確度可信。
2.3 不同條件下的升溫速率及蛋白質(zhì)殘留率變化
在污泥好氧發(fā)酵過程中，升溫階段的蛋白質(zhì)等易降解有機(jī)物分解產(chǎn)生熱量使堆體升溫進(jìn)入到高溫階段。而腐殖質(zhì)的形成則需要好氧發(fā)酵過程不同階段的有機(jī)物分解產(chǎn)物作為前體物質(zhì)，所以在升溫階段結(jié)束時(shí)較高的有機(jī)質(zhì)殘留會(huì)促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成。
基于好氧發(fā)酵升溫階段的可降解蛋白質(zhì)降解情況和熱量平衡的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果對不同的可降解蛋白質(zhì)濃度(0.030~0.046g·g−1干物質(zhì))和不同的散熱條件(調(diào)整環(huán)境溫度比堆體的溫度低0.5~3.0℃)進(jìn)行計(jì)算，得出升溫階段不同條件下的升溫速率及蛋白質(zhì)殘留率，如圖4(a)和4(b)所示。升溫速率和蛋白質(zhì)殘留率均與溫差呈負(fù)相關(guān)，與可降解蛋白質(zhì)濃度呈正相關(guān)。好氧發(fā)酵初期，污泥中的初始蛋白質(zhì)含量的升高會(huì)為堆體提供更多的熱量，將有利于提高升溫速率，進(jìn)而縮短升溫階段的持續(xù)時(shí)間。為縮短升溫階段時(shí)間，可通過改變污泥質(zhì)量占比達(dá)到增加蛋白質(zhì)濃度的目的，但同時(shí)也需要考慮含水率(60%~70%)、碳氮比(20~30∶1)等影響因素。MASON等探究了小試規(guī)模升溫調(diào)控反應(yīng)器堆肥、恒溫調(diào)控的反應(yīng)器堆肥與自然堆肥的差異，反應(yīng)器式堆肥存在散熱量大的問題，與實(shí)際工程堆肥存在較大差異，為更好的模擬好氧發(fā)酵工藝，可采用升溫調(diào)控的方式，通常采用溫差為1~2℃的條件。含水率高于70%會(huì)形成厭氧環(huán)境，不利于好氧發(fā)酵過程的進(jìn)行。因此，后續(xù)研究將采用環(huán)境溫度比堆體溫度低1.5℃的溫度條件、污泥質(zhì)量占比為68%(含水率70%左右)的條件進(jìn)行全周期試驗(yàn)。
2.4 理化性質(zhì)的變化
全周期好氧發(fā)酵過程中理化性質(zhì)的變化如圖5所示。溫度能夠反映出好氧發(fā)酵過程中的微生物活性，同樣也可作為判斷堆體是否滿足無害化標(biāo)準(zhǔn)的間接指標(biāo)。由圖5(a)可知，對照組和調(diào)控組的溫度均在第2d達(dá)到峰值，分別為60.15和65.15℃，高溫階段(≥50℃)分別持續(xù)6和10d，滿足無害化標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，污泥質(zhì)量占比的增加提供了更多的易降解有機(jī)物，這是調(diào)控組升溫速度快、高溫持續(xù)時(shí)間長的主要原因。以15℃對2組的有效積溫進(jìn)行計(jì)算，對照組的有效積溫為1.77×104℃·h，調(diào)控組的有效積溫為2.03×104℃·h，調(diào)控組的積溫相較對照組高出14.39%，表明適當(dāng)?shù)恼{(diào)控污泥質(zhì)量占比可縮短污泥好氧發(fā)酵周期。
含水率會(huì)影響氧氣的傳遞和微生物的活性，同時(shí)可以調(diào)控堆體溫度，是影響污泥好氧發(fā)酵過程的主要因素之一。對照組和調(diào)控組的初始含水率分別為63.43%和69.05%(圖5(b))。較高含水率有利于小分子有機(jī)物于好氧發(fā)酵體系內(nèi)傳遞，促進(jìn)微生物對有機(jī)物的利用，從而促進(jìn)污泥好氧發(fā)酵過程。由于堆體溫度的變化各組含水率均呈現(xiàn)下降趨勢。在經(jīng)過35d的好氧發(fā)酵后，對照組和調(diào)控組的含水率分別為47.36%和45.89%，水分去除率分別為25.34%和33.54%。調(diào)控組的水分去除率高于對照組，說明適當(dāng)提高污泥質(zhì)量占比所帶來的熱量可促進(jìn)堆體的減量化效果。
2個(gè)處理組的pH值變化規(guī)律基本一致(圖5(c))。在好氧發(fā)酵初期，小分子有機(jī)酸積累導(dǎo)致pH值有所下降。進(jìn)入高溫階段后，2組的pH值均快速增加至8.5以上，呈弱堿性，這主要是由于此階段中大量含氮有機(jī)物分解導(dǎo)致的。值得注意的是高溫和高pH值的環(huán)境會(huì)促進(jìn)NH4+-N以氨氣的形式散逸至大氣中，造成環(huán)境污染。隨著氨氣的揮發(fā)及硝化作用的加強(qiáng)，兩組的pH值逐漸下降至7.5左右。在整個(gè)好氧發(fā)酵過程中，調(diào)控組的pH值略高于對照組，這可能緣于污泥質(zhì)量占比變化造成調(diào)控組中由含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的NH4+-N增加。
2.5 腐殖化效果分析
