餐厨垃圾生化降解系统的优化及其微生物群落结构特征研究

发布时间：2017-06-16 09:00

  本文关键词：餐厨垃圾生化降解系统的优化及其微生物群落结构特征研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国城市化进程加速与“垃圾围城”矛盾正日趋凸显。目前,我国生活垃圾处置中最为突出的问题是缺乏源头减量与分类控制,大量含水率高、易腐败的餐厨垃圾进入城市生活垃圾收运系统造成一系列后续处置难题。从源头对餐厨垃圾进行生化降解处置,是解决我国“垃圾围城”之困的重要途径。餐厨垃圾的生化降解是通过微生物的好氧呼吸代谢过程实现的。运用高效垃圾降解功能菌株及其优化组合并营造降解系统的好氧环境是提高降解效率的技术关键。而降解系统好氧环境的营造一方面靠降解设备的通风系统供给新鲜空气,一方面有赖于菌剂载体良好的疏松透气性及吸水持水性能。为此,本文在课题组前期工作的基础上,通过一系列垃圾降解试验,采用DGGE和T-RFLP等分子生物学手段,对菌剂载体的选材与组配、功能菌株组合以及垃圾降解设备的通风系统作了优化或改进研究,取得主要结果如下：(1)通过3轮不同载体材料组配的垃圾降解试验,优选出适合供试小型餐厨垃圾生化降解机的菌剂载体材料组配为：桑枝屑：草炭(4：1)。采用该载体组合,并保持物料含水率在25%～30%范围内,可以提高系统的垃圾降解效率,并维持垃圾降解系统稳定运行3月(m)以上。垃圾降解系统中物料的升温幅度与微生物呼吸强度具有显著正相关性,因此可利用物料升温幅度来表征系统的垃圾降解效率。(2)将小型餐厨垃圾降解系统的排风模式改造为进风模式能明显提高系统的垃圾降解效率、维持物料持续升温的时间、延长系统的稳定运行时间；改变降解系统的加热模式并不能显著提高垃圾降解效率与系统可持续运行时间。因此,为提高垃圾降解效率,须改进降解设备的通风系统,以营造良好的供氧环境,从而强化好氧微生物的呼吸代谢强度,而非耗能加热使物料升温。(3)将小型餐厨垃圾生化降解机改造为进风模式后,通过2种降解菌剂的垃圾降解对比试验,结果表明：两个降解系统的垃圾毛降解率均为后期高于前期,且在系统运行前期菌剂2略高于菌剂1,后期则两者基本接近。在进风模式下,物料的适宜含水率范围为30%～35%,其上下限均比排风模式提高5个百分点。说明供氧条件改善后提高物料水分含量仍能保持好氧环境。物料样品DNA的DGGE图谱分析表明,F2可能是主导垃圾降解系统的优势菌,而且两个降解系统中物料微生物群落结构的相似系数随运行时间的推移而提高,说明在垃圾降解系统运行后期物料的微生物群落结构更趋相近。(4)在大容量餐厨垃圾生化降解设备试制样机中的2轮垃圾降解试验结果表明：以桑枝屑：腐熟有机肥(4：1)为载体的降解系统比桑枝屑：草炭(4：1)系统的垃圾降解率更高、投加餐厨垃圾后物料升温幅度更大。同一降解系统运行初期与末期的物料微生物群落结构有较大差别；在系统运行末期,物料的微生物群落结构变得更为复杂,均匀度指数增大即所有微生物种类个体分配更加均匀,而两个系统的微生物群落结构渐趋相似。(5)采用本研究优选的垃圾降解菌剂和菌剂载体组配,在安装于中华人民共和国卫生部职工食堂的大容量餐厨垃圾生化降解设备中投入了实际运行。在运行过程中监测物料温度、取样测定物料的水解酶活性,并对物料样品DNA的HhaⅠ和HaeⅢ酶切液作T-RFLP图谱分析,结果表明：物料升温幅度、3种水解酶即淀粉酶、纤维素酶及蛋白酶的活性、物料样品DNA的HhaⅠ和HaeⅢ酶切优势片段峰面积在2个监测周期内变化趋势一致,且相互间呈显著或极显著正相关性。说明垃圾降解系统经历了强烈的垃圾降解过程,且系统中存在起主导作用的优势菌。根据物料样品DNA的HhaⅠ和HaeⅢ酶切优势片段长度与纯培养功能菌DNA相应酶切优势片段长度的接近程度,以及样品DNA的HhaⅠ和HaeⅢ酶切优势片段长度峰面积的相关性推断该降解系统中的优势菌可能是枯草芽孢杆菌F2。
【关键词】：餐厨垃圾 降解系统 载体材料 功能菌株 变性梯度凝胶电泳 末端限制性片段长度多态性
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3;X172
【目录】：

