基于光譜色譜分析熱解溫度對沼渣生物炭DOM組成特性的影響

焦宇欣， 李東陽， 龔天成， 常燕青， 孫孟陽， 全文潔， 楊天學*， 王 銘

1.貴州民族大學生態環境工程學院， 貴州 貴陽 550025

2.中國環境科學研究院， 北京 100012

3.維爾利環保科技集團股份有限公司， 江蘇 常州 213125

我國餐廚垃圾、市政污泥、畜禽糞便及農作物秸稈等有機固廢產生量巨大，對環境污染嚴重[1-2]. 據統計，截至2020年，我國城市污泥的產生量突破6.0×107t，預計到2022年將達到8.9×107t[3]；農作物秸稈的產生量更是高達9.0×108t[4]；畜禽糞便產生量達到3.8×109t[5]；餐廚垃圾產生量突破2.0×108t，年增長速率超過10%[6-7]. 有機固廢長期未得到合理利用和處理，不僅會占用大量土地，而且在堆積過程中可能變質，進而污染土壤和地下水. 厭氧發酵技術具有減少固廢體積、產生沼氣、殺滅病原菌等優點，已成為我國有機固廢處理的主要方式之一[8]. 但是厭氧發酵技術在產生沼氣等清潔能源的同時，也會產生大量沼渣，目前我國每處理1 t有機固廢最多可產生0.5 t沼渣[9]，如何對沼渣進行減量化處理成為一大難題. 近幾年來，由于厭氧工程的迅速推廣，導致發酵殘余物沼渣產生量急劇增加[10]. 沼渣處理不及時會對環境產生二次污染，因此沼渣的合理化處理和利用對我國厭氧發酵工程的可持續發展具有重要意義. 熱解具有減少沼渣體積、殺死病原菌、切斷疾病傳染源等優點，并且通過熱解技術可以將沼渣轉化為生物炭、生物油和熱解氣資源產物，且熱解產物生物炭是一種高效的環境修復材料，已廣泛應用于土壤和水環境中重金屬吸附、有機污染物吸附等領域[11]，因此熱解已成為沼渣減量化和資源化的有效處理方式之一[12-13].

生物炭應用到環境中會產生溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)，由于其穩定性較差且其表面含有多種活性官能團，會影響土壤中重金屬和有機污染物的遷移轉化，由此帶來新的生態環境風險[14]；DOM甚至會與水體污染物發生絡合反應，影響水體中污染物的遷移并改變水體的pH[15]；但在產生環境風險的同時也可為環境帶來益處，生物炭DOM在土壤環境中可增加土壤碳通量，為微生物和植物提供更多的生物養分[14,16-17]. Jin等[17]研究了DOM對生物炭吸附菲的影響，結果顯示，在吸附過程中DOM的類腐殖酸組分與菲的絡合受到DOM芳香簇結構的影響，芳香簇結構越大、結合位點越多，絡合能力就越強，從而影響生物炭對菲的吸附效果. Huang等[18]研究發現，DOM能與Cd、Cu發生絡合作用，使重金屬的表面形態發生變化，DOM中的羧基和酚基優先與Cd絡合，腐殖質組分中的羧基與Cu發生絡合反應，進而影響生物炭在土壤改良和修復重金屬污染土壤方面的環境效應. 因此，生物炭DOM結構的變化直接影響著生物炭的環境效應[19-20]，了解生物炭DOM的結構特征對于分析生物炭環境修復效果具有重要意義.

盡管已有學者對不同溫度下生物炭DOM的特性進行了相關研究，但關于不同溫度下沼渣生物炭中DOM的特性鮮見報道，亟需開展相關研究. 通過對沼渣生物炭DOM進行光譜和色譜分析，可以得到DOM的諸多理化性質和結構特征.目前，紫外-可見光譜、三維熒光光譜結合體積積分法或平行因子法、反相高效液相色譜、尺寸排阻色譜等光譜和色譜分析等方法，由于選擇性強、分析效率高、靈敏度高和取樣少等諸多優點，已被廣泛應用于DOM的相關特性研究中[21]. Uchimiya等[22]利用熒光光譜結合平行因子分析技術揭示了生物炭DOM中含有類富里酸以及酚醛類和其他水溶性芳香物質. 有學者通過紫外可見光譜分析了水環境中秸稈DOM的變化，發現隨著秸稈分解周期的增加，其分子量逐漸增大，芳香性逐漸增大[23]. Li等[24]利用反相高效液相色譜和尺寸排阻色譜，獲得了城市污水DOM中蛋白質和腐殖質的分子量以及極性演化特征.

