污泥堆腐過程中腐殖酸組分及結(jié)構(gòu)變化特征

王杰，閆鵬舉，楊春璐，袁雅婷，吳新顏，韓曉昕，潘瀟涵，陳忠林

遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036

污泥堆腐過程中腐殖酸組分及結(jié)構(gòu)變化特征

王杰，閆鵬舉，楊春璐*，袁雅婷，吳新顏，韓曉昕，潘瀟涵，陳忠林*

遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036

污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，含有重金屬、有機污染物、病原菌和寄生蟲卵等有毒有害物質(zhì)。為了明確堆腐對污泥中腐殖酸的影響，本研究在污泥∶草炭∶稻草=3∶1∶2（干重比）和55%含水量條件下，開展了為期30 d的堆腐試驗。采用紫外光譜儀、紅外光譜儀等儀器手段，研究了污泥堆腐過程中腐殖酸組成及結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，污泥堆腐過程中腐殖酸含碳量呈先下降后上升的變化規(guī)律，但變幅較??；胡敏酸含碳量由23.5 g·kg-1逐漸增至51.4 g·kg-1，增幅為118.9%；而富里酸碳含量則由46.1 g·kg-1逐漸降至20.8 g·kg-1，降幅為54.8%。紫外光譜表明，堆腐過程中胡敏酸和富里酸的最大吸收峰位置沒有發(fā)生明顯變化，但峰形變寬，E465/E665值降低；傅立葉變換紅外光譜表明，堆腐前后胡敏酸和富里酸特征吸收峰位置比較相近，但某些官能團的強度發(fā)生改變，堆腐后胡敏酸和富里酸的芳構(gòu)化和腐殖化程度提高。

污泥堆腐；胡敏酸；富里酸；光譜特征

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，污泥既含有豐富的有機質(zhì)、氮、磷和微量元素等營養(yǎng)成分，又包括有機污染物、重金屬和病原微生物等有毒有害物質(zhì)（Kulikowska，2016）。污泥不經(jīng)處理直接排放會污染土壤、地表水和地下水，使動植物生長受到危害，影響人類的生存和健康（范世鎖等，2015）。污泥堆腐就是污泥中有機物質(zhì)分解、形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程（Kelessidis et al.，2012）。研究表明，污泥堆腐可殺滅大部分病原微生物和有毒有害物質(zhì)，使污泥性質(zhì)穩(wěn)定化（Yuan et al.，2016）。目前，關(guān)于污泥堆腐過程中有機質(zhì)腐殖化方面的研究已有一些報道，但不同學(xué)者對于堆腐過程中腐殖酸含量變化的結(jié)論不盡相同（熊雄等，2008；鄭國砥等，2009；Zhou et al.，2014）。張雪英等（2004a）研究發(fā)現(xiàn)，污泥堆腐結(jié)束時腐殖質(zhì)含量較堆腐前增加了2倍以上；Kang et al.（2011）研究也發(fā)現(xiàn)污泥堆腐后腐殖質(zhì)含量較堆腐前增加10%以上；曲曉晶（2008）研究卻發(fā)現(xiàn)，污泥堆腐過程中腐殖質(zhì)呈先增加后降低變化，并且在堆腐結(jié)束時腐殖質(zhì)含量較堆腐前降低。同時，一些研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，采用紫外光譜、熒光光譜和紅外光譜等現(xiàn)代儀器手段，可以較好地對腐殖酸結(jié)構(gòu)進行定性分析（Amir et al.，2010；Albrecht et al.，2011）。為此，本研究通過紫外光譜和紅外光譜，對污泥堆腐過程中腐殖酸含量及結(jié)構(gòu)變化進行定性和定量分析，以期為科學(xué)評估污泥腐殖化程度提供理論依據(jù)，同時為污泥無害化處理奠定實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試污泥為沈陽市北部污水處理廠的新鮮脫水污泥，堆腐調(diào)理劑為草炭和稻草秸稈，污泥、草炭和稻草秸稈的基本性質(zhì)詳見表1。

1.2 試驗設(shè)計

在污泥∶草炭∶稻草=3∶1∶2（以干重計）和55%含水量條件下混合物料，堆體大小約為2 m×3 m×1.5 m，堆腐周期為30 d。每隔5天翻堆1次，進入高溫期后視情況進行翻堆，以使堆體反應(yīng)均勻。堆腐物料混合好后進行1次采樣，之后每隔5天采樣1次。將所采集的樣品均勻地平鋪在牛皮紙上，攤成薄層于室溫下風(fēng)干，磨碎后分別過20目和60目，用于相關(guān)指標測定。