• 致谢7-16
• 摘要16-18
• Abstract18-21
• 缩略表21-26
• 第一章 文献综述26-50
• 1.1 餐厨垃圾的概念及常用处置技术26-30
• 1.1.1 餐厨垃圾26
• 1.1.2 餐厨垃圾的常用处置技术26-30
• 1.1.2.1 填埋法27
• 1.1.2.2 焚烧法27
• 1.1.2.3 好氧堆肥法27-28
• 1.1.2.4 厌氧产沼气或制氢法28
• 1.1.2.5 饲料加工法28-29
• 1.1.2.6 生物柴油法29
• 1.1.2.7 养蚯蚓法29-30
• 1.2 国内外餐厨垃圾的处置现状及发展趋势30-34
• 1.2.1 国外餐厨垃圾的处理方法及现状30-31
• 1.2.2 我国餐厨垃圾处置现状及发展趋势31-34
• 1.3 餐厨垃圾处理设备研究进展34-37
• 1.3.1 大型餐厨垃圾生产线发展现状34-35
• 1.3.2 家用型餐厨垃圾处理设备的发展现状35-37
• 1.4 本研究所采用的分子生物学技术37-46
• 1.4.1 环境微生物生态学研究进展37-38
• 1.4.2 变性梯度凝胶电泳(Denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)38-42
• 1.4.2.1 基因指纹图谱技术38-39
• 1.4.2.2 PCR-DGGE技术的基本原理39-40
• 1.4.2.3 DGGE图谱的优化40-41
• 1.4.2.4 DGGE技术的优缺点41-42
• 1.4.2.5 DGGE技术的应用前景42
• 1.4.3 末端限制性片段长度多态性(Terminal restriction fragment lengthpolymorphism,T-RFLP)42-46
• 1.4.3.1 T-RFLP技术的基本原理和方法42-44
• 1.4.3.2 T-RFLP图谱分析44-45
• 1.4.3.3 T-RFLP技术的优点和局限性45
• 1.4.3.4 T-RFLP技术的应用前景45-46
• 1.5 本研究的主要内容、研究目标及技术路线46-50
• 1.5.1 本研究的主要内容46-47
• 1.5.2 本研究的研究目标47-48
• 1.5.3 技术路线48-50
• 第二章 小型餐厨垃圾降解系统的菌剂载体优化50-68
• 2.1 引言50-51
• 2.2 材料与方法51-56
• 2.2.1 供试功能菌株51
• 2.2.2 浓缩味精废液(Concentrated monosodium glutamate waste water,CMGW)51-52
• 2.2.3 培养基52
• 2.2.4 餐厨垃圾降解液体菌剂52-53
• 2.2.4.1 各功能菌种子菌液制备52
• 2.2.4.2 餐厨垃圾降解液体菌剂制备52-53
• 2.2.5 餐厨垃圾53
• 2.2.6 载体材料53
• 2.2.7 小型餐厨垃圾生化降解机53-54
• 2.2.8 试验设计54
• 2.2.9 测定方法54-56
• 2.2.9.1 毛降解率54
• 2.2.9.2 含水率54-55
• 2.2.9.3 物料温度55
• 2.2.9.4 微生物呼吸量55-56
• 2.2.10 数据处理56
• 2.3 结果与分析56-64
• 2.3.1 第1轮试验56-58
• 2.3.2 第2轮试验58-59
• 2.3.3 第3轮试验59-64
• 2.3.3.1 垃圾毛降解率周变化动态59-60
• 2.3.3.2 物料含水率周变化动态60-61
• 2.3.3.3 物料呼吸强度周变化动态61
• 2.3.3.4 垃圾降解系统物料日温度变化动态61-64
• 2.4 讨论64-66
• 2.5 小结66-68
• 第三章 小型餐厨垃圾生化处理机的通风方式改进68-78
• 3.1 引言68-69
• 3.2 材料与方法69-71
• 3.2.1. 材料69-70
• 3.2.1.1 供试功能菌株69
• 3.2.1.2 浓缩味精废液69
• 3.2.1.3 培养基69
• 3.2.1.4 餐厨垃圾降解液体菌剂69
• 3.2.1.5 餐厨垃圾69
• 3.2.1.6 餐厨垃圾降解菌剂载体69-70
• 3.2.1.7 餐厨垃圾生化降解机70
• 3.2.2 小型餐厨垃圾生化降解机的改装方案70-71
• 3.2.3 试验设计71
• 3.2.4 测定方法71
• 3.2.4.1 物料温度71
• 3.2.4.2 周垃圾毛降解率71
• 3.2.5 数据处理71
• 3.3 结果与分析71-75
• 3.3.1 系统运行情况71-72
• 3.3.2 垃圾降解率72-73
• 3.3.3 物料温度73-75
