生活垃圾腐烂释放恶臭废气特征与微生物的作用机制研究

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中国经济的快速发展加快了城市化进程,提高了人们的生活水平。城市规模、数量和人口的迅速发展使经济走向繁荣,但是与此同时,城市化进程的加快直接导致了城市生活垃圾总量的大幅增加,尤其是在大中城市。生活垃圾中很大一部分比例是餐厨垃圾,由于含有大量的有机质,实验它们在腐烂分解的过程中会产生大量的包括恶臭废气在内的挥发性有机化合物(VOCs),可能会危害人们的健康并在邻近社区造成恶臭滋扰。因此,研究生活垃圾腐烂过程中恶臭废气的排放量、组成特征,并结合不同类型的生活垃圾的微生物群落演替过程,才可以为生活垃圾的处理及垃圾恶臭污染的治理提供源头上的基础数据。所以,本论文选取典型的食物垃圾,在实验室开展其腐烂分解过程中恶臭气体的排放机制的研究,得到的主要内容如下:(1)单种食物的腐烂发酵。选择三种蔬菜(洋葱,豆瓣菜和辣椒)和三种肉类(鱼肉,鸡肉和猪肉)分别在自制的反应器中平行进行腐败发酵实验,监测发酵期间VOCs的释放特征。研究发现,在洋葱的整个发酵周期中(90天),释放的主要VOCs是含氧类的VOCs(OVOCs),占有所有释放的VOCs的59.4%,其次是含硫的VOCs(VOSCs),占所有释放的VOCs的26.6%,乙酸乙酯占所有OVOCs的62.9%。而豆瓣菜在发酵周期中主要释放的是VOSCs,占所有释放的VOCs的86.4%,三甲基三硫醚占所有VOSCs的43.5%。在辣椒的腐烂发酵的整个周期中,检测到最多的VOCs是OVOCs,占所有释放的VOCs的51.5%,其次是VOSCs占所有释放的VOCs的41.8%,乙酸乙酯占所释放OVOCs的34.7%。三种蔬菜均在腐烂发酵第10天时释放的VOCs排放通量最高,分别为133.8、508.2和136.4μg·kg-1·h-1。在肉类的发酵的整个周期中(90天),所有释放的VOCs都是以VOSCs为主,分别占鸡肉、猪肉和鱼肉的67.4%,72.8%和76.2%。三甲基三硫醚是主要的VOSCs,分别占鸡肉、猪肉和鱼肉释放的VOSCs的67.2%,78.3%和80.1%。鱼类在第4天VOCs的排放通量最大,达4289.2μg·kg-1·h-1,鸡肉和猪肉均在第10天时VOCs的排放通量最大,分别为2648.2和2054.9μg·kg-1·h-1。(2)混合食物垃圾的发酵。进一步,我们研究了混合食物垃圾,包括混合水果类垃圾、混合蔬菜类垃圾和混合肉类垃圾,分别平行发酵时VOCs的释放特征和机制。结果发现,混合水果类垃圾、混合蔬菜类垃圾和混合肉类垃圾腐烂分解时释放的VOCs平均排放通量分别为232.8、191.1和373.5μg·kg-1·h-1,其中在混合蔬菜类垃圾和混合肉类垃圾腐烂时释放的VOSCs的占比最高,分别占所有释放的VOCs的58.6%和54.9%;而混合水果类垃圾腐烂时释放的含氧VOCs(57.6%)最为丰富。具体而言,混合水果类垃圾释放的含量最高的是2-丁酮和乙酸乙酯,分别占所有释放的OVOCs中的55.1%和13.8%。而混合蔬菜类和混合肉类垃圾中所释放的VOCs含量最高的是二甲基硫醚(分别占所有释放VOSCs的68.0%和26.6%)和二甲基二硫醚(分别占所有释放VOSCs的89.2%和10.1%)。同时我们对垃圾发酵时产生的垃圾渗滤液中的微生物群落进行了分析,发现主要的厚壁菌门(Firmicutes)代表了混合肉类垃圾腐烂时细菌群落的93.0%~99.9%,而厚壁菌门和变形菌门(Proteobacteria)在整个混合水果垃圾腐烂分解过程中占主导地位(25.3%~74.8%)。变形菌门(16.9%~83.6%)是混合蔬菜类垃圾腐烂分解时的优势门,其次是拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)。进一步的分析发现,恶臭VOCs的排放受微生物活性影响较大,混合蔬菜类垃圾腐烂分解中丰度较大的Weissella、Leuconostoc、Enterobacteriaceae与二硫化碳、二甲基硫相关;而混合肉类垃圾中占主导地位的Peptococcus、Bacteroides、lactobacillus、Peptoniphilus与二甲基二硫醚相关。总体而言,观察到不同食物垃圾分解过程中VOC排放特征与细菌群落之间存在显著差异和相关性。这些数据有助于更全面地了解微生物群落动态与恶臭VOCs排放之间的关系。从而为垃圾腐烂分解时产生的恶臭VOCs的治理提供一定的前期研究基础。
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