添加不同比例玉米生物炭的堆肥腐殖質光譜學表征

侯智斌, 謝益平*, 曹長春, 徐錦濤

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院, 桂林 541006; 2.桂林理工大學巖溶地區水污染控制與飲用水安全保障協同創新中心, 桂林 541006)

隨著中國經濟的快速發展,工農業產品大量增加及城市化進程不斷推進,中國的城市污水量和污泥量也隨之增長[1]。據相關報道,中國污泥總產量很快將突破1億t。水廠產出的污泥如果不經過相應處理直接排放,不僅會占用大量土地,污染土質,其中所含有的致病菌、重金屬及持續性有害物(persistent organic pollutants,POPs)等物質還會對周圍的環境造成極大的破壞,進而對周圍居民健康產生威脅。而因中國城鎮污水企業處置能力不足、處置手段落后,大量污泥沒有得到規范化的處理,所以實現污泥無害化處置,已經刻不容緩。

好氧堆肥[2]是城市污泥穩定化、無害化和資源化的有效途徑。在堆肥過程中,有機物原料被微生物轉化為穩定的腐殖質[3],其攜帶的各種活性官能團能抑制病原菌生長、促進土壤肥力、降低重金屬遷移等,但要得到較好的堆肥效果,需要在堆肥時添加調理劑,以調節堆體結構和物料的理化性質。現國內添加的調理劑有秸稈、鋸末、米糠、微生物菌劑[4]等,這些添加劑有些成本太高,有些對堆肥的提升效果并不明顯。

不同類型的污泥對不同生物炭的適應條件不一樣,而對于市政污泥堆肥的最適宜添加比例還未確定及堆肥過程中腐殖質變化情況鮮有報道。現選用玉米生物炭作為市政污泥堆肥的調理劑,通過對堆體樣品理化性質的分析和堆肥腐殖質光譜學表征的手段來探究添加不同比例(0、5%、10%、15%)玉米生物炭對污泥堆肥的影響,為生物炭這種調理劑的應用和堆肥腐殖質的環境效益提供分析和幫助。

1 材料與方法

1.1 堆肥產品及其預處理

污泥取自桂林市雁山污水廠,米糠購買于桂林市某糧油店,玉米生物炭購買于某科技公司,原料基礎理化性質如表1所示。

表1 原料基礎理化性質

堆肥裝置采用100 L的塑料桶,外部裹上保溫棉以防止熱量散失過快,在桶底部打孔并放置一個曝氣頭,以流量計連接曝氣頭和氧氣泵來控制曝氣量[13](根據每千克干污泥0.2 L·min設為0.26 L·min),保持桶內氧氣充足。在桶底部放置一層鏤空塑料球和一層紗布防止原料堵塞曝氣頭。共設置1組對照組CK(污泥∶米糠=1.35∶1,共23 kg),設置3組實驗組S1、S2、S3分別加入對照組總重量5%、10%和15%玉米生物炭,4組物料混合均勻后靜置好氧堆肥。在堆肥第0、2、6、10、15、22、30天從堆體上中下混合采集一份樣品,分成兩份,一份用于理化性質的測定,另一份放置于-4 ℃冰箱中預凍48 h,而后放入冷凍干燥機冷凍干燥3～4 d以去除水分,再研磨過100目篩放入干燥箱中保存,后續實驗提取腐殖質后進行光譜分析。

1.2 理化性質的測定

在堆肥期間的每天9:00和16:00測定溫度并取平均值;取10 g污泥樣品放入坩堝中在105 ℃烘箱內烘24 h至恒重,烘干前后質量差與烘干前樣品質量之比為含水率,再把已烘干水分的樣品放入馬弗爐以550 ℃燒制6 h得到有機質含量(OM);取3 g樣品以1 g∶10 mL的固液比在搖床上180 r/min振動2 h后離心,取上清液測定pH和電導率(EC)。

1.3 堆肥腐殖質的提取

堆肥腐殖質提取采用溫如海[14]的方法,共提取出3種腐殖質,分別是富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和親水性組分(Hyl)。

