添加不同比例玉米生物炭的堆肥腐殖质光谱学表征

侯智斌, 谢益平*, 曹长春, 徐锦涛

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院, 桂林 541006; 2.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与饮用水安全保障协同创新中心, 桂林 541006)

随着中国经济的快速发展,工农业产品大量增加及城市化进程不断推进,中国的城市污水量和污泥量也随之增长[1]。据相关报道,中国污泥总产量很快将突破1亿t。水厂产出的污泥如果不经过相应处理直接排放,不仅会占用大量土地,污染土质,其中所含有的致病菌、重金属及持续性有害物(persistent organic pollutants,POPs)等物质还会对周围的环境造成极大的破坏,进而对周围居民健康产生威胁。而因中国城镇污水企业处置能力不足、处置手段落后,大量污泥没有得到规范化的处理,所以实现污泥无害化处置,已经刻不容缓。

好氧堆肥[2]是城市污泥稳定化、无害化和资源化的有效途径。在堆肥过程中,有机物原料被微生物转化为稳定的腐殖质[3],其携带的各种活性官能团能抑制病原菌生长、促进土壤肥力、降低重金属迁移等,但要得到较好的堆肥效果,需要在堆肥时添加调理剂,以调节堆体结构和物料的理化性质。现国内添加的调理剂有秸秆、锯末、米糠、微生物菌剂[4]等,这些添加剂有些成本太高,有些对堆肥的提升效果并不明显。

不同类型的污泥对不同生物炭的适应条件不一样,而对于市政污泥堆肥的最适宜添加比例还未确定及堆肥过程中腐殖质变化情况鲜有报道。现选用玉米生物炭作为市政污泥堆肥的调理剂,通过对堆体样品理化性质的分析和堆肥腐殖质光谱学表征的手段来探究添加不同比例(0、5%、10%、15%)玉米生物炭对污泥堆肥的影响,为生物炭这种调理剂的应用和堆肥腐殖质的环境效益提供分析和帮助。

1 材料与方法

1.1 堆肥产品及其预处理

污泥取自桂林市雁山污水厂,米糠购买于桂林市某粮油店,玉米生物炭购买于某科技公司,原料基础理化性质如表1所示。

表1 原料基础理化性质

堆肥装置采用100 L的塑料桶,外部裹上保温棉以防止热量散失过快,在桶底部打孔并放置一个曝气头,以流量计连接曝气头和氧气泵来控制曝气量[13](根据每千克干污泥0.2 L·min设为0.26 L·min),保持桶内氧气充足。在桶底部放置一层镂空塑料球和一层纱布防止原料堵塞曝气头。共设置1组对照组CK(污泥∶米糠=1.35∶1,共23 kg),设置3组实验组S1、S2、S3分别加入对照组总重量5%、10%和15%玉米生物炭,4组物料混合均匀后静置好氧堆肥。在堆肥第0、2、6、10、15、22、30天从堆体上中下混合采集一份样品,分成两份,一份用于理化性质的测定,另一份放置于-4 ℃冰箱中预冻48 h,而后放入冷冻干燥机冷冻干燥3～4 d以去除水分,再研磨过100目筛放入干燥箱中保存,后续实验提取腐殖质后进行光谱分析。

1.2 理化性质的测定

在堆肥期间的每天9:00和16:00测定温度并取平均值;取10 g污泥样品放入坩埚中在105 ℃烘箱内烘24 h至恒重,烘干前后质量差与烘干前样品质量之比为含水率,再把已烘干水分的样品放入马弗炉以550 ℃烧制6 h得到有机质含量(OM);取3 g样品以1 g∶10 mL的固液比在摇床上180 r/min振动2 h后离心,取上清液测定pH和电导率(EC)。

1.3 堆肥腐殖质的提取

堆肥腐殖质提取采用温如海[14]的方法,共提取出3种腐殖质,分别是富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和亲水性组分(Hyl)。

1.4 光谱分析

1.4.1 紫外-可见光谱测定

将待测腐殖质组分溶解后调节DOC浓度为10 mg/L,装入10 mm石英比色皿后使用紫外分光光度计测定各组堆肥样品的紫外-可见光谱,以纯水作为空白对照。设定扫描间距为1 nm,扫描范围设为200～700 nm。

1.4.2 三维荧光光谱测定

将待测腐殖质组分溶解后调节DOC浓度为10 mg/L,使用荧光光度计测定样品的三维荧光激发-发射(3D-EEM)光谱,以纯水作为空白对照,设置激发波长(Ex)为200～450 nm,发射波长(Em)为280～550 nm。使用Matlab对三维荧光数据进行分析,得到三维荧光激发-发射光谱后利用DOM Flour工具包进行平行因子分析。

