填埋垃圾厌氧降解过程中含硫化合物的转化和CH3SH产生潜能研究

摘要

垃圾填埋场恶臭污染是公众环境投诉的主要问题，是造成填埋场“邻避效应”的主要原因之一。垃圾填埋处理过程中产生的含硫气体是引起填埋场恶臭污染的主要原因，其中甲硫醇(methanthiol，CH3SH)因其臭阈值极低，对填埋场的恶臭污染有着重要影响。鉴于此，本论文以富含有含硫氨基酸的鱼肉和猪肉垃圾为材料，研究了厌氧降解过程中鱼肉和猪肉垃圾的CH3SH产生情况、含硫化合物的转化及其微生物群落结构的演替特征;同时以城镇生活垃圾中可生物降解的组分为材料，研究了在厌氧降解过程中各类垃圾的CH3SH产生速率和产生量，并结合我国各省份生活垃圾的填埋情况，预测了我国填埋垃圾CH3SH的产生潜能，为生活垃圾处置过程中恶臭气体的环境风险评估以及污染控制技术的选择提供理论依据。主要结论如下:
　　（1）有机垃圾厌氧降解过程中硫元素主要以气体的形式释放出来。鱼肉垃圾厌氧降解产气主要有CH3SH、H2S、甲硫醚（dimethyl sulfide，DMS）、二甲基二硫醚（dimethyl disulfide，DMDS）、CH3CH2SH、二甲基三硫醚(dimethyl tisulfide，DMTS)、CS2等含硫气体;而猪肉垃圾厌氧降解产气中主要为CH3SH、H2S、DMDS、DMTS等含硫恶臭气体。其中CH3SH是鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解产气中主要的含硫化合物。
　　（2）鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解中CH3SH浓度呈现先增加后而下降的趋势，两类垃圾厌氧产气中CH3SH的浓度可高达4.96～5.25％。与猪肉垃圾相比，鱼肉垃圾中蛋氨酸、半胱氨酸和总氨基酸降解较快。鱼肉垃圾厌氧降解CH3SH累积产气量为28.12L kgdw-1，显著高于猪肉垃圾的累积产生量。
　　（3）Miseq测序分析表明Proteobacteria、Firmicutes、Fusobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中主要的微生物。其中,Proteobacteria是初始鱼肉和猪肉垃圾中的优势微生物,随着鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解的进行,Proteobacteria的丰度呈现下降趋势,Firmicutes、Fusobacteria和Bacteroidetes则成为优势微生物。Acinetobacter、Clostridium、Proteus、Thiobacillus、Hyphomicrobium和Pseudomonas是鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中主要硫代谢微生物,其中Acinetobacter是初始鱼肉和猪肉中主要的硫代谢微生物,而Clostridium是鱼肉和猪肉厌氧降解过程中主要的硫代谢微生物。
　　（4）鱼肉垃圾中微生物的多样性随着厌氧降解呈现减少趋势,而猪肉垃圾中微生物的多样性呈现增长趋势。鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中微生物组成与初始样品截然不同。由于鱼肉和猪肉垃圾组成成份的不同,其厌氧降解微生物群落结构也不同,并随着厌氧降解时间呈现动态变化。鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中环境因子对种群结构的影响依次为:C/N>TS>总氨基酸>S2->Cys≈Met>SO42->TOC。其中C/N、TS、总氨基酸、S2-、Cys和Met对样品菌群结构的变化有显著影响（P<0.1）。
　　（5）城镇生活垃圾厌氧降解过程中,CH3SH的产生主要集中在前期阶段（实验前24天）。在该阶段米饭、面食、蔬菜和纸类垃圾的CH3SH累积产生量占实验期间总产生量的92.4～96.7%,鱼肉和猪肉混合垃圾的CH3SH累积产生量占总产生量的79.7%,庭院垃圾和纤维垃圾的CH3SH累积产生量占总产生量的63.1～67.6%。在城镇生活垃圾中,鱼肉和猪肉垃圾CH3SH的产生量最大,可高出蔬菜、面食、米饭、布类、纸类等垃圾5～6个数量级,是主要的CH3SH产生源。
　　（6）结合实验各垃圾的CH3SH产生量及我国各省份的生活垃圾填埋情况,我国各省份填埋垃圾的CH3SH产生潜能预测表明我国填埋垃圾CH3SH的产生主要发生在沿海省份,其中广东省最高(8.85×104 m3 yr-1),其次是上海市(5.37×104 m3 yr-1)。浙江省、江苏省、福建省、北京市以及辽宁省的填埋垃圾CH3SH的产生潜能为3.19×104～4.94×104m3 yr-1。内陆省市的CH3SH产生潜能相对较低,为2.2×103～9.74×103 m3 yr-1。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 填埋场CH3SH的排放及危害

1．2 CH3SH的产生和影响因子

1．2．1 CH3SH的产生

1．2．2 CH3SH产生的影响因子

1．3 CH3SH的转化

1．3．1 CH3SH的化学转化

1．3．2 CH3SH的生物转化

1．3．3 CH3SH转化的影响因子

1．4 CH3SH产生和代谢微生物

1．4．1 CH3SH产生微生物

1．4．2 CH3SH代谢微生物

1．5 论文研究目的与内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2 模拟鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中含硫化合物的转化研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．1．3 气体浓度测定方法

2．1．4 分析方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 产气速率与累积产气量

2．2．2 CH4和CO2浓度的变化

2．2．3 CH3SH的产生速率、浓度与产生量

2．2．4 主要的含硫气体浓度的变化

2．2．5 垃圾中有机物和总氮的降解

2．2．6 垃圾中含硫化合物含量的变化

2．2．7 垃圾中氨基酸含量的变化

2．2．8 垃圾降解过程中含硫物质的转化

2．3 本章小结

3 模拟鱼肉和猪肉垃圾厌氧降解过程中微生物种群结构演替特征研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．1．3 模拟垃圾样品DNA提取

3．1．4 qPCR

3．1．5 Miseq测序分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 垃圾中细菌和古菌数量的变化

3．2．2 垃圾中微生物的多样性

3．2．3 垃圾中微生物种群结构的演替特征

3．2．4 垃圾中硫代谢微生物的演替特征

3．2．5 环境因子对微生物种群结构的影响

3．3 本章小结

4 生活垃圾厌氧填埋场CH3SH产生潜能研究

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验方法

4．1．3 分析方法

4．1．4 填埋场CH3SH产生潜能预测模型

4．2 结果与讨论

4．2．1 产气速率与累积产气量

4．2．2 CH3SH浓度及产生量

4．2．3 垃圾中TS含量

4．2．4 填埋场CH3SH产生潜能

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果