1.4 光譜分析

1.4.1 紫外-可見光譜測定

將待測腐殖質組分溶解后調節DOC濃度為10 mg/L,裝入10 mm石英比色皿后使用紫外分光光度計測定各組堆肥樣品的紫外-可見光譜,以純水作為空白對照。設定掃描間距為1 nm,掃描范圍設為200～700 nm。

1.4.2 三維熒光光譜測定

將待測腐殖質組分溶解后調節DOC濃度為10 mg/L,使用熒光光度計測定樣品的三維熒光激發-發射(3D-EEM)光譜,以純水作為空白對照,設置激發波長(Ex)為200～450 nm,發射波長(Em)為280～550 nm。使用Matlab對三維熒光數據進行分析,得到三維熒光激發-發射光譜后利用DOM Flour工具包進行平行因子分析。

1.4.3 傅里葉紅外光譜測定

將冷凍干燥后的胡敏酸粉末與溴化鉀粉末以1∶100的比例混合后在紅外燈下用瑪瑙研缽研磨混勻后裝入模具,使用壓片機壓制成薄片狀,取出后置于紅外光譜儀中測定,設定掃描間隔為2 nm,掃描范圍設為400～4 000 cm-1。

2 結果與分析

2.1 理化性質

2.1.1 溫度和含水率

觀測堆體的溫度是觀察堆肥效果最簡單有效的指標之一,溫度影響著堆體微生物的生存環境和活性,從而影響代謝和堆體發酵過程,間接反映出堆肥中有機物的利用與降解情況。從圖1中可以看出,在堆肥第1～2天,4個處理組的堆體溫度迅速上升至50 ℃以上,且在第4天開始升溫至60 ℃以上,CK、S1保持了4 d,S2、S3保持了5 d,其中CK和S3在第6天達到峰值,分別為63.4、64.6 ℃,S1和S2在第5天達到峰值分別為63.2、64.9 ℃,4個處理組均達到了無害化處理的要求。此階段微生物分解有機物并迅速生長繁殖而釋放出大量熱量。可以看到的差距是CK組升溫期較其他組延遲了1～2 d,此結果表明添加生物炭堆肥能有效促進堆體升溫,提高堆體溫度并延長其高溫期時間,其中S2、S3組升溫效果最好,這可能與生物炭具有豐富的空隙結構和較強的吸附性能有關,它能為微生物提高良好的生存空間[15],滿足生長需求。在第10天開始營養物質逐漸減少,微生物活性降低,溫度也逐漸下降,在第15天進入腐熟期,在這一階段易分解的有機物已基本消耗殆盡,微生物開始分解難分解的木質素等開始二次腐熟并逐漸接近環境溫度。

圖1 堆肥過程中溫度、含水率的變化趨勢

在堆肥過程中含水率也是一項重要指標之一,已有先前研究表明控制堆體含水率在55%～60%效果最佳,S2、S3組因添加較多生物炭導致初始含水率只在52%,而隨著堆肥的進行,4組含水率均不斷下降,分別減少了5.8%、6.1%、6.7%、6.7%,在高溫期含水率下降較為明顯而在中后期開始逐漸趨于平穩,造成的原因是曝氣通氧及堆肥高溫期帶走了較多的水分,使含水率下降更快,且翻堆過程會進一步促進空氣的進入,加快含水率的下降。

2.1.2 pH、EC、OM

pH能影響微生物的生長環境,從而影響堆肥效果,如圖2所示,在堆肥初期4組pH均較低,分別為5.96、6.40、6.87、6.83,均呈弱酸性,在高溫期pH出現下降,這與之前的研究不同,可能的原因是部分堆體堵塞孔隙或者含水率較高造成厭氧產酸導致的,第2天過后pH開始不斷上升,在第10天已達到9.0左右,4組pH分別為8.78、8.99、9.06、9.15,這是因為高溫期內易分解的蛋白質類被微生物大量代謝,釋放出氨氣等堿性物質導致,在第10天之后,堆肥開始進入腐熟期,微生物分解難分解的有機質使pH變得平穩,第30天4組pH分別為8.98、8.89、8.98、8.99。4組堆體的pH均從對微生物有害的弱酸性變為適宜其生長的弱堿性,說明堆肥均已達到最佳效果,改善了污泥的性質已達到環境友好型。