1.4.3 傅里叶红外光谱测定

将冷冻干燥后的胡敏酸粉末与溴化钾粉末以1∶100的比例混合后在红外灯下用玛瑙研钵研磨混匀后装入模具,使用压片机压制成薄片状,取出后置于红外光谱仪中测定,设定扫描间隔为2 nm,扫描范围设为400～4 000 cm-1。

2 结果与分析

2.1 理化性质

2.1.1 温度和含水率

观测堆体的温度是观察堆肥效果最简单有效的指标之一,温度影响着堆体微生物的生存环境和活性,从而影响代谢和堆体发酵过程,间接反映出堆肥中有机物的利用与降解情况。从图1中可以看出,在堆肥第1～2天,4个处理组的堆体温度迅速上升至50 ℃以上,且在第4天开始升温至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天达到峰值,分别为63.4、64.6 ℃,S1和S2在第5天达到峰值分别为63.2、64.9 ℃,4个处理组均达到了无害化处理的要求。此阶段微生物分解有机物并迅速生长繁殖而释放出大量热量。可以看到的差距是CK组升温期较其他组延迟了1～2 d,此结果表明添加生物炭堆肥能有效促进堆体升温,提高堆体温度并延长其高温期时间,其中S2、S3组升温效果最好,这可能与生物炭具有丰富的空隙结构和较强的吸附性能有关,它能为微生物提高良好的生存空间[15],满足生长需求。在第10天开始营养物质逐渐减少,微生物活性降低,温度也逐渐下降,在第15天进入腐熟期,在这一阶段易分解的有机物已基本消耗殆尽,微生物开始分解难分解的木质素等开始二次腐熟并逐渐接近环境温度。

图1 堆肥过程中温度、含水率的变化趋势

在堆肥过程中含水率也是一项重要指标之一,已有先前研究表明控制堆体含水率在55%～60%效果最佳,S2、S3组因添加较多生物炭导致初始含水率只在52%,而随着堆肥的进行,4组含水率均不断下降,分别减少了5.8%、6.1%、6.7%、6.7%,在高温期含水率下降较为明显而在中后期开始逐渐趋于平稳,造成的原因是曝气通氧及堆肥高温期带走了较多的水分,使含水率下降更快,且翻堆过程会进一步促进空气的进入,加快含水率的下降。

2.1.2 pH、EC、OM

pH能影响微生物的生长环境,从而影响堆肥效果,如图2所示,在堆肥初期4组pH均较低,分别为5.96、6.40、6.87、6.83,均呈弱酸性,在高温期pH出现下降,这与之前的研究不同,可能的原因是部分堆体堵塞孔隙或者含水率较高造成厌氧产酸导致的,第2天过后pH开始不断上升,在第10天已达到9.0左右,4组pH分别为8.78、8.99、9.06、9.15,这是因为高温期内易分解的蛋白质类被微生物大量代谢,释放出氨气等碱性物质导致,在第10天之后,堆肥开始进入腐熟期,微生物分解难分解的有机质使pH变得平稳,第30天4组pH分别为8.98、8.89、8.98、8.99。4组堆体的pH均从对微生物有害的弱酸性变为适宜其生长的弱碱性,说明堆肥均已达到最佳效果,改善了污泥的性质已达到环境友好型。

图2 堆肥过程中pH、EC、OM的变化趋势

EC可以反映出堆肥中可溶性电解质的含量,已有研究表明可溶性盐含量过多会对植物产生毒性,抑制植物生长,通常认为堆肥浸提液的EC不能超过4 000 μs/cm。在第0天时4组EC分别为653、756、843、914.5 μs/cm,可见添加生物炭越多,其EC会越高,在高温期EC迅速升高,S1、S2、S3分别在第2天达到最高值1 177.5、1 234、1 227 μs/cm,CK组在第6天达到最高值1 186.5 μs/cm,这是因为在高温期微生物活性较高,其生命活动大量分解大分子有机物,从而转化为小分子物质及可溶性离子,导致EC增加,实验组3组增幅较为一致。高温期结束后,4组EC又迅速下降至600～700 μs/cm,是因为部分矿物盐离子的沉淀和NH3、CO2的挥发导致,在第30天4组EC分别为731、759、760.5、771.5 μs/cm,4组数据差距不大,且在堆肥周期内EC均未超过4 000 μs/cm,表明4组堆肥产品均能用于土地修复、增加土壤肥力。