因此，該研究以厭氧發酵后的沼渣生物質為原料，在300～700 ℃熱解條件下制備一系列沼渣生物炭，采用紫外-可見光譜、三維熒光光譜和反相高效液相色譜對沼渣生物炭的DOM結構進行表征，以期為評估沼渣生物炭DOM的環境效應提供一定參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試沼渣生物質原料取自北京市通州區臺湖鎮董村綜合處理廠，主要元素組成——N(2.99%)、C(25.81%)、H(3.64%)、S(0.57%)、O(26.14%)，工業分析結果——水分(0.51%)、灰分(44.22%)、揮發分(51.42%)、固定碳(3.85%).

1.2 試驗設計

1.2.1生物炭制備

將采集的沼渣室外晾曬48 h，并在40 ℃的烘箱中烘干24 h，再用破碎機粉碎，并過100目(0.150 mm)篩，置于干燥器中備用. 采用管式馬弗爐進行熱解試驗，稱取60 g樣品放置在石英舟中，以高純氮氣(99.99%)為保護氣體，以5 ℃/min的速率進行升溫，熱解終溫分別為300、400、500、600、700 ℃，并在設定溫度下保持2 h，最后在氮氣環境下降至室溫，將制得的沼渣生物炭研磨，并過100目(0.150 mm)篩，置于干燥器中備用. 熱解制備后的沼渣生物炭標記為ZBC300、ZBC400、ZBC500、ZBC600、ZBC700.

1.2.2DOM的提取和測定

生物炭DOM是指可以通過0.45 μm篩孔且能溶解于水、酸、堿或鹽溶液，具有不同大小和結構的有機分子混合體[25]. DOM的提取方法：稱取沼渣生物炭1 g置于錐形瓶中，加入20 mL超純水，密封后置于恒溫搖床振蕩器中，在20 ℃、150 r/min下振蕩24 h，取懸浮液置于高速離心機中，在 15 000 r/min下離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜，將DOM提取液盛于棕色瓶中，4 ℃保存，待測. 生物炭DOM的含量一般用溶解性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)的濃度來描述，濾液中的DOC濃度采用總有機碳測定儀(TOC5000A，日本島津公司)測定.

1.3 分析方法

1.3.1紫外-可見光譜測定

DOM提取液的吸光度通過紫外-可見光光度計(UV-2600，日本島津公司)測定，以超純水為空白，用10 mm的石英比色皿在200～550 nm范圍內掃描，波段間隔為1 nm. 測定后，計算稀釋液在254和280 nm處的吸光值與總有機碳(total organic carbon，TOC)濃度的比值，分別記為SUVA254和SUVA280，并分別計算其在265 nm與465 nm、220 nm與254 nm處的吸光度比值，分別記為E2/E4和E220/E254. 一般用254 nm 處的單位有機碳含量的吸光度(SUVA254)表征DOM的芳香度，其數值越大，代表芳香性越強[26]；用280 nm處的單位有機碳含量的吸光度(SUVA280)表征DOM的分子量，其數值越大，代表分子量越大[27]. E220/E254用于表征DOM的極性，其值越高，表示DOM極性越小.

1.3.2三維熒光光譜測定

三維熒光光譜技術具有靈敏度高、選擇性好、不破壞樣品的優點[24]，通過激發波長(λEx)和發射波長(λEm)來獲得熒光強度信息，是一種高效實用的光譜指紋識別技術[2,28]. 根據Chen等[29]提出的關于三維熒光光譜不同代表性區域的分類，將圖譜中相似物質的熒光峰劃分為5個區域：① Ⅰ區，λEx/λEm=200～250 nm/280～325 nm；② Ⅱ區，λEx/λEm=200～250 nm/325～375 nm；③ Ⅲ區，λEx/λEm=200～250 nm/375～550 nm；④ Ⅳ區，λEx/λEm=250～450 nm/280～375 nm；⑤ Ⅴ區，λEx/λEm=250～450 nm/375～550 nm. Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅳ區與類蛋白物質有關，分別對應類色氨酸、類酪氨酸和可溶性微生物降解產物；Ⅲ區和Ⅴ區與類腐殖質物質有關，分別對應類富里酸和類胡敏酸.

