污泥堆腐过程中腐殖酸组分及结构变化特征

王杰，闫鹏举，杨春璐，袁雅婷，吴新颜，韩晓昕，潘潇涵，陈忠林

辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036

污泥堆腐过程中腐殖酸组分及结构变化特征

王杰，闫鹏举，杨春璐*，袁雅婷，吴新颜，韩晓昕，潘潇涵，陈忠林*

辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036

污泥是污水处理过程中的副产物，含有重金属、有机污染物、病原菌和寄生虫卵等有毒有害物质。为了明确堆腐对污泥中腐殖酸的影响，本研究在污泥∶草炭∶稻草=3∶1∶2（干重比）和55%含水量条件下，开展了为期30 d的堆腐试验。采用紫外光谱仪、红外光谱仪等仪器手段，研究了污泥堆腐过程中腐殖酸组成及结构变化。结果表明，污泥堆腐过程中腐殖酸含碳量呈先下降后上升的变化规律，但变幅较小；胡敏酸含碳量由23.5 g·kg-1逐渐增至51.4 g·kg-1，增幅为118.9%；而富里酸碳含量则由46.1 g·kg-1逐渐降至20.8 g·kg-1，降幅为54.8%。紫外光谱表明，堆腐过程中胡敏酸和富里酸的最大吸收峰位置没有发生明显变化，但峰形变宽，E465/E665值降低；傅立叶变换红外光谱表明，堆腐前后胡敏酸和富里酸特征吸收峰位置比较相近，但某些官能团的强度发生改变，堆腐后胡敏酸和富里酸的芳构化和腐殖化程度提高。

污泥堆腐；胡敏酸；富里酸；光谱特征

污泥是污水处理过程中产生的副产物，污泥既含有丰富的有机质、氮、磷和微量元素等营养成分，又包括有机污染物、重金属和病原微生物等有毒有害物质（Kulikowska，2016）。污泥不经处理直接排放会污染土壤、地表水和地下水，使动植物生长受到危害，影响人类的生存和健康（范世锁等，2015）。污泥堆腐就是污泥中有机物质分解、形成稳定的腐殖质的过程（Kelessidis et al.，2012）。研究表明，污泥堆腐可杀灭大部分病原微生物和有毒有害物质，使污泥性质稳定化（Yuan et al.，2016）。目前，关于污泥堆腐过程中有机质腐殖化方面的研究已有一些报道，但不同学者对于堆腐过程中腐殖酸含量变化的结论不尽相同（熊雄等，2008；郑国砥等，2009；Zhou et al.，2014）。张雪英等（2004a）研究发现，污泥堆腐结束时腐殖质含量较堆腐前增加了2倍以上；Kang et al.（2011）研究也发现污泥堆腐后腐殖质含量较堆腐前增加10%以上；曲晓晶（2008）研究却发现，污泥堆腐过程中腐殖质呈先增加后降低变化，并且在堆腐结束时腐殖质含量较堆腐前降低。同时，一些研究学者发现，采用紫外光谱、荧光光谱和红外光谱等现代仪器手段，可以较好地对腐殖酸结构进行定性分析（Amir et al.，2010；Albrecht et al.，2011）。为此，本研究通过紫外光谱和红外光谱，对污泥堆腐过程中腐殖酸含量及结构变化进行定性和定量分析，以期为科学评估污泥腐殖化程度提供理论依据，同时为污泥无害化处理奠定实践基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试污泥为沈阳市北部污水处理厂的新鲜脱水污泥，堆腐调理剂为草炭和稻草秸秆，污泥、草炭和稻草秸秆的基本性质详见表1。

1.2 试验设计

在污泥∶草炭∶稻草=3∶1∶2（以干重计）和55%含水量条件下混合物料，堆体大小约为2 m×3 m×1.5 m，堆腐周期为30 d。每隔5天翻堆1次，进入高温期后视情况进行翻堆，以使堆体反应均匀。堆腐物料混合好后进行1次采样，之后每隔5天采样1次。将所采集的样品均匀地平铺在牛皮纸上，摊成薄层于室温下风干，磨碎后分别过20目和60目，用于相关指标测定。

表1 污泥和调理剂基本性质Table 1 The basic characteristics of sewage sludge and bulking agents