腐殖化過程反映了微生物分解代謝和合成代謝之間的平衡，這主要受到污泥好氧發(fā)酵的環(huán)境和前體物的影響。HS和HA濃度在好氧發(fā)酵初期有明顯的下降趨勢，然后逐漸升高(圖6(a)和6(b))，而FA呈下降趨勢(圖6(c))。污泥中有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為HS前體物，形成不穩(wěn)定的HS，而在高溫階段不穩(wěn)定的HS可在部分微生物的代謝作用下被分解。在進(jìn)入降溫及腐熟階段后，2組的HS含量逐漸上升且調(diào)控組的HS含量明顯高于對照組，最終調(diào)控組的HS含量高出對照組8.76%。
經(jīng)過35d的好氧發(fā)酵后，對照組和調(diào)控組中HA濃度分別由24.69和23.24g·kg−1增加到28.88和36.56g·kg−1，相比于初始值上升16.97%和57.31%。調(diào)控組的HA含量要高出對照組26.59%，這可能是調(diào)控組中污泥含量較高，而污泥所含蛋白質(zhì)等有機(jī)物可為HA形成提供前體物所致，這與ZHANG等的研究結(jié)果一致。與HA相比，FA作為不穩(wěn)定的腐殖質(zhì)組分，可被微生物直接利用。在好氧發(fā)酵過程中，腐殖質(zhì)會(huì)向更穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，且有研究表明FA可以聚合成更穩(wěn)定的HA。對照組和調(diào)控組的FA濃度分別下降7.05%和21.53%，這可能是因?yàn)槲勰噘|(zhì)量占比的改變延長了高溫持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)了纖維素等難降解物質(zhì)的分解，進(jìn)而促進(jìn)了FA向HA的轉(zhuǎn)化。HA/FA可反映堆體的腐殖化程度，結(jié)果見圖6(d)。對照組和調(diào)控組的HA/FA分別由初始的0.56和0.49上升至0.7和0.97。在第35d時(shí)，調(diào)控組的HA/FA比值要比對照組高出38.57%，表明調(diào)控組的腐殖化效果明顯優(yōu)于對照組。綜上所述，提高污泥質(zhì)量占比以調(diào)控好氧發(fā)酵升溫階段蛋白質(zhì)降解可以促進(jìn)腐殖化過程，同時(shí)有利于有機(jī)碳的穩(wěn)定化。
2.6 細(xì)菌群落的變化
采用PCoA方法分析了污泥好氧發(fā)酵過程中門水平中細(xì)菌群落的差異性(圖7)。PCoA的PC1和PC2軸分別解釋了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的55.61%和23.13%。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)從開始階段(第0d)到高溫階段(第3d)，再到腐熟階段(35d)差異顯著。此外，污泥質(zhì)量占比的改變也顯著影響細(xì)菌群落的演替，從而影響好氧發(fā)酵性能。
在門的水平上對細(xì)菌群落組成進(jìn)一步分析表明，優(yōu)勢菌門分別為Firmicutes、Actinobacteriota、Chloroflexi、Proteobacteria、Planctomycetes、Bacteroidota、Gemmatimon-adota、Acidobacteriota及Patescibacteria，相對豐度總和達(dá)到80%以上(圖7)。隨著溫度的升高，Firmicutes和Actinobacteriota的相對豐度總和達(dá)到75%以上，這是由于它們具有較強(qiáng)的耐熱性，并且它們能夠?qū)⒛举|(zhì)纖維素等難降解物質(zhì)分解為生成HA的前體物，從而促進(jìn)腐殖化過程。此外，有研究表明Actinobacteriota的菌絲能夠破壞細(xì)胞壁的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。Bacteroidota和Proteobacteria可將大分子化合物(如纖維素)分解為小分子前體物，從而促進(jìn)腐殖化過程，但因其對抑制生命活動(dòng)的溫度較為敏感，所以其相對豐度呈現(xiàn)先下降而后上升的趨勢。在污泥好氧發(fā)酵后期，調(diào)控組中Bacteroidota和Proteobacteria的相對豐度相對于對照組有明顯，分別由2.13%和4.60%增加至8.67%和18.02%。因此，兩個(gè)處理組的腐殖酸含量在好氧發(fā)酵后期都有所回升，且調(diào)控組的腐殖酸含量上升幅度更大。
