不同輔料與生物瀝浸深度脫水污泥混合堆肥中溶解性有機質(zhì)的光譜特征研究

盧 澤，席北斗，臺德志，陸良全，孫曉杰，張 軍，張 華*

1. 桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541006 2. 桂林理工大學巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541006 3. 中國環(huán)境科學研究院地下水與環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)新基地，北京 100012

引 言

2020年，我國在聯(lián)合國大會上提出CO2排放要爭取在2030年前達到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和。 隨著我國城市化建設快速發(fā)展以及農(nóng)林業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)提高，每年產(chǎn)生大量的市政污泥垃圾和農(nóng)林有機廢物，既有污染屬性又有資源屬性。 在碳中和背景下，將有機固廢(市政污泥垃圾和農(nóng)林有機廢物等)高效資源化利用，減污降碳是未來的發(fā)展趨勢[1]。 堆肥是將碳儲存在農(nóng)田土壤中的有效途徑，有機質(zhì)從土壤中來再回到土壤中去，是一種抵消CO2排放的重要策略[2]。 市政污泥有機質(zhì)含量高，經(jīng)過堆肥，污泥中的病原菌等風險物質(zhì)幾乎被完全殺滅，不僅減害減量，而且腐熟產(chǎn)品以土壤改良劑形式實現(xiàn)“還田”，為農(nóng)作物生長提供豐富的營養(yǎng)元素。 生物瀝浸技術(shù)能夠有效改善城市污泥的脫水效果，避免了常規(guī)污泥堆肥過程中含水率高所引起的問題，并且降低運行成本，有機質(zhì)等養(yǎng)分沒有明顯損失，具有很好的肥效。 為提高堆肥品質(zhì)，常添加木屑、 秸稈等農(nóng)林有機廢物作為輔料來優(yōu)化堆體條件[3]，如C/N比、 孔隙度、 含水率等，從而提升腐殖化程度。

溶解性有機質(zhì)(DOM)是土壤中極具流動性和活性的有機組分，能夠靈敏反映出堆肥腐熟情況，比堆肥中的固相組分更具有代表性。 近年來，因其靈敏度高和分析方便，紫外-可見光譜(UV-Vis)、 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和三維熒光光譜(3D-EEM)被應用于分析DOM的結(jié)構(gòu)和組分[4]。 通過UV-Vis光譜及特征參數(shù)，可對DOM的芳構(gòu)化和腐殖化程度進行評估[5]； FTIR能夠揭示DOM中的官能團基團信息[6]； 3D-EEM能夠在不破壞有機物自身結(jié)構(gòu)的前提下，解析DOM在堆肥過程中物質(zhì)成分的演變特征[7]。 現(xiàn)階段大部分對堆肥DOM的演化特征研究集中在畜禽糞便、 廚余垃圾等，或者是與常規(guī)市政污泥共堆肥，但是，少有研究采用四種農(nóng)林廢棄物作為輔料混合城市污泥進行堆肥對比，并且堆肥污泥的種類主要是常規(guī)脫水污泥，對生物瀝浸深度脫水污泥進行堆肥過程中DOM結(jié)構(gòu)、 物質(zhì)組成演變機制的研討以及不同輔料堆肥腐熟度優(yōu)劣的評估還較少。

以甘蔗渣、 秸稈、 米糠和木屑作為輔料，與生物瀝浸深度脫水污泥按一定比例混合堆肥，提取DOM進行分析比較。 聯(lián)合采用多種光譜學表征方法，從多個角度揭示DOM中有機質(zhì)的演化和腐殖化進程，并且深入分析特征光譜參數(shù)，特殊波段的吸收峰強度，更加細微表現(xiàn)了DOM中不同物質(zhì)成分在堆肥過程中的結(jié)構(gòu)和含量上的演變。 克服了單一指標評價堆肥腐熟度的局限性，為準確評估不同輔料與生物瀝浸深度脫水污泥協(xié)同堆肥的腐殖化程度提供一定的科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