三維熒光光譜分析采用Hitachi F-7000 型熒光光度計(日立公司，日本)，對提取后的DOM樣品溶液進行熒光光譜掃描. 以超純水為空白，在10 mm的石英比色皿中測量，儀器具體參數：掃描速率為120 nm/min；間隔時間為0.1 s；λEx為200～450 nm(帶寬5 nm)；λEm為250～600 nm(帶寬5 nm). 為消除熒光內濾作用，所有DOM樣品的DOC濃度稀釋至10 mg/L后再進行分析.

1.3.3反相高效液相色譜測定

反相高效液相色譜法具有快捷、簡便、靈敏度高及引用廣泛等特點，根據不同化合物的疏水特性使其得到分離，廣泛應用于環境中物質的分離測定[30-31]. 反相高效液相色譜法適用于分離帶有不同疏水基團的化合物，即非極性基團的化合物[31]. 物質的停留時間越短，其親水性越強，極性越大.

使用配備美國安捷倫Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)色譜柱的反相高效液相色譜儀，流動相為95%乙酸銨和5%乙腈混合液，流速為1 mL/min，進樣量為20 μL，檢測器波長為254和280 nm.

2 結果與討論

2.1 沼渣生物炭DOM中溶解性有機碳含量

不同熱解溫度下制備的沼渣生物炭DOM中DOC含量變化如圖1所示. 由圖1可見，熱解溫度分別為300、400、500、600、700 ℃時，DOC含量分別為33.2、2.6、1.0、0.8和0.7 mg/g，隨著熱解溫度的升高，DOC含量呈指數下降趨勢，其中DOC的削減主要發生在熱解溫度為300～400 ℃之間，占總削減量的94.2%，400～500 ℃之間的削減比例為4.9%，500 ℃ 以后DOC含量下降不明顯. 這說明熱解溫度達到400 ℃時可使DOM中DOC含量顯著降低，可能是由于熱解溫度低于400 ℃時，隨著熱解溫度的上升，生物質中不穩定的有機化合物不斷進行分解和轉化，保留了更穩定的有機碳，因此DOC的釋放量呈指數下降趨勢[32-33]. 當熱解溫度大于400 ℃時，生物炭炭化明顯，生物炭中纖維素、半纖維素等原不穩定有機組分含量降低，穩定組分占主導，DOC的釋放不明顯[32].

圖1 不同熱解溫度下沼渣生物炭DOM中DOC的釋放特征

2.2 沼渣生物炭DOM光譜學特性

2.2.1沼渣生物炭DOM紫外-可見光譜分析

紫外-可見光譜能有效地反映生物炭DOM的相關分子結構、單位濃度的吸收值或特定波長吸收值之間的比值等指標[34]. 對沼渣生物炭DOM進行紫外-可見光譜分析，計算其SUVA254、SUVA280和E220/E254，結果見表1.

表1 不同熱解溫度下沼渣生物炭DOM紫外-可見光譜特性

隨著熱解溫度的升高，SUVA280和SUVA254均呈先增加后減少的變化趨勢. 當熱解溫度從300 ℃升至400 ℃時，SUVA280由0.76增至0.99，SUVA254由1.05增至1.42，增幅分別為30.3%和35.2%，表明DOM的芳香性增加，分子量增大. 這是因為在低溫(≤400 ℃)熱解階段，沼渣生物質中易分解大組分(纖維素和半纖維素)快速分解，生成芳香化合物，從而使DOM中芳香性結構增加[32]. 沼渣生物炭的產率(見圖2)分析也能充分體現上述結果，在低溫(≤400 ℃)階段，沼渣生物炭的產率快速下降，由88.9%降至65.1%，纖維素和半纖維素快速熱解，纖維素、半纖維素及其降解產物之間發生環化聚合反應生成芳香化合物[35]；木質素在此熱解區間內芳香環之間較多側鏈發生斷裂，加快了酚類物質的產生，所以在300～400 ℃熱解區間內沼渣生物炭DOM中芳香性物質增加[36]. DOM的芳香物質中含有羧基、苯酚等有機官能團，可通過氧化還原等化學反應改變重金屬在環境中的存在形態，進一步改變其毒性及生物有效性[37].

圖2 不同熱解溫度下沼渣生物炭產率

隨著熱解溫度的進一步升高，SUVA280和SUVA254逐漸減小，SUVA280由0.99降至0.04，SUVA254由1.42降至0.07，降幅分別為96.0%和95.1%，表明DOM中芳香性組分含量降低，分子量減小. 這是因為，隨著熱解溫度的進一步升高，沼渣生物質主要發生分子轉化和成環反應，在低溫下分解產生的芳香化合物進一步分解，同時重新成環發生炭化反應，導致物質芳香性降低，分子量下降[38].

