文|认知百事

编辑|认知百事

前言

垃圾填埋场的气体和液体排放对人类健康和环境构成极大的威胁，填埋废物中的有机物在生物降解过程中会产生这些排放物，从而严重影响周围环境，垃圾填埋场的生物降解过程受多种因素的影响。

包括废物中的有机物含量、填埋场的年龄、温度、氧气状况、沉积物的异质性以及有机物的生物降解性，有机物的生物降解性对垃圾填埋场的管理至关重要，因为它直接影响着甲烷产生的潜力。

全球范围内，未处理的城市固体废物是垃圾填埋场中可生物降解碳的主要来源，其中有机废物占据了主导地位。塑料、纸板和纸张等材料也是潜在的碳源，但它们在厌氧条件下衰减速度相当缓慢。

填埋固体废物的生物降解性

在生物降解过程中，C：N比例逐渐缩小，因为易降解的碳主要被转化为甲烷和二氧化碳，同时碳含量和生物降解性也随之降低， 更为难降解的材料则会滞留在填埋场中。

近年来为了减少垃圾填埋场的排放，生物反应器方法逐渐受到关注，该方法旨在通过加速废物的生物降解来减少垃圾填埋场的长期排放，原位曝气是一种生物反应器技术，通过引入氧气来减少垃圾填埋场的危险排放。

这种方法可以减少气态甲烷排放和渗滤液中氨的排放。为了预测垃圾填埋场的剩余排放潜力并确定就地措施的终点，碳质量在废物的生物降解方面显得尤为重要。

目前垃圾填埋场排放的预测通常基于实验室条件下校准的一阶衰变模型，该模型被广泛使用，因为更复杂的模型的参数评估实际上不可行。

更深入地了解潜在的降解过程可能有助于改进对厌氧和好氧垃圾填埋场条件的预测，在有机废弃物的堆肥中，有机废弃物的降解过程同样起着至关重要的作用。

深入了解微生物降解废物过程中碳质量的变化，有助于在生化水平上理解该过程，从而更好地理解垃圾填埋场排放模型， 并估计原位曝气的成功率， 为此我们在为期2年的实验室实验中，应用Biolog® EcoPlates™方法对不同氧化水平下的固体废物进行了研究。

垃圾填埋场材料

样品来自于位于维也纳附近的垃圾填埋场的一个填埋隔间，该隔间在1980年代填满，我们在2017年的第20个月进行了钻探新气井并采集了样品，然后筛分至≤200毫米。

这些废料被收集起来，并密封在2015升的桶中，在厌氧条件下储存在安装到反应器中并用铲子混合之前，我们对样品进行了处理。它由典型的填埋废物混合物组成。

该实验涉及九个垃圾填埋模拟反应器的运行，反应器采用聚丙烯制成，并定期从上面浇水， 在废料顶部约10厘米处安装了一个板条箱 ，以防止废料淹没，每个反应器的总容量为60升，相当于初始废料质量为38.3千克±1.2千克。有关反应器的更多详细信息。

在经过57天的初始厌氧阶段后，实验中的六个反应器进行了处理，其中三个反应器在剩余的706天内进行了好氧处理， 另外三个反应器进行了混合处理并持续244天 ，还有三个反应器在整个实验期间都进行了厌氧处理。

我们使用氩氧混合物，作为曝气气体，使用热质量流量计记录每个反应器进入的气体流量，流速在0至0.1之间，并手动进行调整。我们记录了每个反应器的温度并进行单独的控制，设定值为35°C。

在整个实验开始和结束时，我们从每个反应器中取出了固体样品，为了保持厌氧条件的完好无损，在厌氧操作期间没有进行取样。对于充气（好氧和混合）反应器，我们总共进行了五次取样。

取样期间的条件（曝气状态）显示在样品大小之前的括号中，由于操作变化，采样与以下事件有关：安装时的初始取样（适用于所有反应器，包括厌氧N = 9）在初始厌氧阶段之后， 在曝气开始之前仍然是厌氧条件。

厌氧n = 6）曝气两个月后（114天；有氧N = 6）运行一年后（358天；好氧N = 6），直到终止曝气进行混合处理之前在终止时间点，连同厌氧处理（763天；厌氧n = 6，有氧n = 3）