堆肥試驗的主料采用生物瀝浸深度脫水污泥，取自桂林市雁山區(qū)污水處理廠，輔料分別采用甘蔗渣、 秸稈、 米糠和木屑，皆采購于農(nóng)副產(chǎn)品加工廠。 污泥和輔料的基本理化性質(zhì)如表1。

堆肥試驗設4個處理組，分別為T1： 污泥+甘蔗渣、 T2： 污泥+秸稈、 T3： 污泥+米糠、 T4： 污泥+木屑。 調(diào)節(jié)堆體比例為調(diào)理劑∶污泥=1∶4(鮮重比)來控制堆體含水率在50%～60%范圍，在圓桶(容積60L)中進行堆體發(fā)酵。 整個堆肥周期，按0，3，6，10，14，21，28和35 d分別取樣，充分混合后進行分析，每次采樣約500 g。

1.2 DOM的提取

將樣品凍干、 研磨過100目篩。 按照(1 g∶10 mL)的比例與去離子水混合，置于氣浴恒溫振蕩器中振蕩(轉(zhuǎn)速200 r·min-1，溫度25 ℃，時間24 h)，然后進行離心(轉(zhuǎn)速12 000 r·min-1，溫度4 ℃，時間20 min)。 將上清液過0.45 μm的濾膜，得到的濾后液即為DOM。 采用總有機碳分析儀(Muti N/C 3100)測定DOM的含碳量濃度(以DOC (mg(C)·L-1)計)。

1.3 方法

(1)紫外-可見光譜分析： 先將DOM的含碳量統(tǒng)一調(diào)節(jié)至20 mg(C)·L-1，使用紫外分光光度計(Lambda 750)掃描樣品，掃描范圍為190～700 nm。 測定254和280 nm波長的紫外吸光度，并與DOC作比值計算，記為SUVA254和SUVA280，對226～400 nm的紫外吸光度進行面積積分，記為A226～400，分別測定樣品253和203 nm吸光度的比值E253/E203，253與220 nm吸光度的比值E253/E220，250與365 nm吸光度的比值E250/E365。

(2)紅外光譜分析： 將DOM冷凍干燥成固體粉末，再與KBr以1∶200的比例研磨混勻，經(jīng)壓片機壓制成透明薄片。 利用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Nexus 470)對其掃描，掃描波長為400～4 000 cm-1，最后記錄光譜并以透射譜導出。

(3)熒光光譜分析： 測定前將含碳量統(tǒng)一為20 mg(C)·L-1，使用熒光光度計(F98 上海棱光)測定，以超純水作為空白對照。 熒光發(fā)射光譜掃描時，固定激發(fā)波長Ex=254 nm，發(fā)射波長(Em)掃描范圍： 280～520 nm。 熒光同步光譜掃描時，固定波長差(Ex-Em)為-30 nm，激發(fā)波長(Ex)掃描范圍： 250～600 nm[8]。 三維熒光光譜掃描時，激發(fā)波長(Ex)掃描范圍： 200～450 nm，發(fā)射波長(Em)掃描范圍： 280～550 nm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有測量均為三次重復。 使用Matlab 2017a處理三維熒光數(shù)據(jù)，繪制熒光光譜。 使用removescater和DOMFlour工具包對三維熒光數(shù)據(jù)進行平行因子分析，計算組分百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 UV-Vis分析

2.1.1 DOM紫外吸收曲線變化

圖1 堆肥過程中DOM的紫外可見光譜變化Fig.1 UV-Vis spectra of DOM during the composting process

2.1.2 紫外光譜中特征吸收值變化

四個處理組的SUVA280的變化趨勢也是先增幅較大，后增長平緩，其中T1和T2處理組的波動尤為明顯。 四個處理組在堆肥初始時的SUVA280值分別為T1： 0.40，T2： 0.57，T3： 0.39，T4： 0.43，到堆肥結(jié)束，SUVA280值分別上升為1.47，1.80，1.76，1.47，是堆肥前的3.7倍，3.2倍，4.5倍，3.4倍，T3處理組的增加倍數(shù)明顯高于其他處理組，說明T3處理組芳構(gòu)化程度相對較高，這可能是由于該處理組中多糖、 脂肪族等成分降解程度較高，生成芳香族物質(zhì)較多，腐殖質(zhì)物質(zhì)增加。