表1 污泥和調(diào)理劑基本性質(zhì)Table 1 The basic characteristics of sewage sludge and bulking agents

1.3 測定項目及方法

有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化法（中華人民共和國環(huán)境保護部，2011）。

腐殖酸分組和測定：稱取2.0 g（精確到0.0001 g）已過60目篩的污泥堆腐樣品于50 mL離心管中，加入40 mL 0.1 mol·L-1Na2P4O7和0.1 mol·L-1NaOH混合液，常溫振蕩16 h（150 rpm），靜置后離心20 min（4000 rpm），之后用0.45 μm混合纖維濾膜過濾，反復(fù)提取直至提取液接近無色。收集濾液，用2 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)pH值至6.0，即為腐殖酸組分（HS）。吸取上述腐殖酸溶液20 mL于小燒杯中，逐滴加入2 mol·L-1HCl至出現(xiàn)沉淀，轉(zhuǎn)入干凈的離心管中，離心20 min（4000 rpm），上清液即為富里酸組分（FA），沉淀即為胡敏酸組分（HA）。將上述胡敏酸沉淀重新溶解于0.1 mol·L-1NaOH溶液中，離心去掉不溶解物，再用2 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)pH至6.0，離心棄掉上清液，沉淀留存待用。各個組分含碳量采用重鉻酸鉀氧化法測定，以g·kg-1計。

紫外光譜掃描：在TU 1810 pc紫外-可見分光光度計上進行測定，掃描范圍為200～700 nm，樣品質(zhì)量濃度為100 mg·L-1。根據(jù)光譜數(shù)據(jù)，計算特征紫外吸光系數(shù)E465/E665比值。

紅外光譜測定（Provenzano et al.，1998）：采用Spectrum one傅立葉變換紅外光譜儀進行掃描，將1 mg凍干的待測樣品與400 mg干燥的KBr磨細混勻，在20～30 MPa壓力下壓成薄片，掃描范圍為4000～400 cm-1。1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和Origin 9.0對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，并通過SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不同堆腐時期腐殖酸、胡敏酸和富里酸含碳量差異采用單因素方差分析（One-way ANOVA），并利用LSD法進行差異顯著性檢驗（α=0.05），圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥堆腐過程中腐殖酸、胡敏酸和富里酸含碳量變化

堆腐的第一階段是有機質(zhì)的分解，第二階段則是合成新的腐殖質(zhì)，包括胡敏酸（HA）和富里酸（FA）等物質(zhì)。腐殖化系數(shù)（H/F）是指腐殖質(zhì)中HA和FA的比例值，其比值越大，腐殖物質(zhì)的腐殖化程度和分子復(fù)雜程度越高（Zhou et al.，2014）。腐殖質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化程度是決定堆腐質(zhì)量及腐熟度的重要因素之一。

由圖1可知，堆腐對污泥中腐殖酸、胡敏酸、富里酸以及H/F比值變化影響均達顯著水平（P＜0.05）。其中，污泥中腐殖酸含碳量呈先降低后上升的變化規(guī)律，堆腐前腐殖酸含碳量為69.5 g·kg-1，堆腐進行至第15天時含碳量最低，為64.6 g·kg-1，之后其含碳量顯著增加，至堆腐結(jié)束時其含碳量增至72.2 g·kg-1，較堆腐前增加了3.8%。盡管污泥堆腐過程中腐殖酸含碳量增幅不大，但其組成發(fā)生了顯著變化。隨堆腐的進行，污泥中胡敏酸含碳量由23.5 g·kg-1逐漸增至51.4 g·kg-1，增幅為118.9%；而富里酸含碳量則由46.1 g·kg-1逐漸降至20.8 g·kg-1，降幅為54.8%。并且腐殖酸中胡敏酸碳所占比例由堆腐前的33.7%逐漸上升到71.2%，富里酸碳所占比例由堆腐前的66.3%逐漸下降至28.8%，而H/F比值則由堆腐前的0.51上升至2.47。H/F比值的提高表明污泥堆腐過程中有機物不斷向穩(wěn)定化和腐殖化方向轉(zhuǎn)化（鄭國砥等，2009；Kang et al.，2011；Barje et al.，2012）。這可能是由于簡單的富里酸分子聚合形成大分子的固相腐殖酸，或者是由于富里酸具有較低的分子量和較強的水溶性，在有機物質(zhì)的降解作用下，極易被分解（Jouraiphy et al.，2005）。Bernal et al.（1998）發(fā)現(xiàn)由腐熟的城市垃圾、污泥和豬糞等物料混合堆腐的H/F比值均大于1.9。一般認為，胡敏酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，芳構(gòu)化程度高，而富里酸結(jié)構(gòu)簡單，進一步證明污泥堆腐過程中有機質(zhì)逐漸形成分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖類物質(zhì)，污泥腐殖化程度提高（Troy et al.，2012）。張雪英（2007）研究進一步發(fā)現(xiàn)堆腐結(jié)束后污泥中分子量大于8000 Da的腐殖質(zhì)含量由39.4%增到75.2%，增幅為35.8%，這與本研究的結(jié)論比較類似。