1.3 测定项目及方法

有机碳测定采用重铬酸钾氧化法（中华人民共和国环境保护部，2011）。

腐殖酸分组和测定：称取2.0 g（精确到0.0001 g）已过60目筛的污泥堆腐样品于50 mL离心管中，加入40 mL 0.1 mol·L-1Na2P4O7和0.1 mol·L-1NaOH混合液，常温振荡16 h（150 rpm），静置后离心20 min（4000 rpm），之后用0.45 µm混合纤维滤膜过滤，反复提取直至提取液接近无色。收集滤液，用2 mol·L-1HCl调节pH值至6.0，即为腐殖酸组分（HS）。吸取上述腐殖酸溶液20 mL于小烧杯中，逐滴加入2 mol·L-1HCl至出现沉淀，转入干净的离心管中，离心20 min（4000 rpm），上清液即为富里酸组分（FA），沉淀即为胡敏酸组分（HA）。将上述胡敏酸沉淀重新溶解于0.1 mol·L-1NaOH溶液中，离心去掉不溶解物，再用2 mol·L-1HCl调节pH至6.0，离心弃掉上清液，沉淀留存待用。各个组分含碳量采用重铬酸钾氧化法测定，以g·kg-1计。

紫外光谱扫描：在TU 1810 pc紫外-可见分光光度计上进行测定，扫描范围为200～700 nm，样品质量浓度为100 mg·L-1。根据光谱数据，计算特征紫外吸光系数E465/E665比值。

红外光谱测定（Provenzano et al.，1998）：采用Spectrum one傅立叶变换红外光谱仪进行扫描，将1 mg冻干的待测样品与400 mg干燥的KBr磨细混匀，在20～30 MPa压力下压成薄片，扫描范围为4000～400 cm-1。1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和Origin 9.0对数据进行处理和绘图，并通过SPSS 13.0对数据进行统计分析，不同堆腐时期腐殖酸、胡敏酸和富里酸含碳量差异采用单因素方差分析（One-way ANOVA），并利用LSD法进行差异显著性检验（α=0.05），图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与讨论

2.1 污泥堆腐过程中腐殖酸、胡敏酸和富里酸含碳量变化

堆腐的第一阶段是有机质的分解，第二阶段则是合成新的腐殖质，包括胡敏酸（HA）和富里酸（FA）等物质。腐殖化系数（H/F）是指腐殖质中HA和FA的比例值，其比值越大，腐殖物质的腐殖化程度和分子复杂程度越高（Zhou et al.，2014）。腐殖质组成及结构的复杂化程度是决定堆腐质量及腐熟度的重要因素之一。

由图1可知，堆腐对污泥中腐殖酸、胡敏酸、富里酸以及H/F比值变化影响均达显著水平（P＜0.05）。其中，污泥中腐殖酸含碳量呈先降低后上升的变化规律，堆腐前腐殖酸含碳量为69.5 g·kg-1，堆腐进行至第15天时含碳量最低，为64.6 g·kg-1，之后其含碳量显著增加，至堆腐结束时其含碳量增至72.2 g·kg-1，较堆腐前增加了3.8%。尽管污泥堆腐过程中腐殖酸含碳量增幅不大，但其组成发生了显著变化。随堆腐的进行，污泥中胡敏酸含碳量由23.5 g·kg-1逐渐增至51.4 g·kg-1，增幅为118.9%；而富里酸含碳量则由46.1 g·kg-1逐渐降至20.8 g·kg-1，降幅为54.8%。并且腐殖酸中胡敏酸碳所占比例由堆腐前的33.7%逐渐上升到71.2%，富里酸碳所占比例由堆腐前的66.3%逐渐下降至28.8%，而H/F比值则由堆腐前的0.51上升至2.47。H/F比值的提高表明污泥堆腐过程中有机物不断向稳定化和腐殖化方向转化（郑国砥等，2009；Kang et al.，2011；Barje et al.，2012）。这可能是由于简单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较低的分子量和较强的水溶性，在有机物质的降解作用下，极易被分解（Jouraiphy et al.，2005）。Bernal et al.（1998）发现由腐熟的城市垃圾、污泥和猪粪等物料混合堆腐的H/F比值均大于1.9。一般认为，胡敏酸结构复杂，芳构化程度高，而富里酸结构简单，进一步证明污泥堆腐过程中有机质逐渐形成分子量大、结构复杂的腐殖类物质，污泥腐殖化程度提高（Troy et al.，2012）。张雪英（2007）研究进一步发现堆腐结束后污泥中分子量大于8000 Da的腐殖质含量由39.4%增到75.2%，增幅为35.8%，这与本研究的结论比较类似。

2.2 污泥堆腐过程中胡敏酸和富里酸结构变化的紫外-可见光谱表征

腐殖物质分子中的多价健与非共用电子，通常具有发色基团（C=C、C=O）与助色基团（C—OH、C=NH2），它们都在紫外光区域具有吸光作用。腐殖物质的紫外光谱曲线斜率越大，分子复杂程度越低（窦森，2010）。腐殖物质的色调与其腐殖化程度密切相关，E465/E665值通常作为腐殖酸品质或缩合度、芳构化程度的重要指标。一般认为，E465/E665值越高，腐殖物质的分子结构越简单，腐殖化程度低（文启孝，1984；闫金龙等，2014）。

图1 污泥堆腐过程中腐殖酸含量及其组成变化特征Fig. 1 The variation characteristics of humic substances and its composition