2.2.2沼渣生物炭DOM三維熒光光譜分析

三維熒光光譜技術通過激發波長(λEx)和發射波長(λEm)來獲得熒光強度信息，對多組分復雜體系中熒光光譜重疊的對象進行光譜識別和表征[39]. 三維熒光光譜圖的分析方法參照文獻[40].

沼渣生物炭的三維熒光光譜如圖3所示，可以看出，隨著溫度的逐漸升高，沼渣生物炭DOM的熒光中心逐漸發生變化. Ⅰ區代表類色氨酸物質，在低溫(≤400 ℃)條件下其峰值強度不明顯，從500 ℃開始逐漸出現熒光峰，在600～700 ℃熱解區間內形成熒光中心，說明類色氨酸物質含量隨著熱解溫度的升高而逐漸增加. Ⅱ區代表類酪氨酸物質，在500～600 ℃熱解區間內形成較明顯的熒光峰，說明類酪氨酸物質主要存在于500～600 ℃熱解區間內，較低和較高的熱解溫度均不利于生成類酪氨酸物質. Ⅲ區代表類富里酸物質，在低溫(≤400 ℃)條件下出現了較明顯的熒光峰，在高溫(>400 ℃)條件下其熒光強度逐漸減小，但是存在明顯的熒光峰. Ⅳ區代表可溶性微生物降解產物，在低溫熱解(≤400 ℃)條件下沒有形成較明顯的熒光峰，500 ℃時其熒光強度達到最高并形成了明顯的熒光峰，在600～700 ℃熱解區間內，其熒光強度逐漸減小，說明可溶性微生物降解產物存在于整個熱解區間內，但是隨著熱解溫度的升高，其含量逐漸降低. Ⅴ區代表類胡敏酸物質，隨著熱解溫度的升高，類胡敏酸物質的熒光強度呈先增強后減弱的趨勢，分別在300、400和500 ℃形成了熒光中心，其中400 ℃時其熒光強度達到最高；從600 ℃開始其熒光峰逐漸減小，到700 ℃時消失，說明類胡敏酸物質含量在300～500 ℃熱解區間內最高.

圖3 沼渣生物炭DOM三維熒光光譜圖

為了更好地評價不同熱解溫度下沼渣生物炭DOM的變異性，該研究對其組分進行區域體積積分，分析各區域所代表物質在降解過程中的變化情況，分別用C1(類色氨酸)、C2(類酪氨酸)、C3(類富里酸)、C4(可溶性微生物降解產物)和C5(類胡敏酸)表示.

熱解溫度為300～700 ℃時沼渣生物炭DOM中5種組分的熒光強度積分分布如圖4所示. 由圖4可見，300～700 ℃熱解區間內，隨著熱解溫度的逐漸升高，C1物質熒光強度積分逐漸增大，由2.16%增至20.09%，增長了830.09%；在低溫熱解(≤ 400℃)條件下，其熒光強度積分變化不明顯，與上述三維熒光光譜譜圖結果一致. C2物質熒光強度積分變化較小，由5.41%增至13.31%，增長了146.03%，說明類酪氨酸物質含量在沼渣生物炭DOM中較低，其熒光強度積分受熱解溫度影響較小. C3物質熒光強度積分呈先減后增的趨勢. C4熒光強度積分呈先增后減的趨勢. C5物質相對于其他4種物質的變化較為明顯，隨熱解溫度的升高，其熒光強度積分逐漸降低，由56.81%降至19.93%，降低了64.92%，降幅較大；在低溫熱解(≤400 ℃)條件下，類胡敏酸物質熒光強度積分占總熒光強度積分的1/2以上，是沼渣生物炭DOM的主要物質，也與上述三維熒光光譜結果分析一致. C3和C5代表類腐殖質物質，從圖4可以看出，在整個熱解區間(300～700 ℃)內類腐殖質占比較大，是沼渣生物炭DOM的主要熒光物質.

圖4 沼渣生物炭DOM 5種組分的熒光強度積分

2.3 沼渣生物炭DOM反相高效液相色譜分析

沼渣生物炭DOM在254和280 nm波長處的反相高效液相色譜分析結果如圖5所示，其中254 nm處吸光度代表了沼渣生物炭DOM中的芳香物質.