在屬水平上，相對豐度前20的細(xì)菌變化如圖8所示。在好氧發(fā)酵初期，對照組和調(diào)控組主要菌屬均為norank_c_KD4-96、Propioniciclava、Microtrichales和Saprospiraceae，并無明顯差異，但是由于原料占比的改變導(dǎo)致相對豐度有所不同。在進(jìn)入高溫階段后(第3d)，Brevibacillus、Thermobispora、Bacillus和Symbiobacterium相對豐度增高，相對豐度總和到達(dá)40%以上。對照組中Brevibacillus的相對豐度逐漸增加，可能是因?yàn)樵摥h(huán)境中有機(jī)質(zhì)含量高有利于它的生長。而調(diào)控組因高溫階段的延長使得有機(jī)質(zhì)減少，導(dǎo)致Brevibacillus的生長受限，因此其相對豐度下降。Bacillus可在高溫環(huán)境下有效地降解木質(zhì)纖維素，而調(diào)控組高溫時(shí)間的延長會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)其對木質(zhì)纖維素的降解。隨著好氧發(fā)酵的進(jìn)行，對照組和調(diào)控組的Bacillus的相對豐度均呈現(xiàn)增加趨勢，有利于污泥好氧發(fā)酵的穩(wěn)定化。Ureibacillus可利用可溶性有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生胞外水解酶，分解纖維素等難降解有機(jī)物為腐殖化過程提供前體物。在第35d，Ureibacillus在調(diào)控組中相對豐度為4.43%，而在對照組中僅為1.14%，說明污泥質(zhì)量占比的增加可能利于Ureibacillus的生長。污泥質(zhì)量占比的增加不僅延長高溫的持續(xù)時(shí)間，還使Bacillus等菌屬的活性增強(qiáng)，從而加強(qiáng)好氧發(fā)酵后期的腐殖化過程。
基于腐熟度指標(biāo)及屬水平的細(xì)菌群落進(jìn)行了RDA分析，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，RDA前2個(gè)排序軸可以解釋細(xì)菌群落信息的79.94%。在環(huán)境因子中，含水率、pH、T、HA及FA對堆體中細(xì)菌的群落組成影響較大，其中T和pH對細(xì)菌群落相關(guān)性最高。根據(jù)堆體的環(huán)境因子、腐熟指標(biāo)及細(xì)菌群落的分散情況可知：Symbiobacterium、Ureibacillus和Thermobispora與T、pH相關(guān)性較強(qiáng)，norank_c_KD4-96與含水率相關(guān)性較強(qiáng)，Saprospiraceae與FA相關(guān)性較強(qiáng)，Niabella、Roseiflexaceae與HA相關(guān)性較強(qiáng)。對照組和調(diào)控組可分為3個(gè)階段，在升溫階段與Saprospiraceae等相關(guān)性較強(qiáng)；調(diào)控組和對照組在高溫階段的菌群相似度較高與Symbiobacterium和Thermobispora等嗜熱菌相關(guān)性較強(qiáng)；調(diào)控組在腐熟階段Niabella等及HA相關(guān)度較高。RDA分析進(jìn)一步說明，本試驗(yàn)中污泥好氧發(fā)酵過程中群落演替存在不同階段，升溫階段Saprospiraceae等會(huì)促進(jìn)易降解有機(jī)物分解，有利與堆體快速升溫；高溫階段Symbiobacterium和Thermobispora會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的降解；腐熟階段Niabella等會(huì)對難降解有機(jī)物進(jìn)行分解，促進(jìn)FA向HA的轉(zhuǎn)化。調(diào)控組在好氧發(fā)酵前期提高了蛋白質(zhì)等有機(jī)物的含量，堆體快速升溫，從而延長了高溫持續(xù)時(shí)間，同時(shí)促進(jìn)了高溫階段至腐熟階段的過度及相應(yīng)菌群的演替。
3、結(jié)論
1)對污泥好氧發(fā)酵升溫階段蛋白質(zhì)降解特性進(jìn)行分析，升溫階段污泥中的可降解蛋白質(zhì)含量可通過初始蛋白質(zhì)濃度和升溫階段持續(xù)時(shí)間進(jìn)行擬合分析。將污泥質(zhì)量占比從62%調(diào)整至68%來增加初始蛋白質(zhì)的含量，以縮短升溫階段所需時(shí)間和和提高蛋白質(zhì)殘留率。
2)全周期試驗(yàn)表明，通過對升溫階段蛋白質(zhì)降解進(jìn)行調(diào)控，有效積溫高于對照組14.39%，好氧發(fā)酵結(jié)束時(shí)調(diào)控組的HA含量相較于初始含量提高了57.31%，高出對照組26.59%，腐殖質(zhì)聚合程度(HA/FA)比對照組提高38.57%。提高初始蛋白質(zhì)含量可以縮短污泥好氧發(fā)酵周期，促進(jìn)腐殖化過程且有利于有機(jī)碳的穩(wěn)定化。
3)通過對污泥好氧發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)降解進(jìn)行調(diào)控，污泥質(zhì)量占比的改變有利于好氧發(fā)酵后期富集Bacteroidota和Proteobacteria等具有纖維素降解功能的細(xì)菌，其相對豐度相較于對照組提升了3倍，促進(jìn)了HA的合成，提高腐殖化程度。高溫階段的延長有利于Bacillus等嗜熱菌群，加速對纖維素的分解，進(jìn)而促進(jìn)腐熟細(xì)菌的生長和腐殖酸的生成。（來源：東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，承德市環(huán)�？萍及l(fā)展中心）