圖2 堆肥過程中SUVA254和SUVA280變化趨勢Fig.2 Variation trends of SUVA254 and SUVA280 during the composting process

為了更深入地說明堆肥過程中DOM的結(jié)構(gòu)變化，進一步分析了UV-Vis光譜中與堆肥腐殖化有關(guān)的參數(shù)。E253/E203，E253/E220這兩個參數(shù)一般用來表示DOM中苯環(huán)的取代程度以及取代基的種類，該值較小表明苯環(huán)上的取代基以脂肪鏈為主，該值增加則表明取代基中羰基、 羧基、 羥基及脂類增加。 從表2可以看出，到堆肥結(jié)束時，四個處理組的E253/E203和E253/E220值相較于堆肥初期顯著增加，E253/E203的增加幅度分別為T1： 81%，T2： 27%，T3: 200%，T4： 145%；E253/E220的增加幅度分別為T1： 51%，T2： 21%，T3: 96%，T4： 108%。 表明隨著堆肥的進行，DOM分子苯環(huán)上的脂肪鏈發(fā)生氧化分解，轉(zhuǎn)化為羧基、 羰基等官能團，DOM分子的腐殖化程度增強，其中T3、 T4處理組的增加幅度要大于其他兩個處理組。

E250/E365一般與DOM分子量大小和腐殖化程度呈負相關(guān)。 四個處理組的E250/E365值均隨著堆肥過程呈下降趨勢，表明有機質(zhì)分子量增大，腐殖化程度加深。A226～410值與DOM分子結(jié)構(gòu)共軛作用密切相關(guān)，表征DOM分子的縮合度。 四個處理組的A226～400在堆肥結(jié)束后顯著增大，表明四個處理組在堆肥過程均提高了DOM分子的縮合度，則腐殖化程度加深。

表2 堆肥過程紫外-可見光譜參數(shù)變化Table 2 Changes of UV-Vis spectral parameters during composting process

2.2 FTIR分析

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)廣泛應用于有機物的結(jié)構(gòu)和官能團組成分析。 不同堆肥時期DOM上官能團的吸收峰強度變化，揭示了堆肥過程中有機質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)的演化[10]。

由圖3可見，四個處理組的紅外光譜圖上出現(xiàn)了5個吸收峰，雖然輔料不同，但是吸收峰所在的波段位置大致相近。 T1處理組，5個吸收峰的位置大致在3 255～3 231，1 650～1 600，1 419～1 415，1 100～1 090和618～615 cm-1。 T2處理組，5個吸收峰的位置大致在3 400～3 225，1 659～1600，1 420～1 407，1 122～1 105和618～615 cm-1。 T3處理組，5個吸收峰的位置大致在3 324～3 226，1 658～1 604，1 420～1 418，1 106～1 070和617～615 cm-1。 T4處理組，5個吸收峰的位置大致在3 305～3 232，1 654～1 618，1 420～1 414，1 100～1 091和617～615 cm-1。

3 500～3 000 cm-1波段的吸收峰代表羧基、 醇和苯酚中的羥基； 1 660～1 600 cm-1有可能是烯烴中的碳碳雙鍵、 羧酸中的碳氧雙鍵或酰胺中的碳氧雙鍵的伸縮振動吸收引起； 1 420～1 330 cm-1位置的吸收峰代表腐殖質(zhì)物質(zhì)，是由對稱羧酸根陰離子對稱伸縮振動或芳香環(huán)類振動引起； 1 200～1 040 cm-1是由多糖類的碳氧鍵對稱伸縮振動引起[9]； 617～615 cm-1可能是不飽和炔烴類化合物的碳氫單鍵彎曲振動所引起的吸收峰。

