餐厨垃圾堆肥化过程中水溶有机质组成及特性研究

摘要

以餐厨垃圾和甘蔗叶两种有机固体废弃物为原料堆肥40d，监测堆肥过程中的理化参数变化，评估堆肥腐熟度，同时对水溶有机质(DOM)采用分馏法获得腐殖酸(HA)、富里酸(FA)、亲水性物质(Hi)、疏水中性物质(HoN)，并分析其在堆肥过程中的动态变化。结果表明，堆体高温期(＞50℃)维持20d且最终堆肥C/N＜15，说明堆肥已达到杀灭堆肥物料中病原微生物和腐熟标准。堆肥过程中Hi组分在DOM中占有最高的比例。HA含量在堆肥过程中持续增加，FA和Hi含量稳定减少。堆肥结束时，DOM中HA、FA及Hi的含量达到较为平衡的比例，分别为29.94、30.1和38.6％，HoN含量为1.36％。
　　利用紫外可见光谱(UV-vis)、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及荧光光谱对HA、FA、Hi和HoN的光谱学特性进行考察。紫外数据表明，HA在DOM的芳香性特性上起主导作用;HA和FA分别具有最大和最小的分子量。红外数据显示，堆肥降温期和腐熟期HA具有较高水平的芳香族化合物;FA含有较为丰富的羧基;Hi中存在较少的C-H结构的脂肪族和芳香族化合物;随着堆肥的进行，HA、FA、Hi及HoN的峰数和峰强逐渐变少和变弱，表明随着堆肥化的进程，DOM的结构也越趋于简单和稳定。荧光数据表明，在堆肥过程中，HA的峰主要位于类腐殖酸区域且以多环芳烃类腐殖酸为主，随着堆肥的进程，HA的物质组成由多环芳烃类腐殖酸向聚羧酸类腐殖酸转化;FA在堆肥前期以氨基蛋白类为主，后期以腐殖酸类为主;相比较于HA、Hi和HoN，FA在堆肥过程中的物质组成更加多样化;Hi和HoN在整个堆肥过程中均以溶解性微生物产物为主。DOM亚组份在堆肥过程中分别扮演着不同的角色，充当不同的功能作用，如Hi和部分FA可作为微生物直接利用的有效能源物质，促进微生物活动;微生物通过降解木质纤维素和蛋白类物质转化为Hi。
　　为探究DOM亚组份间的结构组成差异，利用热裂解-气相/质谱(Pyrolysis-G/MS)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析DOM亚组份大分子结构和8种重金属含量，并通过计算量化HA、FA、Hi和HoN中重金属在DOM中的比例。结果表明，大量烷烃类和木质纤维素在堆肥嗜热期降解导致芳香族化合物的含量迅速增加。醇类和醛类很可能是堆肥过程中的过渡副产物并参与酮类的生成。堆肥高温期，8种重金属在HA、FA、Hi和HoN中均表现出相近的浓度。从DOM亚组分中重金属含量的定量信息可知Hi在DOM亚组份中As、Cr、Cu、Ni、Pb以及Zn具有最高的含量，而Hi可作为微生物优先利用的能源物质，表明Hi为微生物转化重金属的主要载体。堆肥40d时，Cu和Ni在HA中的浓度最高，Cd在FA中的浓度最高。取40d腐熟样，通过设置不同浓度梯度的DOM及其亚组份溶液探究其对大白菜（Brassica rapachinensis L.）种子幼苗生长影响。结果表明，DOM、HA、FA和Hi在50、100、300、600和1000mg·L-1浓度均不同程度的增加了大白菜幼苗的生物质的积累(p＜0.05);DOM组均明显促进了大白菜根和茎的生长(p＜0.05)，但高浓度的DOM、HA、FA和Hi均不利于大白菜根的生长，尤其是FA和Hi在1000mg·L-1的根长值显著低于空白组(p＜0.05)。相比于HA和FA，DOM和Hi更有利于大白菜幼苗健康生长。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 餐厨垃圾概述

1．1．1 餐厨垃圾的定义

1．1．2 餐厨垃圾

1．1．3 餐厨垃圾处置技术

1．1．4 餐厨垃圾堆肥化处理

1．2 堆肥技术研究

1．2．1 堆肥概述

1．2．2 水溶有机质

1．2．3 水溶有机质亚组份特性

1．3 本课题的立题背景、意义及主要内容

1．3．1 立题背景和意义

1．3．2 主要内容

第二章 堆肥过程中理化参数变化规律研究

2．1 实验材料与设备

2．1．1 实验试剂与材料

2．1．2 实验仪器设备

2．2 实验方法

2．2．1 堆肥实验设计

2．2．2 理化参数测定分析方法

2．2．3 水溶有机质及其亚组分提取

2．2．4 数据处理及分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 理化参数分析

2．3．2 DOM亚组份含量变化

2．4 本章小结

第三章 堆肥水溶有机质亚组份光谱学特性分析

3．1 实验材料与设备

3．1．1 材料与试剂

3．1．2 实验设备

3．2 DOM光谱学分析方法

3．2．2 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

3．2．3 荧光光谱(EEM)

3．2．4 数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 UV-vis分析结果与讨论

3．3．2 FTIR分析结果与讨论

3．3．3 EEM分析结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 堆肥水溶有机质亚组份结构组成和生物特性研究

4．1 实验材料与设备

4．1．1 材料与试剂

4．1．2 实验设备

4．2 实验方法

4．2．2 电感耦合等离子体质谱

4．2．3 DOM亚组份重金属含量在DOM中的比例分析

4．2．4 大白菜幼苗生长实验

4．2．5 数据处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 DOM亚组份热裂解气质联用分析

4．3．2 DOM亚组份电感耦合等离子体质谱分析

4．3．3 DOM亚组份重金属含量在DOM中的比例分析

4．3．4 大白菜幼苗生长实验

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间主要研究成果