由图2可知，堆腐前后污泥中胡敏酸紫外光谱在200～600 nm范围内的吸光值呈先上升后下降的变化特征。堆腐前后胡敏酸最大吸收峰位于233 nm，没有发生明显位移，在270～360 nm区域出现类肩峰，堆腐前后胡敏酸在200～360 nm紫外区域吸收强度没有明显变化，图谱重叠较严重。但随着堆腐的进行，胡敏酸在波长大于360 nm区域的吸收强度逐渐增大，峰形逐渐变宽，表明胡敏酸腐殖化程度增强。陈恩凤等（1985）指出在320 nm附近区域出现小类肩峰可能是苯基脂族取代的加合峰，而康军等（2010）认为，345 nm附近的肩峰是由带孤对电子的生色团产生的，可能是由羰基（C=O）或羟基（-OH）中氧原子孤对电子的n→π*跃迁引起。此外，污泥堆腐过程中胡敏酸紫外光谱E465/E665值由堆腐前的6.9逐渐下降至4.8。表明污泥堆腐后胡敏酸腐殖化程度提高、缩合度增加。

图2 污泥堆腐过程中胡敏酸和富里酸紫外-可见光谱变化特征Fig. 2 Characteristics of ultraviolet-visible spectroscopy of HA and FA during sewage sludge composting

图3 污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸红外光谱特征Fig. 3 The infrared spectra characteristics of HA and FA before and after sewage sludge composting

由图2还可知，堆腐前后污泥中富里酸紫外光谱在200～600 nm范围内的吸光值也呈先上升后下降的变化规律，但在波长小于500 nm后吸收值极低，并且富里酸的峰宽明显较胡敏酸窄。这是因为富里酸相对胡敏酸，其分子量低、分子结构简单、含有的芳香族基团（C=C）数量少（Amir et al.，2005）。堆腐前污泥中富里酸最大吸收峰位于215 nm附近，这是由含有π—π共轭结构的分子（如芳香族）中的电子跃迁引起（范春辉等，2015）。堆腐后富里酸峰形较堆腐前变宽，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区域出现的吸收平台，则为木质素成分的特征（窦森等，1995）。同时，污泥堆腐过程中富里酸紫外光谱E465/E665值由18.8逐渐下降为9.9，表明污泥堆腐后富里酸芳构化程度提高（Yamashita et al.，2003）。

2.3 污泥堆腐过程中胡敏酸和富里酸结构变化的红外光谱表征

一般认为，在堆腐过程中腐殖质的组成和含量变化的同时，分子的结构及缩合度也发生很大的变化（张雪英等，2004b）。

由图3可知，污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸的红外特征峰位置与水溶性有机物比较相似。在波数为3490、3408、2451、2116、1652、1539、1396、1096、1022、898、721和594 cm-1附近均出现特征吸收峰。由图3还可知，污泥堆腐后胡敏酸和富里酸在波数为1650 cm-1处的吸收较堆腐前变强，表明芳香结构物质数量增加（张雪英等，2004b）。另一方面，虽然污泥堆腐前后胡敏酸和富里酸的特征峰位置比较相似，但峰形和峰强存在差异，尤其是堆腐前后胡敏酸在1650 cm-1处的吸收均较富里酸强，这是因为胡敏酸芳构化程度更高，而富里酸则具有更多的结构简单的低分子量物质，且其芳构化水平相对较低（Jindo et al.，2016）。同时堆腐前后富里酸在1540 cm-1处的吸收均比胡敏酸强，表明富里酸较胡敏酸脂族性强（Amir et al.，2010）。有机质的稳定性增强，同时羧基、酚羟基和烯醇基等基团增加，更意味着堆腐过程可促进腐殖质产生更多的可络合金属和有机物的吸附点位（Wang et al.，2014）。

3 结论

堆腐对污泥中腐殖酸含碳量变化影响较小，但对其组成影响较大，堆腐结束时胡敏酸含碳量较堆腐前增加了118.9%，富里酸含碳量较堆腐前降低了54.8%。同时，随堆腐试验的进行，H/F比值由0.51升高至2.47，胡敏酸和富里酸的E465/E665值表现出不同程度地下降，分子间缩合度增加，污泥中的有机物质腐殖化程度和芳构化水平提高。

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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, 闫鹏举, 杨春璐, 袁雅婷, 吴新颜, 韩晓昕, 潘潇涵, 陈忠林. 2017. 污泥堆腐过程中腐殖酸组分及结构变化特征[J]. 生态环境学报, 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.

辽宁省博士启动基金项目（20121033）；辽宁大学“大学生创新创业训练计划项目”（201610140139）

王杰（1981年生），女（满族），高级实验师，博士。E-mail: wangjie811226@163.com

*通信作者

2016-11-18