垃圾处置过程中挥发性化合物的释放及甲硫醇生物处理研究

摘要

垃圾处理过程中释放的挥发性化合物虽然浓度较低，但其对恶臭污染和人体健康有着重要的影响。甲烷是有机物厌氧生物降解的主要产物，是一种仅次于CO2的温室气体。甲烷氧化菌不仅能够氧化甲烷，减少生境中甲烷的排放，同时也会分泌大量有机碳于生境中。由于硫代谢微生物对底物具有非特异性，好氧条件下甲烷氧化产物如甲醇、乙酸和乳酸均可以作为其生长基质。因此，深入地探讨甲烷及其氧化碳(Methane-derived carbon)对含硫恶臭气体的影响机制对于控制垃圾处理过程中甲烷和恶臭气体排放具有重要的作用。鉴于此，本论文在调研分析浙江省某城市生活垃圾处理场3种不同垃圾处理工艺的主要恶臭污染物浓度及健康风险基础上，以甲硫醇(CH3SH)为典型的含硫恶臭化合物，研究了甲烷对生物滤器净化甲硫醇性能的影响，探究了甲烷和甲硫醇富集培养物的生长代谢及微生物群落结构对氧气浓度的响应特征，研究成果可为垃圾处理过程中含硫恶臭气体生物处理技术的选择和优化提供理论依据。主要结论如下: (1)调研分析了浙江省某城市生活垃圾处理场中生活垃圾填埋、机械生物消融(Eco-mechanical biological treatment，EMBT)和厌氧发酵3种处理技术主要处理单元中挥发性化合物排放浓度，发现在填埋工艺中，高密度聚乙烯膜(High density polyethylene impermeable membrane，HDPE)破裂（尤其是接缝处）和集气井腐蚀处是填埋场气体泄漏的重要位点。在厌氧发酵和EMBT工艺中，垃圾接收和分选系统是挥发性化合物的重要排放点。含硫化合物包括甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳和二甲基二硫醚是大部分垃圾处理单元主要的恶臭源。芳香族化合物（包括苯乙烯、间二甲苯、4-乙基甲苯和乙苯）和2-己酮分别为厌氧发酵和EMBT垃圾接收及分选处的主要恶臭物质。评估垃圾处理过程挥发性化合物的健康风险，结果表明厌氧发酵的垃圾接收、分选和发酵区域，以及填埋场的正在填埋区总致癌风险为1.06E-04至8.04E-04，存在较大的潜在危害。丙烯醛在填埋区域膜破处和集气井腐蚀处与甲硫醇在膜破处急性毒性超过致残阈值（AEGL-2），若工作人员在未添加防护措施的情况下长时间近距离工作，会出现不可逆转且长期持久的健康危害。 (2)以仅处理甲硫醇的生物滤器为对照，探究了甲烷共存下生物滤器对甲硫醇的净化性能，发现甲烷的存在可以促进含硫化合物的生物转化和降解。无甲烷组生物滤器的甲硫醇排放速率约为甲烷组的2.5倍，且甲烷组生物滤器不同深度的二甲基二硫醚降解速率均显著高于无甲烷组。在有氧条件下，甲硫醇代谢的中间有机硫化物主要为二甲基二硫醚，SO42-是生物滤器中CH3SH-S转化的主要终产物。分析甲硫醇净化生物滤器中微生物多样性，发现与无甲烷组相比，在实验结束时甲烷组生物滤器中细菌总量虽然较多，但操作分类单元(Operational taxonomic units，OTU)数却较少，这表明甲烷的存在促进了甲烷氧化和甲硫醇降解相关微生物的生长。Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Gemmatimonadetes和Firmicutes是实验结束时生物滤器中主要的微生物。Q-PCR和克隆文库分析表明，Methylobacter和Thiobacillus是生物滤器中主要的甲硫醇降解微生物。 (3)研究甲烷和甲硫醇共存下富集培养物的甲烷氧化和甲硫醇降解活性对氧气的响应，结果表明，随着氧气浓度的减少，富集培养物的甲烷氧化活性受到一定的抑制，而甲硫醇浓度对富集培养物的甲烷氧化活性基本无明显影响。甲硫醇降解速率与甲硫醇浓度呈现显著的正相关性(R2=0.974-0.999)。在2000和4000mg m-3甲硫醇浓度下，甲硫醇降解速率随氧气浓度的增加而增加，表明充足的氧气有利于甲硫醇降解微生物的代谢活动。探究在好氧条件下富集培养物的甲烷氧化和甲硫醇降解产物，发现CH4-C主要转化为CO2。随着甲硫醇浓度的增加，CH4-C转化为生物量-C的比例有所下降，且在低氧浓度下影响更为明显。在高甲硫醇和低氧气浓度时，胞外多聚物生成量显著增加。SO42-是富集培养物中CH3SH-S的主要转化产物。在富集培养物中检测到的主要好氧甲烷氧化菌是Methylosinus，主要甲硫醇降解微生物为Thiobacillus和Hyphomicrobium，其中Thiobacillus是低氧气浓度下富集培养物中主要的甲硫醇降解微生物。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1垃圾处置过程中含硫恶臭气体的释放及影响

1．2甲硫醇的产生途径

1．2．1含硫氨基酸降解

1．2．2硫化物甲基化

1．2．3巯基转移

1．3甲硫醇的生物转化

1．3．1厌氧生物转化

1．3．2好氧生物转化

1．4甲基营养微生物与含硫化合物的代谢

1．5甲硫醇生物处理技术

1．6论文研究目的与内容

1．6．1研究目的

1．6．2研究内容

2垃圾处置工艺中挥发性化合物的排放及恶臭与健康风险评估

2．1材料与方法

2．1．1采样点描述

2．1．2气体采集

2．1．3挥发性化合物浓度分析

2．1．4理论臭气浓度

2．1．5致癌和非致癌风险评估

2．1．6急性毒性分析

2．2结果与讨论

2．2．1挥发性化合物的排放浓度与组成

2．2．2理论臭气浓度与主要恶臭物质

2．2．3健康风险评估

2．3本章小结

3甲烷对生物滤器净化甲硫醇性能的影响

3．1材料与方法

3．1．1实验装置与操作

3．1．2采样及分析

3．1．3 DNA提取、Q-PCR分析和16S rRNA基因测序

3．1．4mtoX基因克隆和系统发育树构建

3．2结果与讨论

3．2．1甲硫醇的去除效果

3．2．2主要气体浓度分布

3．2．3含硫化合物降解速率

3．2．4含硫化合物的含量

3．2．5生物滤器中徼生物的多样性

3．2．6甲硫醇降解微生物

3．3本章小结

4甲硫醇和甲烷共存下富集培养物对氧气浓度的响应特征研究

4．1材料与方法

4．1．1接种源和培养基

4．1．2富集培养实验

4．1．2细胞的生长和测定

4．1．3甲烷氧化和甲硫醇降解活性实验

4．1．4 CH4-C分配实验

4．1．5 DNA提取和Miseq测序分析

4．2结果与讨论

4．2．1氧气和甲硫醇浓度对富集培养物生长的影响

4．2．2氧气浓度对富集培养物甲烷氧化的影响

4．2．3富集培养物中好氧甲烷氧化碳的分配

4．2．4富集培养物甲硫醇降解性能

4．2．5微生物群落结构

4．2．6甲烷氧化和甲硫醇降解微生物

4．3本章小结

5结论与展望

5．1主要结论

5．2创新点

5．3展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果