猪粪致臭物质的产生与释放过程及源头除臭技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 程远 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陈同斌 ; 郑国砥 |
| 关键词 | 猪粪 除臭 机器学习 有机酸 生物炭 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 伴随我国畜牧业的规模化、集约化发展，猪粪等畜禽粪污的恶臭排放已成为 重要污染源。相比末端除臭技术，源头除臭技术有经济成本低、操作难度小、无 二次污染、保留粪污肥料价值的优势，预计有广阔的应用场景和发展前景。然而， 目前对于源头除臭技术的研究仍停留在效果试验阶段，商品除臭剂存在除臭效率 低、针对性不强、除臭机理不明确的缺点，对于进一步开发持久高效的猪粪源头 除臭技术尚缺乏系统的理论指导。 针对猪粪的除臭需求和源头除臭技术存在的问题，对猪粪致臭物质的产生、 释放及其控制开展系统研究，并取得下述主要结论： （1）建立了全面评价主要致臭物质的方案。构建了预测嗅阈值的定量构效 关系（QSAR）模型，结合非靶标筛查提出相应评价方案并进行验证。QSAR 模 型中，岭回归和随机森林回归比常用的主成分回归和偏最小二乘法回归更适合构 建结构-气味关系。质谱非靶标筛查结合 QSAR 模型形成了全面评价主要致臭物 质方案，并对不同清粪频率下猪粪排放的 27 种化合物进行了鉴定、定量及嗅阈 值分配。评价结果发现猪粪清粪时的主要致臭物质为对甲酚、挥发性脂肪酸 （VFAs）和挥发性硫化合物（VSCs）。通过 QSAR 模型鉴定出了具有高分子极 性、高亲水性、高电荷量、柔性结构、高反应活性和高硫原子数的关键嗅觉活性 结构。 （2）厘清了猪粪致臭物质释放的主要空间位置、揭示了与猪粪致臭物质产 生和降解相关的微生物类群。1）VSCs 没有观察到明显的体相扩散现象，而对甲 酚和 VFAs 的体相扩散对表面释放的贡献仅为 0.08%–0.15%。因此，对猪粪进行 源头除臭时可主要关注猪粪表面。对于对甲酚、VFAs 和硫化氢（H2S）等可电离 恶臭物质，可通过提高 pH 值抑制其释放；对于硫醚，可通过吸附、氧化等方式 降低表观亨利常数以抑制其释放。2）实验确认：黄单胞菌科（Xanthomonadaceae） 和乳酸杆菌属（Lactobacillus）是产生对甲酚的主要微生物类群，副凝聚短状杆 菌属（Brachybacterium）是产生 VFAs 的主要微生物类群，是除臭时的重点控制 对象；梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium）、厌氧 球菌属（Anaerococcus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、霍德曼菌属（Holdemanella） 是对甲酚降解的主要贡献者，狭窄梭菌属 1 菌株（Clostridium_sensu_stricto_1） 与二甲二硫醚降解直接相关，在除臭方面具有潜在应用价值。 （3）筛选出猪粪高效除臭物质并揭示其除臭的微生物机理。实验证明，0.1 M 乳酸盐溶液相比柠檬酸盐、苯甲酸盐、山梨酸盐和水杨酸盐的除臭效率较高， 平均除臭效率达到 34.4%。乳酸盐主要降低了对甲酚的排放浓度，平均对甲酚去除率为 42.5%，48 小时达到最大对甲酚去除率 76.8%。临界胶束浓度和表观亨利 常数测定排除了乳酸盐增溶对甲酚作为主要除臭机制的可能。绝对定量 16SrDNA 测 序 显 示 ， 喷 施 乳 酸 盐 后 狭 窄 梭 菌 属 1 菌 株 （Clostridium_sensu_stricto_1）、链球菌属（Streptococcus）、黄单胞菌科未定名属 （g__norank_f__Xanthomonadaceae）等主要产臭微生物的微生物量比对照处理分 别提升了 3.3 倍、2.8 倍、4.2 倍。乳酸盐除臭的微生物机制主要是增强了对甲酚 的降解，关键微生物种群是慢生乳杆菌属（Lentilactobacillus，生物量增加 8.1– 217.9 倍 ）， 慢 生 乳 杆 菌 属 与 粪 杆 菌 属 （ Faecalibaculum ）、 双 歧 杆 菌 属 （Bifidobacterium）和毛螺菌科的 Lachnospiraceae_NK4A136_group 形成了共生 的微生物类群。 （4）喷洒碱性溶液可显著降低 VFAs、H2S 和对甲酚的释放，虽然会促进 NH3 释放，但总体上具有良好的除臭效果。与对照处理相比，喷洒 pH = 12、13、 14 的强碱溶液，除臭效率分别为 50.3%、62.0%、78.0%。喷洒 0.1 M、0.5 M、1.0 M Na2CO3/NaHCO3 缓冲液（pH = 10），除臭效率分别为 63.1%、51.8%、49.8%。 综合考虑 NH3 增排浓度，0.1 M Na2CO3/NaHCO3 缓冲液用作猪粪表面 pH 调控除 臭剂效果最佳。 （5）研发了改性生物炭除臭剂并研究其抑制 VSCs、对甲酚释放的机理。首 先验证了结合第一性原理计算和表观亨利常数测定优选改性生物炭作为粪污表 面施用除臭剂的方案可行性，并在 12 种生物炭/改性生物炭中优选出锰氧化物 锯末生物炭对 VSCs 和对甲酚的去除率最高。以 0.5 kg·m-2 的施用量喷施锰氧化 物-锯末生物炭到猪粪表面，平均除臭效率达到 80.9%。锰氧化物-锯末生物炭不 仅除臭效率高于高锰酸钾（0.1 wt.%），同时没有发现氧化副产物，较为绿色高效。 锰氧化物-锯末生物炭通过氧化降解和吸附作用抑制对甲酚和 VSCs 释放，对甲 酚降解包括甲基化和开环反应环节、而 VSCs 则直接矿化为 SO4 2-而没有观察到 其他中间产物。生物炭的较高比例的 Mn(Ⅲ)和金属氧化物表面吸附氧、较高的 芳香化程度和疏水性以及较高的初始 pH 值是提升猪粪表面施用除臭剂除臭效率 的关键因素。 通过本研究，全面识别了猪粪释放的主要致臭物质、找准了致臭物质释放的 空间位置、明确了产生和降解致臭物质的主要微生物类群，为开发猪粪源头除臭 技术提供了科学支撑；根据致臭物质产生和释放规律，开发了持久高效的除臭剂 并揭示了除臭机理，确立了猪粪源头除臭技术进一步优化的发展方向。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 202 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209237]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 程远. 猪粪致臭物质的产生与释放过程及源头除臭技术研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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