可降解塑料与餐厨沼渣好氧堆肥中塑料降解及堆肥品质研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:volomo
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城市餐厨垃圾逐年增加,餐厨垃圾经厌氧消化后的剩余固态沼渣富含多种营养成分,适于堆肥资源化利用。然而经过厌氧消化后的餐厨沼渣因含水率和氨氮含量高、C/N低和难降解有机物较多等问题影响其堆肥效能。随着生物可降解塑料在餐厨行业的推广,大量生物可降解塑料制品在餐厨垃圾处理厂前端被机械筛选富集。被富集的塑料制品与餐厨沼渣一起被外运填埋或焚烧,增加了餐厨垃圾处理厂运行成本。有研究表明,生物可降解塑料在畜禽粪便堆肥条件下可实现有效降解。因此,将低C/N的餐厨沼渣与高含碳量的生物可降解塑料进行同步好氧堆肥处理是目前餐厨垃圾处理厂内固废处置的经济可行方案。针对以上提出的堆肥工艺,本研究在沼渣堆肥过程中投加两组不同含量的生物可降解塑料(1%和10%)来探究堆肥过程中塑料降解性能及对堆肥产品腐熟以及氮素损失的影响,为餐厨垃圾处理厂的餐厨沼渣和生物可降解塑料的资源化处置提供理论支撑。但餐厨沼渣中难降解有机物较多,可能会限制餐厨沼渣与塑料共堆肥效果,而已有研究表明,市政污泥可以提高沼渣堆肥过程对难降解有机物的降解能力,因此,本研究尝试向沼渣堆肥体系中投加部分市政污泥,来强化沼渣堆肥体系中塑料降解及对堆肥过程影响。在塑料降解特征方面,高低组塑料含量(H、L)在纯沼渣堆肥体系(W)和沼渣污泥堆肥体系(WS)的堆肥结果表明,WL、WH、WSL与WSH组的塑料生物分解率分别为4.90%、0.40%、1.95%和0.63%,表明30天堆肥周期内塑料矿化度低。进一步对塑料降解行为进行表征发现,塑料降解过程存在微生物附着、孔洞腐蚀、内部裸露和裂缝形成四个阶段,且降解过程中塑料分子链上发生C-H、CO和C=O等化学键的断裂,导致塑料分子量下降。但堆肥处理后塑料热稳定性和结晶度增加,表明塑料降解主要集中在非结晶区域,堆肥处理对塑料结晶区域和交联结构的降解效果不明显,从而解释塑料生物分解率低的原因。此外,在纯沼渣堆肥体系和沼渣污泥堆肥体系中塑料破碎周期分别为20和15天,表明接种污泥可以加速塑料的裂解。在堆肥产品的腐熟方面,荧光区域积分结果表明,WCK、WL与WH组富里酸和腐殖酸累计占比分别为0.42、0.61和0.57,添加污泥后,WSCK、WSL与WSH组富里酸和腐殖酸累计占比0.62、0.55和0.56,即WCK组的堆肥产物腐熟度低,投加塑料或接种污泥可以促进堆肥产物的腐熟。16S r RNA高通量测序分析结果进一步表明,餐厨沼渣细菌群落单一,不适于好氧堆肥体系。投加塑料通过诱导Sphingobacteriales、Myxococcales、Rhodospirillaceae和Actinomycetales等多种细菌的富集,提高堆肥体系对难降解有机物的降解能力从而实现了堆肥产品的稳定腐熟。沼渣污泥堆肥体系中,来自好氧活性污泥反应体系的污泥与厌氧体系内的餐厨沼渣的细菌群落组成差异显著,接种污泥后堆肥体系内细菌对好氧发酵体系适应性强,细菌群落多样性增加,增强了对沼渣内难降解有机物的降解能力,同样促进了堆肥产品的腐熟。在堆肥过程氮素削减方面,纯沼渣堆肥体系中,WL与WH组NH3排放量与WCK组相比削减了32.68%和34.11%;沼渣污泥堆肥体系中,WSL和WSH组NH3排放量与WSCK组相比削减了13.90%和11.25%。通过对NH3和NH4+-N的分析发现,NH3排放主要集中在高温期,高温期内所有塑料组的NH4+-N含量增长减慢,分析表明塑料组内微生物优先利用塑料内部易降解的碳水化合物进行有机碳代谢从而减缓了对含氮有机物的氨化过程,减少高温期NH3的生成排放,从而实现氨气削减。与各自堆肥体系的空白组(WCK与WSCK)相比,WL和WSL组N2O排放量分别减少了28.57%和33.33%,而WH和WSH组N2O排放量分别增加了1.86和1.33倍。通过对NO2--N、硝化(amo A、hao和nxr A)和反硝化(nar G、nir K、nor B和nos Z)功能基因的分析发现,N2O排放主要集中在高温期,高温期内低含量塑料组(WL与WSL)的NO2--N含量低且nor B基因丰度明显减少,抑制了NO2--N还原为N2O过程,从而减少N2O的排放。而高温期WH组的NO2--N含量高且其nir K基因丰度在堆肥前期较高,促进NO2--N还原为NO,NO氧化后促进了N2O排放。结果表明高低含量塑料均可削减纯沼渣堆肥体系和沼渣污泥堆肥体系中NH3排放,而低含量塑料可进一步削减两个体系中N2O排放。
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