在安装后的第一次取样活动中，所有反应器都处于相同的（厌氧）状态（n = 9）。只有在实验结束的763天后的最后一次取样活动中，不同的处理反映在每个处理的三个固体样品中。

在取样过程中，我们将材料强烈混合，然后随机取样并筛分（≤ 4 mm），只有这个部分用于生态生理分析，通常情况下，我们每四周定期取样渗滤液，并在操作改变后加强取样间隔。

重点是微生物群落组成随时间的变化以及固相和液相微生物群之间的差异或交叉点，因此采样事件相关的渗滤液进行生态表型微阵列分析。

同时在大多数情况下， 我们需要以6°C的温度进行冷却储存， 不幸的是，在一个案例中，在处理生态表型微阵列之前，样品必须被冷冻至-20°C。

冈珀茨方程的应用

尽管龚珀茨应用在时间过程和治疗上都显示出了一定的变化，但在总共1,085条测量曲线中，龚珀茨拟合仅能应用816次，成功率为75%。

为了进一步分析，因此龚珀茨积分和样条积分的值表现出高度相似性，对于龚珀茨拟合失败的情况，我们考虑了96小时内样条插值的积分。

微生物联盟的微生物代谢活性和生长都达到最低点，这在间歇式反应器实验中是可以预料的：更顽固的底物部分会逐渐积累，而更容易降解的部分则会变得越来越少，在最后一次取样活动中，所有底物组中的厌氧处理均显示出比需氧处理更高的活性。

胺上的微生物生长通常变化很大，并且在实验中期显示出最高值，增加了5倍左右与初始值相比，微生物群落能够在实验的前半部分显示出对氨基酸的最高活性，但与胺相比， 氨基酸活性的增加适度。

碳水化合物的总体生长/活性最初最高，并随着时间的推移降低到初始值的5%以下，对于羧酸，实验的前半部分略有增加，然后减少聚合物表现出与胺相似的模式，直到第114天才显着增加，并从那时开始减少。

在最后一次取样活动中，我们发现好氧、厌氧和混合处理组之间仅在羧酸和聚合物方面存在显著差异，其中厌氧处理显示出最高的利用能力。

抽样策略：比较固体和液体样品的不同采样策略，发现所有底物组之间存在显著差异，就胺而言，最初固体样品比液体样品表现更强，在第114天的取样活动中，而在最后一次取样活动中，这种趋势相反，渗滤液样品显示出更高的值，此外第114天的变化相对较大，两种采样策略都显示出类似的趋势。

微生物活性与生物降解性的关系

为了衡量城市固体或有机废物的生物降解性，RI4通常被用作代理措施，因为它具有可重复性和标准化，在废物管理中，了解废物的生物降解性非常重要，因为它是未来排放的驱动因素，在奥地利和德国，测量废料的折射率RI4在填埋之前是必要的。

呼吸指数用于确定含有有机组分的废物样品的微生物活性，并且可以通过测量CO2的产生或在O2标准化条件下的耗氧来计算，高RI4值表明微生物呼吸活动的可能性很高，而在治疗后114天内呼吸指数有所恢复，观察到的厌氧情况也有所减少， 但随着时间的推移，呼吸指数逐渐下降斤。

值得注意的是，在曝气后的混合处理中，呼吸指数RI4显著增加，这甚至高于观察到的厌氧处理在实验结束时的呼吸指数RI4。

了解城市固体废物的生物降解性对于垃圾填埋场从业者和环境影响评估至关重要。微生物群落的降解能力与RI4存在一定关系，碳水化合物和RI4之间存在很强的线性关系，而聚合物降解与RI4之间的负相关性较弱。

胺、氨基酸和羧酸与RI4之间的关系不太明显，因此使用碳水化合物和聚合物作为多元线性模型来预测RI4。

碳水化合物 - 0.5聚合物其中，碳水化合物和聚合物是其子组在590nm处外径的标准化积分。所有模型参数值小于0.001， 调整后的R2基于0个样本，值为69.36。

