消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的研究

论文摘要

本研究采用强制通风堆肥工艺,对消化污泥和玉米秸秆进行堆肥处理。分别研究了在不同的初始C/N比、不同的通风量和低温环境条件下,堆肥过程中物理、化学及生物学指标的变化规律,以及堆肥过程中微生物种群结构的演替变化。在不同初始C/N比下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及生物学指标的研究中,设置3个堆体,初始C/N比分别为25、20和14。结果表明,3个堆体均可以实现顺利升温,并分别在55℃以上维持12d、16d和5d,满足我国《粪便无害化卫生标准》（GB7959-87）中规定的50～55℃以上维持5～7d的要求。堆肥过程中,总有机碳、C/N比和含水率下降明显,NO3--N、阳离子交换量逐渐升高,pH、NH4+-N、电导率呈先增加后降低的趋势,堆肥结束时,3个堆体的种子发芽指数分别为97%、96%和69%。红外光谱图反映了堆肥过程中脂肪族成分减少,芳香族成分增加的变化。研究中采用PCR-DGGE结合基因测序技术分析不同初始C/N比堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的演替变化,堆肥过程中随着堆体温度的变化,3个堆体内微生物群落结构均发生了复杂演替变化,但Clostridium sp.9B4、Clostridium sp.6-44和Bacillales bacterium P371在3个堆体的堆肥过程中始终存在。与3号堆体相比1号和2号堆体在堆肥过程中一直保持着较好的微生物种群多样性。在不同通风量下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及生物学指标的研究中,分别采用50L/min、100L/min和150L/min的通风量进行实验,初始C/N比均为20。结果表明,3个堆体均可以实现迅速升温,并在55℃以上分别维持12d、14d和10d。堆肥过程中,总有机碳、C/N比和含水率下降明显,NO3--N、阳离子交换量逐渐升高,pH、NH4+-N、电导率呈先增加后降低的趋势,堆肥结束时,3个堆体的种子发芽指数分别为91%、96%和82%。红外光谱图反映了堆肥过程中脂肪族成分减少,芳香族成分增加的变化。研究中采用PCR-DGGE结合基因测序技术分析不同通风量堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的演替变化,堆肥过程中随着堆体温度的变化,3个堆体内微生物群落结构均发生了复杂演替变化,但Anaerobaculum mobile、Bacillus sp.SG1、Ureibacillus thermosphaericus和Sedimentibacter sp.B4在3个堆体的堆肥过程中始终存在。1号、2号和3号堆体在堆肥过程中一直保持着较好的微生物种群多样性。低温环境下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学及生物学指标的研究建立在前两部分对消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥C/N比和通风量优化的基础上,初始C/N比为20,通风量为100L/min。堆体可以实现顺利升温,堆体中心温度在55℃以上维持9天,堆肥过程中,总有机碳、C/N比和含水率下降明显,NO3--N、阳离子交换量、重金属含量、腐殖质、胡敏酸和腐殖化指数逐渐升高,pH、NH4+-N、电导率、纤维素酶活性、脲酶活性及蛋白酶活性成先增加后降低的趋势,种子发芽指数在第35d时达到84%。研究中采用PCR-DGGE结合基因测序技术分析低环境温度下堆肥过程中微生物的多样性及其种群结构的演替变化,堆肥过程中随着堆体温度的变化,微生物群落结构发生了复杂的演替变化,优势菌种也存在很大差异。Proteiniphilum acetatigenes、Clostridium ultunense等7种菌种存在于整个堆肥过程中,Clostridium aurantibutyricum随着温度升高而被淘汰,Kineococcus xinjiangensis、Laceyella putida等5个菌种随着堆肥过程进行作为新生菌种出现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 堆肥原理