3 500～3 000和1 660～3 000 cm-1吸收峰的存在，表明DOM中含有苯酚、 苯環(huán)官能團以及羧基； 1 420～1 330 cm-1吸收峰表明存在腐殖質(zhì)類物質(zhì)； 1 200～1 040 cm-1吸收峰存在表示DOM含有多糖類； 617～615 cm-1吸收峰隨著堆肥的進行，吸收強度明顯增強，意味著不飽和度在增加，腐殖化逐漸加深。

在同一處理組中，不同時期的DOM的紅外光譜特征差異不明顯，但在吸收峰強度上存在一定的差異[11]，表明DOM在堆肥前后官能團的種類大致相同，但隨著堆肥過程中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，DOM上官能團的含量在發(fā)生變化。 因此，進一步分析在不同特征波長下的吸收峰強度的比值，來準確表示DOM中有機物種類和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，進而評估堆肥腐殖化程度。

如表3所示，1 647/3 435表示芳香碳/碳水化合物碳，當芳香族物質(zhì)含量增加或者碳水化合物類物質(zhì)減少時，該比值增加。 T1和T2處理組呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，表明隨著堆肥進程，有機質(zhì)向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的量越來越多，到了堆肥后期，可腐殖化的有機質(zhì)越來越少，腐殖化程度開始降低。 T3和T4處理組的比值先減少，然后在波動中上升，有可能是堆肥前期，腐殖化程度較低，易分解的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成碳水化合物。 1 647/2 974代表芳族碳/脂族碳，該比值增加則表示堆肥芳香化程度增加。 在四個處理組中，該比值在堆肥高溫期較大，并且隨著堆肥進行呈現(xiàn)波動增加趨勢，表明芳香族物質(zhì)含量在增多，芳香化程度加深。 1 647/1 406表示芳族碳/羧酸碳，DOM中芳香族物質(zhì)含量越多則該比值越大。 在四個處理組中，該比值均呈上升趨勢，尤其是T3和T4處理組，該比值增幅分別為59%和172%，表明芳構(gòu)化程度加深。 1 647/1 112代表芳族碳/多糖碳，T1處理組中，該比值在高溫期快速降低，而后隨著堆肥進行緩慢增加。 T2處理組在波動中略有增加，T3處理組在第28天到達最大值，增加5倍，T4處理組該比值增加5.7倍，表明T3和T4處理組的芳香化程度較好。

綜合以上參數(shù)分析，DOM中用作微生物能源的脂肪族和多糖類物質(zhì)含量隨著堆肥進行而減少，而含有芳香環(huán)的芳香族類物質(zhì)在增加，表明腐殖化和芳香化程度在逐步加深，有機物的分解使得堆肥體系的穩(wěn)定化程度提高。

圖3 不同堆肥時期的DOM紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of DOM in different composting periods

表3 堆肥過程中紅外光譜特征參數(shù)吸收值的比值變化Table 3 Ratio changes of specific FTIR parameters of DOM extracted from different composting treatment processes

2.3 熒光發(fā)射、 同步掃描光譜分析

2.3.1 DOM發(fā)射熒光光譜分析

四個堆肥處理組的DOM發(fā)射熒光光譜如圖4所示，在堆肥過程中主要出現(xiàn)了兩個熒光峰，分別在334和422 nm波長附近。 在堆肥前期，334 nm附近的熒光峰強度顯著高于其他時期，隨著堆肥的進行呈現(xiàn)下降趨勢。 到了堆肥后期，熒光峰位置紅移至422 nm附近。 說明在堆肥過程中，結(jié)構(gòu)簡單、 共軛程度低的化合物被微生物分解利用，芳香基團不斷縮合，形成共軛程度高、 結(jié)構(gòu)復雜的類腐殖質(zhì)物質(zhì)，進一步加深腐殖化進程[12]。