OM是微生物生长所需要的营养物质,大部分OM来自污泥。4组OM分别从76.27%降至67.64%、75.23%降至62.45%、73.21降至62.46%、71.18%降至57.17%,分别减低了8.63%、12.78%、10.75%、14.01%,S3降低幅度最大,说明物料中OM作为营养物质被分解消耗,且在堆肥前期OM下降迅速是因为易分解的OM在较短时间内被利用,而在堆肥后期微生物开始降解纤维素、半纤维素能难降解有机物使OM下降较为平缓。此结果说明添加生物炭适宜堆体中微生物的生长以至让更多OM加以利用。

2.2 紫外-可见光谱分析

2.2.1 紫外-可见吸收光谱曲线

图3～图5是堆肥腐殖质紫外-可见吸收光谱图,从图3～图5可以看出,3个腐殖质组分吸光度变化基本一致,即随着波长的增加吸光度逐渐降低。在富里酸组分中可以看到在280 nm波段出现一个的峰肩,且4个处理组均随着堆肥时间的推移,峰肩越为明显,在第22天和第30天达到吸收峰最大值,这是由于类腐殖质物质和芳香族物质中共轭结构吸收紫外光引起的n-π*电子跃迁所导致的[16],而在胡敏酸和亲水性组分中峰肩不明显,表明富里酸随着堆肥的进行,内部结构出现较大变化。胡敏酸组分相比于其他两个组分,吸光度更高,随着堆肥的进行4组均出现十分均匀的红移,堆肥结束后吸收峰强度均高于堆肥初期且在第30天达到峰值,说明随着堆肥的进行腐殖质的芳香度和不饱和度在上升,腐殖化程度增强。在亲水性组分中只发现S1组在第30天出现明显的红移,其他红移变化不显著,表明亲水性组分中S1组的腐殖化程度高于其他3组,但整体来看亲水性组分的腐殖化程度要低于富里酸和胡敏酸。

图3 各组富里酸紫外-可见吸收光谱图

图5 各组亲水性组分紫外-可见吸收光谱图

2.2.2 紫外-可见吸收光谱特征参数

1)SUVA254和SUVA280

SUVA254和SUVA280是样品在254、280 nm处的吸光度除以DOC浓度再乘以100得到的。SUVA254与样品中不饱和C=C键有关,SUVA254越大,样品中所含不饱和C=C键越多,SUVA280可用来表征样品中有机质的分子量大小,SUVA280越高,分子量越大,表明腐殖化及芳构化程度提高[17]。如图6和图7所示,3种腐殖质的SUVA254和SUVA280均呈波动上升,其中胡敏酸上升幅度最大,4组SUVA254平均从2.0上升至4.0左右,SUVA280平均从1.5上升至3.5左右,且在第30天S3组SUVA254和SUVA280均达到最高值4.5、4.0。在富里酸组中,4组SUVA254数值平均从1.0上升至2.0左右,SUVA280从0.5上升至2.0,S2组在第30天分别达到最高值2.8、2.7,亲水性组分数值最低且变化波动不大。结果说明胡敏酸中不饱和C=C键含量和有机质分子量明显高于其他两种腐殖质,亲水性组分含量最低,而不同腐殖质组分的不同处理组上升变化也有所差异,但均在第30天达到峰值,说明堆肥使腐殖化程度提高,其中S2、S3组效果最佳。

图6 3种腐殖质各处理组SUVA254变化趋势

图7 3种腐殖质各处理组SUVA280变化趋势

2)SUVA436和E253/E203

SUVA436表示样品中醌基、半醌基含量,SUVA436越大,醌基、半醌基含量越高,且醌基、半醌基是腐殖质电子转移能力的主要贡献官能团,E253/E203是样品在波长253 nm和203 nm处的吸光度比值,当样品中有机质芳香环上的羟基、羧基、脂类等官能团增加时该值上升。由图8和图9可知胡敏酸的两个指标均波动上升,S3组SUVA436从0.34上升至0.67,E253/E203从0.12上升至0.37,较其他3个处理组增幅显著。SUVA436的富里酸和亲水性组分波动变化不大,富里酸最大增幅为0.2左右,为S2组,而亲水性组分基本不变。E253/E203的富里酸和亲水性组分在高温期出现剧烈上升,而后富里酸组分开始波动上升,增幅较缓,亲水性组分开始逐渐下降。出现这种现象的原因可能是腐熟期微生物难以分解复制的有机物,可增加或可取代的官能团含量不高,而胡敏酸具有的大分子量吸附性可以获得更多的官能团,从而导致SUVA436和E253/E203数值明显高于其他两组,具有更高的电子转移效果和腐殖化程度,而其中S3处理组的上升最明显。