• 3.4 讨论75-76
• 3.5 小结76-78
• 第四章 餐厨垃圾降解菌剂的功能菌株组合优化78-92
• 4.1 引言78-79
• 4.2 材料与方法79-83
• 4.2.1 供试功能菌株79
• 4.2.2 浓缩味精废液79
• 4.2.3 培养基79
• 4.2.4 餐厨垃圾降解液体菌剂79
• 4.2.5 餐厨垃圾79
• 4.2.6 载体材料79-80
• 4.2.7 小型餐厨垃圾生化降解机80
• 4.2.8 试验实施方法80
• 4.2.9 物料理化性质测定方法80-81
• 4.2.9.1 物料温度80-81
• 4.2.9.2 含水率81
• 4.2.9.3 毛降解率81
• 4.2.10 变性梯度凝胶电泳(Polymerase chain reaction-Denaturing gradientgel electrophoresis,PCR-DGGE)81-82
• 4.2.10.1 物料基因组DNA的提取和纯化81-82
• 4.2.10.2 变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)82
• 4.2.10.3 PCR-DGGE图谱多样性分析82
• 4.2.11 数据分析82-83
• 4.3 结果与分析83-89
• 4.3.1 垃圾毛降解率83-84
• 4.3.2 物料含水率84-85
• 4.3.3 物料升温幅度85-86
• 4.3.4 物料样品16SrDNA的PCR-DGGE指纹图谱和条带分析86-89
• 4.3.4.1 基于DGGE图谱的功能菌追踪88
• 4.3.4.2 垃圾降解系统物料微生物群落结构的相似性88-89
• 4.4 讨论89-90
• 4.5 小结90-92
• 第五章 大容量餐厨垃圾降解系统的菌剂载体组配优化92-106
• 5.1 引言92
• 5.2 材料与方法92-96
• 5.2.1 供试功能菌株92
• 5.2.2 浓缩味精废液92-93
• 5.2.3 培养基93
• 5.2.4 餐厨垃圾降解液体菌剂93
• 5.2.5 餐厨垃圾93
• 5.2.6 载体材料93
• 5.2.7 大型餐厨垃圾生化降解设备93-94
• 5.2.8 垃圾降解试验94-95
• 5.2.9 测定方法95
• 5.2.9.1 毛降解率95
• 5.2.9.2 物料温度95
• 5.2.10 末端限制性片段长度多态性(Terminal restriction fragment lengthpolymorphism,T-RFLP)95-96
• 5.2.10.1 物料基因组DNA的提取与纯化95
• 5.2.10.2 PCR扩增95-96
• 5.2.10.3 酶切反应96
• 5.2.11 数据处理96
• 5.3 结果与分析96-103
• 5.3.1 毛降解率96-97
• 5.3.2 物料升温幅度97-99
• 5.3.3 物料的微生物群落结构99-103
• 5.4 讨论103-105
• 5.5 小结105-106
• 第六章 餐厨垃圾降解系统运行过程中酶学特征与优势菌的关系106-120
• 6.1 引言106
• 6.2 材料与方法106-111
• 6.2.1 供试功能菌株106-107
• 6.2.2 浓缩味精废液107
• 6.2.3 培养基107
• 6.2.4 餐厨垃圾降解液体菌剂107
• 6.2.5 餐厨垃圾107
• 6.2.6 载体材料107
• 6.2.7 大容量餐厨垃圾生化降解设备107-109
• 6.2.8 垃圾降解系统运行与监测及取样周期设计109
• 6.2.9 测定方法109-110
• 6.2.9.1 物料升温幅度109
• 6.2.9.2 水解酶活性109-110
• 6.2.10 末端限制性片段长度多态性(Terminal restriction fragment lengthpolymorphism,T-RFLP)110
• 6.2.11 数据处理110-111
• 6.3 结果与分析111-116
• 6.3.1 物料升温幅度111
• 6.3.2 物料水解酶活性111-112
• 6.3.3 微生物群落结构分析112-116
• 6.3.3.1 功能菌纯培养及物料样品的T-RFLP图谱112-114
• 6.3.3.2 物料样品中的优势菌114-116
• 6.4 讨论116-117
• 6.5 小结117-120
• 第七章 全文总结与展望120-124
• 7.1 论文主要结论120-121
• 7.2 论文创新性121-122
• 7.3 论文的不足与展望122-124
• 7.3.1 论文的不足122
• 7.3.2 展望122-124
• 参考文献124-136
• 作者简历136