圖4 堆肥過程中DOM的發(fā)射熒光光譜Fig.4 Emission fluorescence spectra of DOM in all treatments during composting process

圖5 堆肥過程中DOM的同步熒光掃描光譜Fig.5 Synchronous spectra of DOM during composting process

2.3.2 DOM熒光同步掃描光譜分析

相比常規(guī)熒光光譜，熒光同步掃描光譜具有更好的分辨率，從而獲得更多的結(jié)構(gòu)和官能團信息。 如圖5所示，在堆肥前期，四個處理組均在280 nm附近出現(xiàn)代表類蛋白的主峰，在堆肥開始時熒光強度大，而在堆肥后期熒光強度變?nèi)酰?此外在360和400 nm附近也出現(xiàn)了熒光峰，是由結(jié)構(gòu)復雜的腐殖質(zhì)類物質(zhì)產(chǎn)生，并且在堆肥后期熒光強度增強，表明腐殖質(zhì)類物質(zhì)越來越多。 隨著堆肥進行，類蛋白質(zhì)峰和兩個類腐殖質(zhì)峰的最大熒光峰位置都發(fā)生紅移，這與有機質(zhì)中稠環(huán)芳烴的存在有關(guān)，帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的有機質(zhì)含量增多，共軛程度增大，提高了堆肥穩(wěn)定度。

同步熒光光譜主要存在三個區(qū)，A區(qū)(250～308 nm)為類蛋白質(zhì)物質(zhì)區(qū)(PLR)，B區(qū)(308～363 nm)為類富里酸物質(zhì)區(qū)(FLR)，C區(qū)(363～500 nm)為類胡敏酸物質(zhì)區(qū)(HLR)。 計算這三個區(qū)域的積分面積占總面積的比值，分別標記為A250～308，A308～363，A363～500。 由表4可知，經(jīng)過35 d堆肥, 四個處理組的A250～308的值分別降低了0.35，0.46，0.33和0.44，表明類蛋白質(zhì)物質(zhì)和單芳香類化合物在不斷降解；A308～360和A363～500的值顯著增加，A308～360的值在堆肥結(jié)束后分別增加了53%，100%，28%和127%。A363～500的值則分別增加了89%，150%，114%和162%，表明類富里酸物質(zhì)和類胡敏酸物質(zhì)在增加，其中T4處理組的增加幅度相比較大。

表4 不同階段堆肥DOM的同步應光譜的參數(shù)變化Table 4 The change of parameter from the synchrotron spectrum of DOMduring composting process

2.4 結(jié)合PARAFAC模型分析3D-EEM

利用三維熒光光譜結(jié)合平行因子分析能夠更清晰地解析堆肥過程中DOM中腐殖質(zhì)物質(zhì)成分和組分的演化[13]。 如圖6所示，將四個堆肥處理組中DOM的三維熒光光譜，利用PARAFAC模型解析為三類熒光組分，分別為組分1(C1)、 組分2(C2)、 組分3(C3)。 將四個處理組中各個組分因子的最大激發(fā)和發(fā)射波長列于表5中。

表5 PARAFAC解析出四個堆肥處理組中DOM的3個組分Table 5 PAREFAC model identify the three different components of the DOM from the four composting treatments

從表5中可以看出，在四個堆肥處理組中，經(jīng)過PARAFAC模型解析出的3類組分，與同類研究鑒定出的組分進行比較[14]，四組堆肥處理組的C1屬于類富里酸物質(zhì)，C2屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì)。 類腐殖質(zhì)物質(zhì)可再劃分為富里酸和胡敏酸，由于胡敏酸的芳香性大于富里酸，所以胡敏酸的激發(fā)、 發(fā)射波長均會發(fā)生紅移，故短波長類腐殖質(zhì)表示富里酸，而長波類的腐殖質(zhì)物質(zhì)表示胡敏酸，因此處于長波段的C2有可能是胡敏酸物質(zhì)。 C3具有類蛋白物質(zhì)的熒光特性，熒光峰(285/335～340 nm)的位置與色氨酸的熒光峰位置(220～230和270～280/340～350 nm)相似，表明C3可能為類色氨酸。