2.2 污泥堆腐過程中胡敏酸和富里酸結(jié)構(gòu)變化的紫外-可見光譜表征

腐殖物質(zhì)分子中的多價健與非共用電子，通常具有發(fā)色基團（C=C、C=O）與助色基團（C—OH、C=NH2），它們都在紫外光區(qū)域具有吸光作用。腐殖物質(zhì)的紫外光譜曲線斜率越大，分子復(fù)雜程度越低（竇森，2010）。腐殖物質(zhì)的色調(diào)與其腐殖化程度密切相關(guān)，E465/E665值通常作為腐殖酸品質(zhì)或縮合度、芳構(gòu)化程度的重要指標。一般認為，E465/E665值越高，腐殖物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)越簡單，腐殖化程度低（文啟孝，1984；閆金龍等，2014）。

圖1 污泥堆腐過程中腐殖酸含量及其組成變化特征Fig. 1 The variation characteristics of humic substances and its composition

由圖2可知，堆腐前后污泥中胡敏酸紫外光譜在200～600 nm范圍內(nèi)的吸光值呈先上升后下降的變化特征。堆腐前后胡敏酸最大吸收峰位于233 nm，沒有發(fā)生明顯位移，在270～360 nm區(qū)域出現(xiàn)類肩峰，堆腐前后胡敏酸在200～360 nm紫外區(qū)域吸收強度沒有明顯變化，圖譜重疊較嚴重。但隨著堆腐的進行，胡敏酸在波長大于360 nm區(qū)域的吸收強度逐漸增大，峰形逐漸變寬，表明胡敏酸腐殖化程度增強。陳恩鳳等（1985）指出在320 nm附近區(qū)域出現(xiàn)小類肩峰可能是苯基脂族取代的加合峰，而康軍等（2010）認為，345 nm附近的肩峰是由帶孤對電子的生色團產(chǎn)生的，可能是由羰基（C=O）或羥基（-OH）中氧原子孤對電子的n→π*躍遷引起。此外，污泥堆腐過程中胡敏酸紫外光譜E465/E665值由堆腐前的6.9逐漸下降至4.8。表明污泥堆腐后胡敏酸腐殖化程度提高、縮合度增加。

圖2 污泥堆腐過程中胡敏酸和富里酸紫外-可見光譜變化特征Fig. 2 Characteristics of ultraviolet-visible spectroscopy of HA and FA during sewage sludge composting

圖3 污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸紅外光譜特征Fig. 3 The infrared spectra characteristics of HA and FA before and after sewage sludge composting

由圖2還可知，堆腐前后污泥中富里酸紫外光譜在200～600 nm范圍內(nèi)的吸光值也呈先上升后下降的變化規(guī)律，但在波長小于500 nm后吸收值極低，并且富里酸的峰寬明顯較胡敏酸窄。這是因為富里酸相對胡敏酸，其分子量低、分子結(jié)構(gòu)簡單、含有的芳香族基團（C=C）數(shù)量少（Amir et al.，2005）。堆腐前污泥中富里酸最大吸收峰位于215 nm附近，這是由含有π—π共軛結(jié)構(gòu)的分子（如芳香族）中的電子躍遷引起（范春輝等，2015）。堆腐后富里酸峰形較堆腐前變寬，最大吸收峰向右平移了3～5 nm，表明腐殖化程度加深。而在285～325 nm區(qū)域出現(xiàn)的吸收平臺，則為木質(zhì)素成分的特征（竇森等，1995）。同時，污泥堆腐過程中富里酸紫外光譜E465/E665值由18.8逐漸下降為9.9，表明污泥堆腐后富里酸芳構(gòu)化程度提高（Yamashita et al.，2003）。

