一种生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统及其应用

1.本发明属于气溶胶采集和分析技术领域，更具体地，涉及一种生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统及其应用。


背景技术：

2.垃圾填埋至今仍然是我国主要的生活垃圾处理方式，在填埋过程中有机垃圾进行矿化和腐殖化，可降解有机组分经过不断的分解转化，给人类带来不容忽视的感官影响和环境污染，垃圾发酵过程固态、液态物质包括细菌、微生物及碎片等物质气溶胶化，悬浮在空气中，将造成人体暴露的直接环境，发酵过程中丰富的产气和微生物活动更是成为许多研究学者的关注焦点。
3.各类垃圾发酵反应器中多采用排水槽、集气袋收集气体或设排气管道进行废气排放，但存在无法储存大量气体和采集气溶胶的问题，能够储存足够气体成为分析气溶胶组成的关键。并且采取措施对循环水质进行调控和定向改变使得垃圾发酵更好进行。因此，设计一种收集气溶胶并且可在线监测温度、调控渗滤液循环水量和水质的采集和分析的装置，对于研究垃圾发酵过程以及生物气溶胶的释放及其潜在危害具有很大意义。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的问题。本发明的目的在于提供一种生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统。该系统通过垃圾发酵反应器简化了复杂的环境影响条件，在很大程度上减少了垃圾厌氧发酵过程中生物气溶胶的采集影响厌氧发酵的过程与机制，便于研究工作者从厌氧条件、环境参数、微生物群落结构等多方面开展全周期垃圾发酵研究，在发酵的过程中既可以不改变垃圾厌氧模拟发酵的条件，又可以在线成功实现生物气溶胶的在线采集和离线分析。
5.本发明的另一目的在于提供一种上述生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的应用。
6.本发明的目的通过下述技术方案来实现：
7.一种生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统，所述采集和分析系统包括依次连接的可拆卸的垃圾发酵反应装置、气溶胶收集装置和气溶胶采样装置，所述可拆卸的垃圾发酵反应装置包括渗滤液收集池、循环收集器和加药箱，所述循环收集器与所述渗滤液收集池连接，所述渗滤液收集池与所述加药箱连接；所述循环收集器与所述气溶胶采集装置通过螺栓法兰结构连接；所述气溶胶采样装置包括气溶胶采样箱和采样器主机，所述气溶胶采样箱内部设有筛孔式撞击盘，所述气溶胶采样箱与所述采样器主机连接，所述采样器主机与所述循环收集器连接，所述渗滤液收集池内嵌于底座上。
8.进一步地，所述渗滤液收集池为下锥体，所述筒体的顶端与所述气溶胶采集装置通过螺栓法兰结构连接；所述渗滤液收集池的底端设有渗滤液收集口，所述渗滤液收集池
的侧面设有渗滤液检测口；所述渗滤液检测口高于所述渗滤液收集口。
9.进一步地，所述循环收集器为筒体，其内部设有过滤分离部件、导气管、温度探头和喷淋头；所述分离部件设置在所述循环收集器的底部；所述导气管由平行于底部的十字交叉的支管和垂直于底部的支管组成；所述平行于底部的十字交叉的支管内嵌于所述分离部件中，所述温度探头位于所述循环收集器的中部；所述喷淋头位于所述循环收集器的顶端，所述喷淋头由若干支管分布组成，所述支管的侧端均匀分布等孔距等直径的小孔。
10.更进一步地，所述循环收集器的同一侧面的上端和下端分别设有循环液收集口和废气收集口，所述循环收集器的另一侧面设有若干个垃圾采样口；所述平行于底部的十字交叉的支管通过所述废气收集口外接于气泵，用于收集气溶胶采样装置过滤的气体，所述循环液收集口与所述喷淋头连接。