通過PARAFAC模型將DOM識別為三類組分，并根據(jù)熒光峰位置分析了每類組分的結(jié)構(gòu)成分。 DOM中三類組分含量隨著堆肥進行也會隨之發(fā)生變化，如圖7所示。 四個處理組中組分C1和組分C2均表現(xiàn)為增長趨勢，組分C3表現(xiàn)為減少趨勢。

T1，T2和T3處理組中，堆肥初期主要以C1和C3為主，T4處理組以C3為主要成分。 在堆肥初期，四個處理組的C1分別為44%，34%，34%和15%，到堆肥結(jié)束時，C1分別增加至50%，50%，50%和44%。 在堆肥開始，四個處理組的C2分別為16%，14%，14%和14%，上升到堆肥結(jié)束時分別為30%，29%，29%和38%。 C1和C2組分分別代表類富里酸和類胡敏酸物質(zhì)，其中含有大量的醌基、 多酚等芳香基物質(zhì)，表明芳構(gòu)化、 腐殖化程度加深。 在堆肥起始，T1，T2，T3和T4處理組的C3分別為40%，52%，52%和71%，到堆肥結(jié)束后，C3分別下降至20%，21%，21%和18%。 表明隨著堆肥進行，類蛋白質(zhì)物質(zhì)易降解，穩(wěn)定性較低，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)[15]。 其中T3和T4處理組的腐殖化程度較深。

3 結(jié) 論

(1)UV-Vis結(jié)果顯示四個處理組DOM中的有機質(zhì)逐步腐殖化，SUVA254，SUVA280，E253/E203，E253/E220，E250/E365，A226～400等紫外特征參數(shù)變化趨勢顯示在堆肥過程中苯環(huán)結(jié)構(gòu)增多，分子量相應增加，羰基、 羧基增加，脂肪鏈發(fā)生氧化分解，DOM中有機質(zhì)的共軛作用增強。 相對其他處理組，T3和T4處理組的腐殖化程度較高。

圖6 基于平行因子模型的DOM三維熒光特征峰Fig.6 The three-dimensional fluorescence peaks of DOM based on parallel factor analysis

圖7 不同堆肥時期DOM的熒光組分百分比變化Fig.7 Changes in the percentage of fluorescence components of DOM in different composting periods

(2)FTIR結(jié)果顯示隨著堆肥時間的增加，芳香碳化合物在增加，脂肪族和多糖類化合物在減少。 T3和T4處理組的1 647/1 112值在堆肥前后變化顯著，分別增加了5倍和5.7倍，表明芳香化程度更深。

(3)發(fā)射光譜和同步熒光光譜表明類蛋白等結(jié)構(gòu)簡單的物質(zhì)含量不斷減少，芳香基團不斷縮合，形成共軛程度高，結(jié)構(gòu)復雜的類腐殖質(zhì)物質(zhì)，促進了堆肥穩(wěn)定度。 其中T4處理組的類腐殖質(zhì)物質(zhì)在堆肥結(jié)束后增加較多。

(4)結(jié)合PARAFAC模型分析3D-EEM，將DOM解析為類富里酸物質(zhì)、 類胡敏酸物質(zhì)和類色氨酸物質(zhì)，熒光組分百分比的變化揭示了有機物組成的變化趨勢，類蛋白物質(zhì)在堆肥前期被快速降解，類富里酸物質(zhì)和類胡敏酸物質(zhì)增多，轉(zhuǎn)化生成大量的醌基、 多酚等芳香基物質(zhì)，其中T3和T4處理組芳構(gòu)化程度更深。 因此，采用米糠和木屑作為輔料與生物瀝浸深度脫水污泥混合堆肥腐熟度更好。