油棕废弃物预处理对造纸污泥共堆肥腐殖化的影响及机制

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:supengfei789
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堆肥作为油棕废弃物(Oil palm waste,OPW)和造纸污泥(Paper mill sludge,PMS)处置的有效途径之一,能促进油棕产业和造纸工业的资源循环利用和可持续发展。然而,木质纤维素可生物利用性差的特性阻碍了油棕废弃物和造纸污泥堆肥的腐殖化进程。预处理技术可以破坏木质纤维素的稳定结构,从而提高其生物可利用性。目前,预处理技术已广泛应用于木质纤维素废弃物的资源化处置工艺,如厌氧发酵和好氧堆肥,但是其对堆肥腐殖化过程的影响尚不清楚。本论文以OPW和PMS共堆肥为研究对象,重点研究了酸热预处理(Acid-thermal pretreatment,ATP)和水热预处理(Hydrothermal pretreatment,HTP)对OPW和PMS共堆肥理化性质、有机质转化特征和微生物群落的影响,以期为加快木质纤维素堆肥腐殖化过程提供技术和理论指导。具体研究内容及结果如下:(1)不同预处理方式对OPW组成及结构的影响:以温度、时间和酸浓为因素进行OPW预处理正交实验,基于OPW的可溶性有机碳含量,分别选择120℃、1 h、6%(H2SO4,w/w)和120℃、1 h作为优化的ATP和HTP条件。通过糖浓度的测定、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)研究了ATP和HTP对OPW组成和结构的影响。结果表明,ATP和HTP均能有效破坏OPW木质纤维素结构。糖浓度结果显示ATP和HTP后OPW的还原糖含量分别增加至61.96和34.07 mg/g,多糖含量分别减少至17.90和77.47 mg/g。SEM结果表明,ATP后OPW纤维结构破碎,且表面出现大量褶皱和凹陷,HTP也能使OPW纤维表面出现大量褶皱,但对纤维整体形态的影响不大。FTIR分析发现,OPW半纤维素和纤维素在ATP和HTP过程中均有所降解,且在ATP中的降解程度更大。(2)预处理对OPW和PMS共堆肥理化性质的影响:分别以ATP和HTP后的OPW混合PMS进行酸热预处理堆肥(Acid-thermal pretreated composting,ATPC)和水热预处理堆肥(Hydrothermal pretreated composting,HTPC)试验,以未预处理的传统堆肥(Traditional composting,TC)为对照,分析了ATPC和HTPC过程中温度、有机质含量、C/N等理化性质的变化,发现ATPC和HTPC的发酵效果明显优于TC。ATP和HTP明显提高了堆肥温度,且分别延长高温期至14和16 d。堆肥结束时,ATPC和HTPC中有机质含量分别减少至54.93%和55.20%,总氮含量分别下降到1.71%和1.68%,而TC的有机质含量和总氮含量分别为56.54%和1.42%。ATPC和HTPC的C/N在30 d后便趋于稳定,而40 d时TC中C/N还保持着下降的趋势。ATPC和HTPC堆肥产品的C/N分别为14.85和14.46,明显低于TC(15.43)。这些结果表明,相比于TC,ATPC和HTPC能有效提高堆肥温度,加快堆肥腐熟,且在有机质降解、固氮等方面具有明显的优势。(3)预处理对OPW和PMS共堆肥过程中有机质转化的影响:使用紫外-可见光(UV-Visible,UV-Vis)光谱、三维荧光光谱(3 dimension-excitation-emission matrix,3D-EEM)结合荧光区域积分(Fluorescence region integral,FRI)和平行因子(Parallel factor,PARAFAC)分析等手段研究了ATPC和HTPC过程中有机质组成特性的变化情况。随着堆肥的进行,HTPC中SUVA254从0.06增大至0.11,而TC中SUVA254变化不明显。堆肥结束时,ATPC中E250/E365下降至4.50,而TC中E250/E365减少至5.46,表明ATPC和HTPC中有机质的腐殖化程度和芳香度更高。3D-EEM结合FRI分析表明,ATPC和HTPC过程中类腐殖酸物质形成和类蛋白质物质降解的速度明显快于TC。PARAFAC分析显示,ATPC和HTPC堆肥产品中类腐殖酸物质的最大荧光强度(maximum fluorescence intensity,Fmax)分别为59.19和56.04,类蛋白质物质的Fmax分别为40.80和43.95,而TC产品中类腐殖酸物质和类蛋白质物质的Fmax分别为48.16和51.83。这些结果都表明ATP和HTP能有效促进堆肥腐殖化过程,提高堆肥产品质量。(4)预处理影响OPW和PMS共堆肥腐殖化过程的微生物机制:利用16S r RNA高通量测序技术探究了ATPC和HTPC过程中微生物群落的演变规律,并通过冗余分析(redundancy analysis,RDA)和最小偏二乘模型(least partial square path model,PLS-PM)分析研究了堆肥理化性质、腐殖化参数、微生物群落和腐熟度之间的内在联系。16S r RNA测序结果表明,Firmicutes是堆肥过程中的优势菌门,且在ATPC和HTPC中的相对丰度明显高于TC。在科水平上,ATP和HTP提高了堆肥过程中Bacillaceae、Sphingobacteriaceae、Streptosporangiaceae和Thermonosporaceae的相对丰度。RDA和PLS-PM分析指出,Bacillaceae是导致ATPC和HTPC过程中有机质快速降解的关键微生物,Sphingobacteriaceae、Streptosporangiaceae和Thermonosporaceae则和腐殖质的形成具有紧密联系。这四种菌均有明显的促腐作用,是加速ATPC和HTPC腐殖化过程的关键原因。
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