11.进一步地，所述循环液收集口和所述渗滤液收集口之间设有循环泵和流量计，所述加药箱通过循环泵与所述循环液收集口连接，将收集的渗滤液和添加的药剂喷淋到所述循环收集器中；所述药剂为抗生素溶液或金属盐溶液。
12.更进一步地，所述渗滤液收集口、循环液收集口、废气收集口处都设有球阀，用于控制液体和气体的流量；所述抗生素为盐酸四环素、青霉素、链霉素、庆大霉素或盐酸左氧氟沙星中的一种以上；所述金属盐为硫酸铜、硫酸锌或氯化铁中的一种以上。
13.更进一步地，所述过滤分离部件从上到下依次包括玻璃布层、砾石层和带孔的滤板。所述玻璃布层具有高强度、耐腐蚀的特点，能够作为垃圾发酵初级过滤布，所述砾石层可实现垃圾渗滤液的导流和过滤作用，所述带孔的滤板用于分隔筒体与渗滤液收集池，并促进渗滤液的收集。
14.进一步地，所述气溶胶采样装置与气溶胶收集装置位于同等高度，所述气溶胶收集装置的顶部和侧面分别设有气体检测口和气体收集口，所述气溶胶采样箱通过气体收集口与所述气溶胶收集装置连接，将含有气溶胶的废气输入到气溶胶采样箱中，所述的筛孔式撞击盘分别在顶部和底部的侧端设有气体进气口和气体排放口，所述筛孔式撞击盘的气体排放口通过硅胶管与所述气溶胶采样箱的气体排放口连接后，所述气溶胶采样箱的气体排放口与气溶胶采样器主机连接。
15.进一步地，所述气溶胶采样装置还包括控制器和支架，所述控制器安置在所述支架上，通过控制面板按键启动循环泵并设定液体回流时间。
16.进一步地，所述筛孔式撞击盘由若干采样层组成，所述采样层的孔径大小为0.25～1.18mm；所述采样层上放置琼脂平板，或者所述采样层上放置覆盖醋酸纤维素膜的所述琼脂平板。
17.所述的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的应用，所述系统采集的气溶胶样本的有效序列信息和测序覆盖度高于99.9％，测序覆盖度水平越高，气溶胶样本检出信息的可信度越高。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.1.本发明提供的采集和分析方法中，首先通过喷淋处理，有效改善垃圾湿度或其内部环境，然后通过气溶胶收集装置储存生活垃圾发酵所产气体，气溶胶采样箱使得筛孔式撞击器能便捷捕获释放的气溶胶，接着通过以琼脂和/或醋酸纤维素膜的采样基质对气溶胶粒子的截留采集到筛孔式撞击盘上，实现生物气溶胶在线采集，通过恒温培养计数和
高通量测序实现离线分析，进一步实现气溶胶中细菌组分的可培养和总微生物分析，为不同的研究目的提供多样性选择。
20.2.本发明提供的装置组合紧密，气密性良好，保证厌氧发酵环境的维持；反应器高度设计合理，在发酵的过程中既可以不改变垃圾厌氧模拟发酵的条件，又可以成功实现生物气溶胶的在线采集和离线分析。
21.3.本发明的系统可以调控渗滤液回流和加药箱中药剂的循环水量和水质，并由控制器确定循环泵运行起止和运作时间，能够用于研究不同组成因素影响下生活垃圾发酵释放气溶胶的相关机制。
22.4.本发明分区设置垃圾发酵和集气装置并紧密连接，提供充足的气溶胶储存空间，优于集气，发酵气体经采样后导入垃圾发酵反应装置中，保障采样的可持续性，实现便捷的气溶胶采样。
23.5.本发明的发酵反应器密封性好，采样便捷，采集气溶胶的微生物量充足，测序得到有效序列信息且测序覆盖度(测序获得的序列占整个基因组的比例)高于99.9％，测序覆盖度水平越高，检出信息的可信度越高，为全周期垃圾分解研究及其释放到空气中的微生物的分析提供有效方法，在发酵的过程中既可以不改变垃圾厌氧模拟发酵的条件，又可实现生物气溶胶的在线采集和离线分析。
24.6.本发明设置了气溶胶采样箱、渗滤液检测口、气体检测口、垃圾采样口，可以对微生物气溶胶及其之外造成环境危害的臭气、渗滤液、固体垃圾同期检测并进行多方位的研究工作。
附图说明
25.图1为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的结构示意图。