• 1.1.1 厌氧堆肥
• 1.1.2 好氧堆肥
• 1.2 好氧堆肥过程的影响因素
• 1.2.1 温度
• 1.2.2 含水率
• 1.2.3 C/N 比
• 1.2.4 通风量
• 1.2.5 pH
• 1.2.6 孔隙率
• 1.2.7 生物因素
• 1.3 国内外好氧堆肥技术研究进展
• 1.3.1 国外好氧堆肥技术研究进展
• 1.3.2 国内好氧堆肥技术研究进展
• 1.4 PCR-DGGE 技术及其在堆肥过程中微生物种群解析中应用
• 1.4.1 PCR 技术
• 1.4.2 DGGE 技术
• 1.4.3 PCR-DGGE 技术优缺点
• 1.4.4 PCR-DGGE 技术在堆肥环境微生物研究中的应用现状
• 1.5 研究目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 初始 C/N 比对消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的影响
• 2.1 实验装置与堆肥原料
• 2.2 分析方法
• 2.2.1 样品采集与制备
• 2.2.2 物化指标及分析方法
• 2.2.3 PCR-DGGE 实验方法
• 2.2.4 克隆和基因测序
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 堆肥过程中温度的变化
• 2.3.2 堆肥过程中含水率的变化
• 2.3.3 堆肥过程中电导率的变化
• 2.3.4 堆肥过程中pH 的变化
• 2.3.5 堆肥过程中总有机碳和C/N 比的变化
• 4⁺-N 和N0₃^--N 的变化'>2.3.6 堆肥过程中NH₄⁺-N 和N0₃^--N 的变化
• 2.3.7 堆肥过程中阳离子交换量的变化
• 2.3.8 堆肥过程中种子发芽指数的变化
• 2.3.9 堆肥样品红外光谱分析
• 2.3.10 堆肥样品DNA 提取与PCR 扩增
• 2.3.11 堆肥过程中DGGE 图谱结果与分析
• 2.3.12 堆肥过程中微生物群落演替变化
• 2.4 本章小结
• 3 通风量对消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥的影响
• 3.1 实验装置与堆肥原料
• 3.2 分析方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 堆肥过程中温度的变化
• 3.3.2 堆肥过程中含水率的变化
• 3.3.3 堆肥过程中电导率的变化
• 3.3.4 堆肥过程中pH 的变化
• 3.3.5 堆肥过程中总有机碳和C/N 比的变化
• 4⁺-N 和N0₃^--N 的变化'>3.3.6 堆肥过程中NH₄⁺-N 和N0₃^--N 的变化
• 3.3.7 堆肥过程中阳离子交换量的变化
• 3.3.8 堆肥过程中种子发芽指数的变化
• 3.3.9 堆肥样品红外光谱分析
• 3.3.10 堆肥样品DNA 提取与PCR 扩增
• 3.3.11 堆肥过程中DGGE 图谱结果与分析
• 3.3.12 堆肥过程中微生物群落演替变化
• 3.4 本章小结
• 4 低温环境下消化污泥和玉米秸秆强制通风堆肥过程中物理化学和生物学指标的研究
• 4.1 实验装置与堆肥原料
• 4.2 分析方法
• 4.2.1 物理化学指标
• 4.2.2 酶活性的测定
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 堆肥过程中温度的变化
• 4.3.2 堆肥过程中含水率的变化
• 4.3.3 堆肥过程中pH 和电导率的变化
• 4.3.4 堆肥过程中总有机碳和C/N 比的变化
• 4⁺-N 和N0₃^--N 的变化'>4.3.5 堆肥过程中NH₄⁺-N 和N0₃^--N 的变化
• 4.3.6 堆肥过程中阳离子交换量的变化
• 4.3.7 堆肥过程中腐殖质及其组成的变化
• 4.3.8 堆肥过程中种子发芽指数的变化
• 4.3.9 堆肥过程中重金属总量的变化
• 4.3.10 堆肥过程中酶活性的变化
• 4.3.11 堆肥样品DNA 提取与PCR 扩增
• 4.3.12 堆肥过程中DGGE 图谱结果与分析
• 4.3.13 堆肥过程中微生物群落演替变化
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文