圖2 堆肥過程中pH、EC、OM的變化趨勢

EC可以反映出堆肥中可溶性電解質的含量,已有研究表明可溶性鹽含量過多會對植物產生毒性,抑制植物生長,通常認為堆肥浸提液的EC不能超過4 000 μs/cm。在第0天時4組EC分別為653、756、843、914.5 μs/cm,可見添加生物炭越多,其EC會越高,在高溫期EC迅速升高,S1、S2、S3分別在第2天達到最高值1 177.5、1 234、1 227 μs/cm,CK組在第6天達到最高值1 186.5 μs/cm,這是因為在高溫期微生物活性較高,其生命活動大量分解大分子有機物,從而轉化為小分子物質及可溶性離子,導致EC增加,實驗組3組增幅較為一致。高溫期結束后,4組EC又迅速下降至600～700 μs/cm,是因為部分礦物鹽離子的沉淀和NH3、CO2的揮發導致,在第30天4組EC分別為731、759、760.5、771.5 μs/cm,4組數據差距不大,且在堆肥周期內EC均未超過4 000 μs/cm,表明4組堆肥產品均能用于土地修復、增加土壤肥力。

OM是微生物生長所需要的營養物質,大部分OM來自污泥。4組OM分別從76.27%降至67.64%、75.23%降至62.45%、73.21降至62.46%、71.18%降至57.17%,分別減低了8.63%、12.78%、10.75%、14.01%,S3降低幅度最大,說明物料中OM作為營養物質被分解消耗,且在堆肥前期OM下降迅速是因為易分解的OM在較短時間內被利用,而在堆肥后期微生物開始降解纖維素、半纖維素能難降解有機物使OM下降較為平緩。此結果說明添加生物炭適宜堆體中微生物的生長以至讓更多OM加以利用。

2.2 紫外-可見光譜分析

2.2.1 紫外-可見吸收光譜曲線

圖3～圖5是堆肥腐殖質紫外-可見吸收光譜圖,從圖3～圖5可以看出,3個腐殖質組分吸光度變化基本一致,即隨著波長的增加吸光度逐漸降低。在富里酸組分中可以看到在280 nm波段出現一個的峰肩,且4個處理組均隨著堆肥時間的推移,峰肩越為明顯,在第22天和第30天達到吸收峰最大值,這是由于類腐殖質物質和芳香族物質中共軛結構吸收紫外光引起的n-π*電子躍遷所導致的[16],而在胡敏酸和親水性組分中峰肩不明顯,表明富里酸隨著堆肥的進行,內部結構出現較大變化。胡敏酸組分相比于其他兩個組分,吸光度更高,隨著堆肥的進行4組均出現十分均勻的紅移,堆肥結束后吸收峰強度均高于堆肥初期且在第30天達到峰值,說明隨著堆肥的進行腐殖質的芳香度和不飽和度在上升,腐殖化程度增強。在親水性組分中只發現S1組在第30天出現明顯的紅移,其他紅移變化不顯著,表明親水性組分中S1組的腐殖化程度高于其他3組,但整體來看親水性組分的腐殖化程度要低于富里酸和胡敏酸。