26.图2为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的导气管俯视示意图。
27.图3为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的喷淋头的(a)仰视示意图和(b)喷淋头的局部结构图。
28.图4为应用例1中生活垃圾(猪肉)在室温自然条件下分解的气溶胶中门水平细菌丰度图(细菌在门分类水平上的组成和占比)。
29.图5为应用例2中生活垃圾(鸡肉)在室温自然条件下分解的气溶胶中可培养细菌浓度图。
30.其中，1为垃圾发酵反应装置、2为气溶胶收集装置，3为气溶胶采样装置。11为循环收集器、12为渗滤液收集池、13为加药箱；14为螺栓法兰结构、15为底座；111为过滤分离部件、112为导气管、113为温度探头；114为喷淋头、115为循环液收集口、116为流量计、117为循环泵、118为废气收集口、119为垃圾采样口；121为渗滤液采样口、122为循环液出口；21为气体检测口、22为气体收集口；31为气溶胶采样箱、32为支架、33为控制器、34为气溶胶采样器主机；311为气溶胶采样箱的气体排放口、312为筛孔式撞击盘、3121为筛孔式撞击盘的气体进气口、3122筛孔式撞击盘的气体排放口，黑色箭头为气体流动方向。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
32.实施例1
33.图1为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的结构示意图。从图1可知，所述采集和分析系统包括可拆卸的垃圾发酵反应装置1、气溶胶收集装置2、气溶胶采样装置3。
34.所述可拆卸的垃圾发酵反应装置1包括循环收集器11、渗滤液收集池12、和加药箱13，所述循环收集器11与所述渗滤液收集池12连接，所述渗滤液收集池12与所述加药箱13连接；所述循环收集器11与所述气溶胶采集装置2通过螺栓法兰结构14连接；所述气溶胶采样装置3包括气溶胶采样箱31和采样器主机34，所述气溶胶采样箱31内部设有筛孔式撞击盘312，所述气溶胶采样箱31与所述采样器主机34连接，所述采样器主机34与所述循环收集器11连接，所述渗滤液收集池12内嵌于底座15上。
35.所述渗滤液收集池12为下锥体，所述渗滤液收集池12的底部侧面设有渗滤液收集口122，所述渗滤液收集池12的中部侧面设有渗滤液检测口121；所述渗滤液检测口121高于所述渗滤液收集口222。
36.所述循环收集器11为筒体，其内部设有过滤分离部件111、导气管112、温度探头113和喷淋头114；所述过滤分离部件111设置在所述循环收集器11的底部；所述导气管112由平行于底部的十字交叉的支管和垂直于底部的支管组成；所述平行于底部的十字交叉的支管内嵌于所述分离部件111中，所述温度探头113位于所述循环收集器11的中部；所述温度探头为k型热电偶温度探头，通过数显温度仪实时反应温度；所述喷淋头114位于所述循环收集器11的顶端，所述喷淋头114由若干支管分布组成，所述支管的侧端均匀分布等孔距等直径的小孔。
37.所述循环收集器11的同一侧面的上端和下端分别设有循环液收集口115和废气收集口118，所述循环收集器11的另一侧面设有若干个垃圾采样口119；所述平行于底部的十字交叉的支管通过所述废气收集口118外接于气泵，用于收集气溶胶采样装置过滤的气体，所述循环液收集口122与所述喷淋头114通过布水管道连接。
38.所述循环液收集口115和所述渗滤液收集口122之间设有流量计116和循环泵117，所述加药箱3通过循环泵117与所述循环液收集口115连接，将收集的渗滤液和添加的药剂喷淋到所述循环收集器11中。
39.所述渗滤液收集口122、循环液收集口115、废气收集口118处都设有球阀，用于控制液体和气体的流量。
40.所述过滤分离部件111从上到下依次包括玻璃布层、砾石层和带孔的滤板。