2.3 污泥堆腐過程中胡敏酸和富里酸結(jié)構(gòu)變化的紅外光譜表征

一般認為，在堆腐過程中腐殖質(zhì)的組成和含量變化的同時，分子的結(jié)構(gòu)及縮合度也發(fā)生很大的變化（張雪英等，2004b）。

由圖3可知，污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸的紅外特征峰位置與水溶性有機物比較相似。在波數(shù)為3490、3408、2451、2116、1652、1539、1396、1096、1022、898、721和594 cm-1附近均出現(xiàn)特征吸收峰。由圖3還可知，污泥堆腐后胡敏酸和富里酸在波數(shù)為1650 cm-1處的吸收較堆腐前變強，表明芳香結(jié)構(gòu)物質(zhì)數(shù)量增加（張雪英等，2004b）。另一方面，雖然污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸的特征峰位置比較相似，但峰形和峰強存在差異，尤其是堆腐前后胡敏酸在1650 cm-1處的吸收均較富里酸強，這是因為胡敏酸芳構(gòu)化程度更高，而富里酸則具有更多的結(jié)構(gòu)簡單的低分子量物質(zhì)，且其芳構(gòu)化水平相對較低（Jindo et al.，2016）。同時堆腐前后富里酸在1540 cm-1處的吸收均比胡敏酸強，表明富里酸較胡敏酸脂族性強（Amir et al.，2010）。有機質(zhì)的穩(wěn)定性增強，同時羧基、酚羥基和烯醇基等基團增加，更意味著堆腐過程可促進腐殖質(zhì)產(chǎn)生更多的可絡(luò)合金屬和有機物的吸附點位（Wang et al.，2014）。

3 結(jié)論

堆腐對污泥中腐殖酸含碳量變化影響較小，但對其組成影響較大，堆腐結(jié)束時胡敏酸含碳量較堆腐前增加了118.9%，富里酸含碳量較堆腐前降低了54.8%。同時，隨堆腐試驗的進行，H/F比值由0.51升高至2.47，胡敏酸和富里酸的E465/E665值表現(xiàn)出不同程度地下降，分子間縮合度增加，污泥中的有機物質(zhì)腐殖化程度和芳構(gòu)化水平提高。

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The Variation Characteristics of Humic Substances’ Components and Structure in Sewage Sludge during Composting

WANG Jie, YAN Pengju, YANG Chunlu, YUAN Yating, WU Xinyan, HAN Xiaoxin, PAN Xiaohan, CHEN Zhonglin
College of Environmental Sciences, Liaoning University, Shenyang 110036, China

Sewage sludge originates as a by-product from the waste water treatment process. It includes lots of toxic and harmful substances such as heavy meatals, organic pollutants, pathogenic bacterias and parasitic ovums. In order to clarify the effects of composting on humic substances in sewage sludge, this study conducted composting experiment for 30 days under the initial condions of sewage sludge∶peat∶straw=3∶1∶2 (calculated by dry weight) and 55% water content. The variation of the component and structure of humic substances in sewage sludge that occurred during composting was studied through the instruments of ultraviolet spectrograph and infrared spectrograph. The results indicated that, the concentrations of humic substances-carbon increased after an early decrease; the concentrations of humic acids-carbon ranged from 23.5 g·kg-1to 51.4 g·kg-1with a increasing rate of 118.9%, while the concentrations of fulvic acids-carbon ranged from 46.1 g·kg-1to 20.8 g·kg-1with a reduction rate of 54.8%. Ultraviolet spectroscopy detected no obvious change in the wavelength of the maximum absorption peak, but the peak shape was broadened, with decreased E465/E665ratio. Fourier transform infrared spectroscopy revealed the similar peak patterns for humic acids and fulvic acids, but the intensities of some peaks became stronger at the end of the composting. The aromatization and humification of humic acids and fulvic acids increased during sewage sludge composting.

sewage sludge composting; humic acids; fulvic acids; spectroscopy characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.023

Q945; X705

A

1674-5906（2017）01-0154-05

王杰, 閆鵬舉, 楊春璐, 袁雅婷, 吳新顏, 韓曉昕, 潘瀟涵, 陳忠林. 2017. 污泥堆腐過程中腐殖酸組分及結(jié)構(gòu)變化特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(1): 154-158.

WANG Jie, YAN Pengju, YANG Chunlu, YUAN Yating, WU Xinyan, HAN Xiaoxin, PAN Xiaohan, CHEN Zhonglin. 2017. The variation characteristics of humic substances’ components and structure in sewage sludge during composting [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 154-158.

遼寧省博士啟動基金項目（20121033）；遼寧大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”（201610140139）

王杰（1981年生），女（滿族），高級實驗師，博士。E-mail: wangjie811226@163.com

*通信作者

2016-11-18