圖3 各組富里酸紫外-可見吸收光譜圖

圖5 各組親水性組分紫外-可見吸收光譜圖

2.2.2 紫外-可見吸收光譜特征參數

1)SUVA254和SUVA280

SUVA254和SUVA280是樣品在254、280 nm處的吸光度除以DOC濃度再乘以100得到的。SUVA254與樣品中不飽和C=C鍵有關,SUVA254越大,樣品中所含不飽和C=C鍵越多,SUVA280可用來表征樣品中有機質的分子量大小,SUVA280越高,分子量越大,表明腐殖化及芳構化程度提高[17]。如圖6和圖7所示,3種腐殖質的SUVA254和SUVA280均呈波動上升,其中胡敏酸上升幅度最大,4組SUVA254平均從2.0上升至4.0左右,SUVA280平均從1.5上升至3.5左右,且在第30天S3組SUVA254和SUVA280均達到最高值4.5、4.0。在富里酸組中,4組SUVA254數值平均從1.0上升至2.0左右,SUVA280從0.5上升至2.0,S2組在第30天分別達到最高值2.8、2.7,親水性組分數值最低且變化波動不大。結果說明胡敏酸中不飽和C=C鍵含量和有機質分子量明顯高于其他兩種腐殖質,親水性組分含量最低,而不同腐殖質組分的不同處理組上升變化也有所差異,但均在第30天達到峰值,說明堆肥使腐殖化程度提高,其中S2、S3組效果最佳。

圖6 3種腐殖質各處理組SUVA254變化趨勢

圖7 3種腐殖質各處理組SUVA280變化趨勢

2)SUVA436和E253/E203

SUVA436表示樣品中醌基、半醌基含量,SUVA436越大,醌基、半醌基含量越高,且醌基、半醌基是腐殖質電子轉移能力的主要貢獻官能團,E253/E203是樣品在波長253 nm和203 nm處的吸光度比值,當樣品中有機質芳香環上的羥基、羧基、脂類等官能團增加時該值上升。由圖8和圖9可知胡敏酸的兩個指標均波動上升,S3組SUVA436從0.34上升至0.67,E253/E203從0.12上升至0.37,較其他3個處理組增幅顯著。SUVA436的富里酸和親水性組分波動變化不大,富里酸最大增幅為0.2左右,為S2組,而親水性組分基本不變。E253/E203的富里酸和親水性組分在高溫期出現劇烈上升,而后富里酸組分開始波動上升,增幅較緩,親水性組分開始逐漸下降。出現這種現象的原因可能是腐熟期微生物難以分解復制的有機物,可增加或可取代的官能團含量不高,而胡敏酸具有的大分子量吸附性可以獲得更多的官能團,從而導致SUVA436和E253/E203數值明顯高于其他兩組,具有更高的電子轉移效果和腐殖化程度,而其中S3處理組的上升最明顯。

圖8 3組腐殖質各處理組SUVA436變化趨勢

3)A226-400和SR(275-295)/(350-400)

A226-400指樣品在226～400 nm吸光度的區域面積積分,由于226～250 nm段不飽和的π-π鍵及270～400 nm段有機質中多個共軛苯環均能造成光吸收,因此可用于表征樣品的芳構化程度。SR(275-295)/(350-400)指樣品在275～295 nm波段與350～400 nm波段吸光度擬合直線的斜率之比,可作為探究樣品中腐殖質芳香碳含量及分子量的依據,其數值與兩者呈負相關。從圖10和圖11可以看出4組胡敏酸的A226-400呈上升趨勢,富里酸出現波動上升,而親水性組分變化不大,說明3種腐殖質中胡敏酸的芳構化程度遠大于其他兩種腐殖質,且S2、S3效果明顯,親水性組分在堆肥前后芳構化程度未發生太大改變。同時胡敏酸的SR(275-295)/(350-400)從開始堆肥到高溫期上升,高溫期結束后出現明顯下降,表明堆肥使胡敏酸中芳香碳含量增加,堆肥穩定性提高。