由于这两种基质基团与城市固体废物的短期生物降解性高度相关，因此各个组分如图所示。与RI4类似，单个碳水化合物组分在实验早期显示快速下降，除了纤维素单体D-纤维二糖和赤藓糖醇，在处理对微生物群落利用不同碳源的能力没有显示出很大的影响。

在聚合物方面，降解能力的时间过程显示出不一致的趋势，两个补间分数均表明初始增加，然后充气处理强烈下降，厌氧处理略有变化，α-环糊精的时间过程显示，充气处理之间变化很大， 糖原在114天之前显示出增加的趋势，然后开始减少。

在需氧处理中，糖原的降解能力最高。糖原是许多微生物的重要储存分子。它的积聚或分解受环境因素的控制，例如葡萄糖浓度。与底物组中的其他聚合物相比，它的降解能力相对较高。

方*论法**方法的验证

平均孔颜色显影的常见用法可能会导致样品生态特征的丧失，信号的积分显示出比使用其他方法（如最小值或最大值）更高的统计功效，与其他人一样，这对于天然土壤和固体垃圾填埋场样品都非常重要，因为它们具有高度异质的特性。

对于手头的纸张，无法计算AWCD，因为没有进行T = 0的测量，这也可能导致在所选的积分方法中略微低估信号，因为T = 0被认为是0，在未来的方法中，进行初始设置时进行测量也是非常重要的。

这使得解释更有意义，而不是直接使用测量值进行积分，结果表明，至少对于碳水化合物和聚合物，处理之间以及时间点之间的差异令人惊讶地低，对于氨基酸和胺， 变化要高得多，这可以通过旧填埋废物的成分来解释。

在269个无法进行拟合的样品底物中，116个样品的积分值低于96，这表明大部分无法拟合样品的呼吸活性相当低，对于那些同时应用样条插值和拟合的测量实体，这两者之间的相关系数为0.999。这是拟合方法的直接结果，因为拟合基于样条函数。

系统包含不同氧气条件下的垃圾填埋生物反应器，这意味着，除了垃圾填埋废物的经典厌氧生物降解之外，还研究了好氧降解，在废物管理中，堆肥过程研究有机废物的好氧降解，在那里，基材质量与工艺评估高度相关。

堆肥稳定性在技术上被定义为对进一步微生物分解的抵抗力的量度。在间歇系统中有机物的降解过程中，材料自然变得越来越顽固，因为易降解的物质被氧化成一氧化碳2或者，在厌氧情况下， 也减少到CH4。MSW中更顽固的成分是木材和橡胶。

这些特征归因于更大和更复杂的化合物，这些化合物以底物组聚合物表示，这里调查的废料取自一个相当古老的垃圾填埋场，因此发现聚合物降解是呼吸指数的相关预测因子也就不足为奇了。

为了确定修复技术的终点，垃圾填埋场原位曝气被证明是相当具有挑战性的，众所周知，在曝气处理后，废物稳定性会立即增加，但是在曝气终止并且垃圾填埋场再次陷入厌氧状态后会发生什么？

这对于垃圾填埋场中最相关的氮物种来说尤其重要，但在这里我们发现，在实验室条件下，RI在曝气终止一年后仍有所增加，我们假设，随着氧气的消失，在严格需氧微生物群的微生物死亡事件之后，会发生副产物的积累， 这些副产物在厌氧条件下不能完全降解。

通过对厌氧物质进行氧化测试，可以在RI期间对这些储存的化合物进行有氧呼吸。有待进一步调查的是，这种观察到的现象在测试条件下是否是人工制品，或者它是否也会在终止后对原位曝气的全面应用造成困难。

笔者认为

研究旧填埋场的MSW废物降解过程，可以将微生物联盟的代谢活性与废物材料的反应性联系起来，这意味着废物中的碳水化合物的生长和呼吸潜力以及利用聚合物的潜力都会影响到RI4的变化。

我们也观察到在停止曝气处理后的一年内，RI4的值有所增加， 这个现象需要进一步的调查 ，因为在实际现场条件下，停止措施后可能会出现不受控制的碳释放或温度升高的情况，这可能会影响到RI4的变化。