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 俞觊觎,沈雪海;餐厨垃圾的管理和处置[J];杭州科技;2004年02期

2 方战强;吴坚;鲍伦军;;餐厨垃圾处置方法探讨[J];华南师范大学学报(自然科学版);2007年01期

3 张磊;;从餐厨垃圾制取乳酸的研究进展[J];科技资讯;2010年20期

4 孙营军;丁颖;吴伟祥;陈英旭;;餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展[J];科技通报;2009年02期

5 霍文冕;郑舒绮;窦立宝;;兰州市餐厨垃圾资源化利用可行性分析[J];西北师范大学学报(自然科学版);2010年01期

6 原一高;王欣欣;张肖肖;;餐厨垃圾微波干燥实验装置[J];实验室研究与探索;2012年07期

7 王西娜;谭军利;顾昭;李永峰;高春婷;;几种发酵菌剂在餐厨垃圾发酵过程中的效果比较[J];宁夏大学学报(自然科学版);2012年02期

8 张鹏;田明;曹运;马世龙;李响;;餐厨垃圾分选系统研究[J];中国科技信息;2012年23期

9 刘振国;;西安市餐厨垃圾规范化管理和对策[J];生物技术世界;2013年03期

10 李孟涛;韩群;李明飞;;浅析我国餐厨垃圾及其处理对策[J];科技致富向导;2014年21期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈建平;王文华;;我国餐厨垃圾管理现状、问题及对策研究[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集（第二卷）[C];2011年

2 李巧莲;朱立奎;;浅析餐厨垃圾的利用和处理[A];2012中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）[C];2012年

3 蔡华青;乔鹏程;梁晓霞;;餐厨垃圾管理现状及处理对策概述[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集（第五卷）[C];2013年

4 ;餐厨垃圾综合治理必须立法[A];“两区”同建与科学发展——武汉市第四届学术年会论文集[C];2010年

5 王丹丹;吴畏;;餐厨垃圾发酵制乳酸技术发展历程回顾与展望[A];2012中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）[C];2012年

6 李澄;;江苏省餐厨垃圾资源化处理研究[A];多元与包容——2012中国城市规划年会论文集(07.城市工程规划)[C];2012年

7 张画炜;;餐厨垃圾单独处理必要性及基本技术研究[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集（第五卷）[C];2013年