圖10 3組腐殖質各處理組A226-400變化趨勢

圖11 3組腐殖質各處理組SR(275-295)/(350-400)變化趨勢

2.3 三維熒光光譜分析

圖12～圖14依次展示了富里酸、胡敏酸和親水性組分在堆肥第0天和第30天的三維熒光光譜圖,經區域體積積分后可劃分為Ⅰ(絡氨酸)、Ⅱ(色氨酸)、Ⅲ(類富里酸)、Ⅳ(可溶性微生物副產品)和Ⅴ(類腐殖酸)5個區域[18]。3種腐殖質各個處理組在同一天內無明顯差別,第0天在Ⅳ、Ⅴ兩個區域均有熒光峰且富里酸和親水性組分在Ⅳ區所含熒光峰峰值更高,第30天3種腐殖質的熒光峰均向Ⅴ區域變化,富里酸表現為Ⅴ區域熒光峰峰值變高,S1、S2、S3處理組熒光強度從55增強至250,胡敏酸和親水性組分表現為Ⅳ區域熒光峰向Ⅴ區域轉移,其中CK組胡敏酸只發生轉移而其他3組發生轉移的同時熒光峰峰值變高,親水性組分中除S2外,其他3組熒光峰峰值變高,S1上升明顯。結果表明經過堆肥后可溶性微生物副產品逐漸轉化為類腐殖質,通過峰值的強弱可以判斷添加生物炭能促進其轉移效果,生成更多類腐殖質物質。

圖12 各處理組富里酸堆肥前后3D-EEM光譜圖

圖13 各處理組胡敏酸堆肥前后3D-EEM光譜圖

圖14 各處理組親水性組分堆肥前后3D-EEM光譜圖

在得到胡敏酸在堆肥時期3D-EEM數據后,為了能更好地分析胡敏酸在整個堆肥周期內的演變,將胡敏酸的數據進行平行因子分子分析,得到4個組分,如圖15～圖18所示。根據前人實驗研究結構描述[19],熒光峰位置與相對應的物質大致概述為:類腐殖酸熒光(Ex:350～440 nm、Em:430～510 nm);可見光區類富里酸熒光(Ex:310～360 nm、Em:370～450 nm);紫外光區類富里酸熒光(Ex:240～270 nm、Em:370～440 nm)和類蛋白熒光(Ex:260～290 nm、Em:300～350 nm)。CK組和S2組的組分1為類腐殖酸、組分2和3均為可見光區類富里酸;S1組中組分1和2為可見光區類富里酸、組分3為類腐殖酸;S3中組分1和3為可見光區類富里酸、組分2為類腐殖酸;4組中的組分4均為類蛋白物質,其中類腐殖酸又可以分為類富里酸和類胡敏酸,由于上述實驗結果中胡敏酸的腐殖化程度更高,即芳香性要大于富里酸,所以胡敏酸的激發和發射波長均會發生紅移從而導致波長長的為類胡敏酸,波長短的為類富里酸,則本研究中所解析出的類腐殖酸為類胡敏酸物質。

圖15 CK組基于平行因子分析的胡敏酸三維熒光特征峰

圖16 S1組基于平行因子分析的胡敏酸三維熒光特征峰

圖17 S2組基于平行因子分析的胡敏酸三維熒光特征峰

圖18 S3組基于平行因子分析的胡敏酸三維熒光特征峰

圖19展示了4組胡敏酸在不同時期各組分含量的變化趨勢,可以觀察到在第0天4個處理組的胡敏酸各組分含量較為平均,此時類蛋白物質最多,隨著堆肥的進行,組分4逐漸減少表明類蛋白物質作為微生物的生存能源被不斷消耗,在堆肥后期組分4有略微增加的趨勢可能是因為在腐熟期微生物和細菌代謝降解產生的溶解性有機物易于蛋白物質結合而產生熒光所致[19],CK組在堆肥中后期組分3迅速增加,S2組在堆肥中期組分3增勢明顯,兩組在堆肥后期組分2含量最多,組分1略微上漲,表明CK和S2組中可見光區類富里酸占主導,在S1組中組分2在高溫期上升趨勢明顯,而后下降并保持穩定,組分1在高溫期小幅降低后持續上升,可能的原因是高溫期細菌降解作用導致有機物更多地向類富里酸轉變,類胡敏酸含量減少,而在進入腐熟階段類蛋白物質和部分類富里酸轉化為類胡敏酸導致其含量上升,S3組中組分1、2、3不斷波動,最后含量大小為類胡敏酸(組分1)>類富里酸(組分2或3)>類蛋白物質(組分4)。添加生物炭可以使堆肥腐殖質含量增多,各處理組胡敏酸的各組分含量變化有所不同,其中添加5%和15%生物炭的組分類胡敏酸含量增加最多,而添加10%生物炭使類富里酸含量最大。