由圖5(a)可見，在254 nm處有4個極性峰，分別代表4種芳香物質，保留時間分別為1.8、2.7、3.5和7.0 min. 在同一熱解溫度下，A1物質的停留時間最短，是親水性最強的物質，極性也最強. 一般情況下，極性越高的物質，其腐殖化指數(HIX)越高，表明A1物質含有更多的縮聚芳香結構. D1物質的停留時間最長，是極性最弱、疏水性最強的芳香物質. 隨著熱解溫度的升高，4種芳香物質的響應強度逐漸減小，極性逐漸減弱，這可能是由于生物炭中的極性官能團(如羧基、羥基等)減少，疏水性逐步增強[41]，其中B1物質的響應強度變化最為明顯.

當熱解溫度(≤500 ℃)較低時，DOM中含有的芳香性物質以B1為主，A1、C1和D1物質的峰強度變化不明顯；當熱解溫度升高時(>500 ℃)，DOM中含有的芳香性物質以A1為主，B1物質的峰強度在600 ℃時驟然減弱，C1和D1物質的峰強度基本保持不變. 但從總體來看，B1物質的峰強度變化最為明顯. 在同一熱解溫度下A1的極性較B1大，說明隨著熱解溫度的升高，生物炭DOM極性變大，親水性增強.

280 nm波長處代表沼渣生物炭DOM中的醌基物質. 由圖5(b)可見，在280 nm處生物炭DOM有5個極性峰，分別代表5種醌基物質，保留時間分別為1.8、2.4、2.8、3.5和7.0 min. 其中，A2是親水性最強的物質，E2是疏水性最強的物質. 隨著熱解溫度的升高，5種醌基物質的響應強度逐漸減小. 與254 nm處的芳香物質相比，4種醌基物質的出峰時間與芳香物質重合，說明醌基結構賦存在芳香結構中.

圖5 254和280 nm波長處沼渣生物炭DOM反相高效液相色譜圖

在300 ℃時，DOM中含有的醌基物質以B2為主，其他4種物質的峰強度變化不明顯；從400 ℃開始，DOM中含有的醌基物質以B2和C2為主，但是C2物質的峰強度低于B2物質；在500 ℃時，A2物質的峰強度逐漸增大，但尚遠低于B2和C2物質；從600 ℃開始，DOM中含有的醌基物質逐漸以A2為主，其他4種物質的峰強度逐漸減小；700 ℃時，從峰強度來看，醌基物質以A2、C2和D2為主，但是隨著熱解溫度的升高，5種醌基物質的響應強度均逐漸減弱，但峰強度相差不大. 從總體來看，B2物質的峰強度變化最為明顯，E2物質的峰強度基本無明顯變化. Jin等[17]研究發現，生物炭DOM與菲的絡合會受到芳香物質的影響，DOM中的芳香物質越多，其與菲絡合的結合位點就越多，絡合能力也越強. 這是因為，DOM對菲的吸附主要是以孔隙吸附為主，DOM中的微孔更容易被菲分子接近[17,37]；同時，DOM中的芳香結構促使DOM與疏水性有機質結合進而形成致密的類膠體結構，導致疏水性有機污染物的表面水溶性增強[17,37].

生物炭中含有醌、芳香環等多種官能團，使其具有存儲和傳遞電子的能力，研究分析生物炭DOM中的芳香物質和醌基物質也有利于分析生物炭的氧化還原能力，對環境中重金屬、有機污染物的去除具有積極意義[42-43].

3 結論

a) 熱解溫度影響沼渣生物炭DOM產率. 隨著熱解溫度升高，DOM產率逐漸降低，其中熱解溫度大于400 ℃時DOM產率顯著降低.

b) 熱解溫度影響沼渣生物炭DOM的芳香性和分子量. 隨著熱解溫度升高，沼渣生物炭DOM的芳香性和分子量先增后減，400 ℃時均達到最大.

c) 熱解溫度影響沼渣生物炭DOM的組成. 熱解溫度低于400 ℃時，DOM主要由類胡敏酸組成；隨著熱解溫度升高，類胡敏酸組分含量逐漸降低，類色氨酸、類酪氨酸和類富里酸含量逐漸升高，溫度越高，類富里酸占比越大.

d) 熱解溫度影響沼渣生物炭DOM的極性和親水性. 隨著熱解溫度升高，DOM極性逐漸變大，親水性逐漸變強；DOM中含有4種芳香性物質和5種醌基物質，其中4種醌基結構物質賦存在芳香結構中.