8 王阳;林聪;侯雨;张倬;;关于我国餐厨垃圾处理的探究[A];沼气发展战略和对策研讨会文集[C];2010年

9 沈剑山;颜晓英;蒋宏华;;餐厨垃圾厌氧消化及综合利用技术[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年

10 李爱年;刘爱良;;餐厨垃圾管理立法问题研究[A];生态文明与林业法治--2010全国环境资源法学研讨会（年会）论文集（下册）[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 陈小岑鸟;厦门管好餐厨垃圾[N];中国环境报;2004年

2 杨涛军;银川餐厨垃圾治理寻求突破[N];中国环境报;2005年

3 记者 邱霞;餐厨垃圾今后都要集中处理[N];杭州日报;2005年

4 记者 施建 谢若闲 通讯员 穗仁宣;广州日产“餐厨垃圾”近千吨[N];民营经济报;2005年

5 本报记者 于翔 杨涛军 申东 马钦麟;餐厨垃圾“病”临城下[N];宁夏日报;2005年

6 本报记者 杨涛军 申东 于翔 马钦麟;餐厨垃圾问题不容漠视[N];宁夏日报;2005年

7 记者 于翔 实习生 李峰;首府餐厨垃圾统一处置项目正式启动[N];宁夏日报;2005年

8 记者 吴建龙;兰州定点收集餐厨垃圾[N];中国食品质量报;2004年

9 杨涛 周顺新 阎静;治理餐厨垃圾咋就这么难[N];新疆日报(汉);2005年

10 记者 王东亮邋通讯员 郭卫东;奥运签约饭店餐厨垃圾定点消纳[N];北京日报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 冯磊;寒冷地区餐厨垃圾干发酵及沼气微氧脱硫机理研究[D];天津大学;2014年

2 翟宁宁;餐厨垃圾厌氧发酵过程稳定性及高效产气工艺研究[D];西北农林科技大学;2016年

3 石姗姗;餐厨垃圾糖化液发酵制丁醇及糖化残渣堆肥化研究[D];北京科技大学;2016年

4 张永梅;餐厨垃圾碳源的有效回收与强化脱氮原理的研究[D];西安建筑科技大学;2016年

5 李田宇;餐厨垃圾生化降解系统的优化及其微生物群落结构特征研究[D];浙江大学;2015年

6 叶志隆;餐厨垃圾同步糖化发酵产乳酸与双水相分离[D];上海交通大学;2008年

7 邹德勋;以菌糠为调理剂的餐厨垃圾好氧堆肥技术及其机制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

8 何清明;餐厨垃圾厌氧消化过程稳定性检测系统开发与研究[D];重庆大学;2014年

9 胡新军;利用大头金蝇幼虫生物转化餐厨垃圾的研究[D];中山大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 孙营军;杭州市餐厨垃圾现状调查及其厌氧沼气发酵可行性研究[D];浙江大学;2008年

2 詹爱平;餐厨垃圾的源头减量处理研究[D];华中科技大学;2011年

3 苗珍珍;餐厨垃圾管理的法律对策研究[D];山东师范大学;2015年

4 连红民;干式厌氧消化法处理餐厨垃圾的研究[D];西南交通大学;2015年

5 吴清莲;餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 李红明;脱脂餐厨垃圾燃烧及灰熔融特性研究[D];长沙理工大学;2014年

7 王智博;天水市餐厨垃圾资源化技术路线及主体工艺设计[D];兰州大学;2013年

8 王勇;基于改进型蚁群算法的餐厨垃圾收运路线优化研究[D];重庆交通大学;2015年

9 刘继舟;餐厨垃圾水解酸化过程中乳酸与丙酸含量的控制[D];南京农业大学;2013年

10 黄燕冰;餐厨垃圾高温干式厌氧消化工艺研究[D];北京工商大学;2015年

  本文关键词：餐厨垃圾生化降解系统的优化及其微生物群落结构特征研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：454905