2.4 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

傅里葉紅外光譜分析能夠通過特定波段的特征峰來表征樣品中有機物的結構和官能團分析,通過吸收峰在波段的位置判斷官能團的類型,再通過吸收峰的強度變化判斷有機物含量和結構演變。從圖20可以看出4個處理組不同時期的胡敏酸紅外光譜未出現顯著差異,僅在部分吸收峰相對強度上不同。CK組的紅外光譜因未添加生物炭而不同于其他3組,主要吸收峰波段為在1 000～1 800 cm-1范圍反復波動、2 800～3 000 cm-1和3 000～3 700 cm-1,S1、S2、S3主要吸收峰波段為500～800 cm-1,1 000～1 200 cm-1、1 300～1 430 cm-1和1 500～1 700 cm-1。根據先前的研究[20],在1 000～1 800 cm-1波段內,1 040 cm-1可能是由多糖類的C-O鍵對稱伸縮振動引起的吸收峰,1 240 cm-1左右的吸收峰由多糖類或醇類C=O鍵引起,1 643 cm-1附近的峰由烯烴C-H不對稱振動或者存在酰胺等物質引起[21],CK組的不同時期上述這些吸收峰變化不明顯,可能的原因是多糖類在堆肥過程中不斷被消耗而又有醇類物質生成所致。在S1、S2、S3中主要吸收峰為618 cm-1,可能由不飽和炔烴類化合物的C-H鍵彎曲振動引起,1 120 cm-1的峰可能與多糖類物質的C-H或木質素類物質的C-O-H伸縮振動有關,木質素難以利用降解導致改峰值變化不明顯。1 340～1 420 cm-1的吸收峰與芳香族化合物的C=O鍵或C=C鍵有關,部分由類腐殖質的對稱羧酸根離子或芳香環振動引起,1 590 cm-1附件的吸收峰可能由羧基的COO-、C=O和酰胺中的C=O鍵造成,其中后兩個吸收峰在S2、S3組中隨著時間的增加而不斷加強,表明S2、S3組有更多的類腐殖質物質生成,芳香族化合物增多,腐殖化程度提高。 此外,4個處理組中都存在2 920 cm-1附件的吸收峰,被認為是芳香族C-H鍵非對稱拉伸所致,3 000～3 500 cm-1波段的吸收峰表示羧基、醇和苯酚中的羥基。

圖20 4組處理組的胡敏酸紅外光譜

3 結論

(1)通過添加不同比例玉米生物炭的靜置好氧堆肥實驗表明,4個處理組的高溫期均超過相關標準要求以達到無害化處理,且生物炭能延長堆體高溫期1～2 d,4組pH略微下降后在高溫期上升并保持穩定,EC先上升后下降并保持穩定,含水率和OM均穩定下降,實驗組數據基本優于對照組并互有優劣,說明添加生物炭使堆肥效果得到一定提升。

(2)通過提取出3種的堆肥腐殖質光譜學表征顯示,在紫外-可見光譜中4組波形基本一致,胡敏酸腐殖化程度要優于富里酸和親水性組分且S2、S3效果較好,說明添加10%和15%生物炭能有效促進堆體腐殖化程度提升;在三維熒光光譜分析中,堆肥后可溶性微生物副產品逐漸轉化為類腐殖質,且添加生物炭能促進其轉移效果,生成更多類腐殖質物質,在胡敏酸平行因子分析中,添加生物炭可以使堆肥腐殖質含量增多,各處理組胡敏酸的各組分含量變化有所不同,其中添加5%和15%生物炭類胡敏酸含量最多,而添加10%生物炭使類富里酸含量最大;從傅里葉紅外光譜可以得到,S2、S3組有更多的類腐殖質物質生成,芳香族化合物增多,腐殖化程度提高。