41.所述气溶胶采样装置3与气溶胶收集装置2位于同等高度，所述气溶胶收集装置2的顶部和侧面分别设有气体检测口21和气体收集口22，所述气溶胶采样箱31通过气体收集口22与所述气溶胶收集装置2连接，将含有气溶胶的废气输入到气溶胶采样箱31中，所述的气溶胶采样箱31内部设有筛孔式撞击盘312，所述的筛孔式撞击盘312分别在顶部和底部的侧端设有气体进气口3121和气体排放口3122，所述筛孔式撞击盘的气体排放口3122通过硅胶管与所述气溶胶采样箱的气体排放口311连接后，所述气溶胶采样箱的气体排放口311与
气溶胶采样器主机34连接。
42.所述气溶胶采样装置3还包括控制器33和支架32，所述控制器33安置在所述支架32上，通过控制面板按键启动循环泵117并设定液体回流时间。
43.所述筛孔式撞击盘312由若干采样层组成，所述采样层上放置琼脂平板，或者所述采样层上放置覆盖醋酸纤维素膜的所述琼脂平板。
44.所述的循环收集器11的外层覆盖高密度橡塑板保温层，减少发酵温度的散失。
45.所述气溶胶采样箱31的大小为30cm
×
30cm，筛孔式撞击盘312根据不同的研究目的在筛孔式撞击盘312的每个采样层放置琼脂平板或者放置覆盖醋酸纤维素膜的所述琼脂平板，气体从气溶胶收集装置通过废气收集口22进入气溶胶采样箱31，筛孔式撞击盘312采集生物气溶胶，滤过的废气气体从筛孔式撞击盘321的排气口3122通过气溶胶采样箱的气体排放口311、生物气溶胶采样器主机34，经废气收集口118输入循环收集器11中，保证了气溶胶样本可持续采集。
46.所述过滤分离部件111从上到下依次包括玻璃布层、砾石层和带孔的滤板，所述玻璃布层具有高强度、耐腐蚀的特点，能够作为垃圾发酵初级过滤布，所述砾石层实现垃圾渗滤液的导流和过滤作用，所述带孔的滤板用于分隔筒体与渗滤液收集池，并促进渗滤液的收集。
47.所述导气管112通过废气收集口118外接于气溶胶采样主机34，所述气溶胶采样主机34内含气泵，用于收集气溶胶采样装置3过滤的废气气体。
48.图2为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的导气管中平行于底部的十字交叉的导气支管的俯视示意图。从图2可知，所述平行于底部的导气支管由十字交叉的支管组成，所述支管的侧端均匀分布等孔距等直径的小孔。
49.图3为本发明的生活垃圾厌氧发酵释放生物气溶胶的在线采集和分析系统的喷淋头的(a)仰视示意图和(b)喷淋头的局部结构图。从图3可知，所述喷淋头由若干支管分布组成，所述支管的侧端均匀分布等孔距等直径的小孔。
50.应用例1
51.本应用例的生活垃圾为猪肉样品，购买自某农贸市场的新鲜肉类，含猪肉、猪肺、猪头、猪肝，采用实施例1提供的系统进行采样和分析：
52.(1)生活垃圾的混合与装填：将15kg猪肉类垃圾破碎至2～3cm混合均匀，填入设有玻璃布、砾石层、带孔的滤板的循环收集器中，带孔的滤板将生活垃圾与渗滤液分开，循环收集器和气溶胶收集装置通过螺栓法兰结构保持良好密封性。
53.(2)然后在加药箱中加入抗生素溶液或金属盐溶液(无菌水、抗生素为盐酸四环素、青霉素、链霉素、庆大霉素或盐酸左氧氟沙星中的一种以上；金属盐为硫酸铜、硫酸锌或氯化铁中的一种以上)，促进垃圾分解或调整垃圾组分，将渗滤收集液和抗生素(或金属离子溶液)通过喷淋头均匀喷淋到垃圾内部，增加垃圾湿度，进行生活垃圾厌氧发酵；
54.(3)循环收集器的液体循环：循环收集器与渗滤液收集池相连接，在循环泵作用下，渗滤液通过渗滤液收集口由布水管道回流到循环收集器上端的循环液收集口，调节布水管道上的流量计的流量为2l/min，使得渗滤液均匀分布在垃圾上，每四天回流一次。
55.(4)筛孔式撞击盘的装配及生物气溶胶的采集：将筛孔式撞击盘的多个采样层按照从上到下孔径逐渐减小的顺序安装好，从筛孔式撞击盘的进气口到出气口的采样层的孔
径依次变小，采样层的孔径大小为0.25～1.18mm，捕捉粒子范围>0.65μm。通过筛孔式撞击盘的每个采样层时，粒径大于筛孔的气溶胶被截留，采集到当层捕捉粒子范围的气溶胶，本应用例采用六层筛孔式撞击盘的采样层的孔径从上到下依次为，第一层：>7.0μm；第二层：4.7～7.0μm；第三层：3.3～4.7μm；第四层：2.1～3.3μm；第五层：1.1～2.1μm；第六层：0.65～1.1μm，分别在每个采样层放置相同的琼脂平板或者覆盖醋酸纤维素膜的琼脂平板，连接筛孔式撞击盘的气体排放口与气溶胶采样箱的气体排放口和气溶胶采样器主机，并将气溶胶采样器主机与循环收集器的废气收集口相连接。打开气体收集口，启动气溶胶采样器主机，气溶胶收集装置里的气溶胶被收集到气溶胶采样箱中，并且被撞击盘分层捕获，得到负载气溶胶的琼脂平板和截留气溶胶的醋酸纤维素膜。分别在发酵的第1、10、20、45、60天采集生物气溶胶，以研究垃圾发酵不同阶段生物气溶胶释放特征。
56.(5)循环收集器的气体循环：厌氧发酵产生的废气经筛孔式撞击盘后依次经生物气溶胶采样箱气体排放口、生物气溶胶采样器主机，从废气收集口输入到循环收集器中，平行于循环收集器底部的十字交叉和垂直向上的导气管与废气收集口相连，将收集的废气通过导气管的孔散布于循环收集器内，保证保障气溶胶采样的可持续性。
57.可培养细菌分析：取5mg/l制真菌素溶液，该制真菌素能够避免真菌干扰，让细菌生长，同时加入含有蛋白胨、牛肉膏粉、氯化钠和琼脂混合基质的培养皿中，制成可培养细菌的琼脂平板，将琼脂平板放置在筛孔式撞击器每个采样层，启动气溶胶采样5min，捕获得到多层不同粒径范围的可培养细菌；
58.将采样琼脂平板置于37℃的恒温培养箱孵育24h后初步计数，然后再孵育24～48h补充计数，按照计算公式得到采集气溶胶样本中可培养细菌浓度：
[0059][0060]
总细菌分析：采用醋酸纤维素膜样品气溶胶采样30min，将采样后所有层级的醋酸纤维素膜剪碎并混合均匀，采用液氮低温研磨至粉末状态，液氮低温保护气溶胶组分，增加膜脆性使膜易于磨碎，采用样品抽提dna后进行高通量测序，通过土壤基因组试剂盒(购于生工生物工程有限公司)进行dna提取，然后进行上机测序得到碱基序列信息，通过碱基序列信息分析样本的生物气溶胶群落组成结构。图4为应用例1中生活垃圾(猪肉)在室温自然条件下分解的气溶胶样本中门水平细菌丰度图(细菌在门分类水平上的组成和占比)。从图4中可知，在垃圾发酵(猪肉)过程中厚壁菌门占比最高，是垃圾发酵产生的气溶胶中的优势菌门，该系统可较好地应用于生活垃圾发酵释放气溶胶的在线采集和组成分析。本应用例中所采集和分析的第1、10、20、45、60天的生物气溶胶样本均获得有效序列信息并且测序覆盖度高于99.9％。
[0061]
应用例2
[0062]
与应用例1不同的在于：本应用例中生活垃圾鸡肉样品，购买自同一农贸市场的新鲜肉类，含鸡肉、鸡肠，等共12.5kg，除采样时间和分析部分外其他、步骤及条件与应用例1相同，采用实施例1提供的系统进行采样和分析：
[0063]
分别在发酵的第1、5、10、20、30天采集生物气溶胶，可培养细菌分析：由制真菌素(5mg/l)、蛋白胨、牛肉膏粉、氯化钠、琼脂混合制成琼脂平板，将此琼脂平板放置入撞击器各层并采样5min，得到多层不同粒径范围的可培养细菌，置于37℃的恒温培养箱，培养24～
48小时，微生物菌落计数后得到生物气溶胶可培养细菌浓度。图5为应用例2中生活垃圾(鸡肉)在室温自然条件下分解的气溶胶中可培养细菌浓度图。从图5中可知，总可培养细菌浓度在鸡肉分解第1天达到最高浓度(449cfu m
‑3)，大于2.1μm的细菌比例最高(>66％)，发酵初期的气溶胶浓度高以及鸡肉发酵产生较大粒径的生物气溶胶，该系统可应用于生活垃圾发酵过程在线采集气溶胶，并检测气溶胶浓度及其粒径分布。
[0064]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。