图8 3组腐殖质各处理组SUVA436变化趋势

3)A226-400和SR(275-295)/(350-400)

A226-400指样品在226～400 nm吸光度的区域面积积分,由于226～250 nm段不饱和的π-π键及270～400 nm段有机质中多个共轭苯环均能造成光吸收,因此可用于表征样品的芳构化程度。SR(275-295)/(350-400)指样品在275～295 nm波段与350～400 nm波段吸光度拟合直线的斜率之比,可作为探究样品中腐殖质芳香碳含量及分子量的依据,其数值与两者呈负相关。从图10和图11可以看出4组胡敏酸的A226-400呈上升趋势,富里酸出现波动上升,而亲水性组分变化不大,说明3种腐殖质中胡敏酸的芳构化程度远大于其他两种腐殖质,且S2、S3效果明显,亲水性组分在堆肥前后芳构化程度未发生太大改变。同时胡敏酸的SR(275-295)/(350-400)从开始堆肥到高温期上升,高温期结束后出现明显下降,表明堆肥使胡敏酸中芳香碳含量增加,堆肥稳定性提高。

图10 3组腐殖质各处理组A226-400变化趋势

图11 3组腐殖质各处理组SR(275-295)/(350-400)变化趋势

2.3 三维荧光光谱分析

图12～图14依次展示了富里酸、胡敏酸和亲水性组分在堆肥第0天和第30天的三维荧光光谱图,经区域体积积分后可划分为Ⅰ(络氨酸)、Ⅱ(色氨酸)、Ⅲ(类富里酸)、Ⅳ(可溶性微生物副产品)和Ⅴ(类腐殖酸)5个区域[18]。3种腐殖质各个处理组在同一天内无明显差别,第0天在Ⅳ、Ⅴ两个区域均有荧光峰且富里酸和亲水性组分在Ⅳ区所含荧光峰峰值更高,第30天3种腐殖质的荧光峰均向Ⅴ区域变化,富里酸表现为Ⅴ区域荧光峰峰值变高,S1、S2、S3处理组荧光强度从55增强至250,胡敏酸和亲水性组分表现为Ⅳ区域荧光峰向Ⅴ区域转移,其中CK组胡敏酸只发生转移而其他3组发生转移的同时荧光峰峰值变高,亲水性组分中除S2外,其他3组荧光峰峰值变高,S1上升明显。结果表明经过堆肥后可溶性微生物副产品逐渐转化为类腐殖质,通过峰值的强弱可以判断添加生物炭能促进其转移效果,生成更多类腐殖质物质。

图12 各处理组富里酸堆肥前后3D-EEM光谱图

图13 各处理组胡敏酸堆肥前后3D-EEM光谱图

图14 各处理组亲水性组分堆肥前后3D-EEM光谱图

在得到胡敏酸在堆肥时期3D-EEM数据后,为了能更好地分析胡敏酸在整个堆肥周期内的演变,将胡敏酸的数据进行平行因子分子分析,得到4个组分,如图15～图18所示。根据前人实验研究结构描述[19],荧光峰位置与相对应的物质大致概述为:类腐殖酸荧光(Ex:350～440 nm、Em:430～510 nm);可见光区类富里酸荧光(Ex:310～360 nm、Em:370～450 nm);紫外光区类富里酸荧光(Ex:240～270 nm、Em:370～440 nm)和类蛋白荧光(Ex:260～290 nm、Em:300～350 nm)。CK组和S2组的组分1为类腐殖酸、组分2和3均为可见光区类富里酸;S1组中组分1和2为可见光区类富里酸、组分3为类腐殖酸;S3中组分1和3为可见光区类富里酸、组分2为类腐殖酸;4组中的组分4均为类蛋白物质,其中类腐殖酸又可以分为类富里酸和类胡敏酸,由于上述实验结果中胡敏酸的腐殖化程度更高,即芳香性要大于富里酸,所以胡敏酸的激发和发射波长均会发生红移从而导致波长长的为类胡敏酸,波长短的为类富里酸,则本研究中所解析出的类腐殖酸为类胡敏酸物质。

图15 CK组基于平行因子分析的胡敏酸三维荧光特征峰

图16 S1组基于平行因子分析的胡敏酸三维荧光特征峰

图17 S2组基于平行因子分析的胡敏酸三维荧光特征峰

图18 S3组基于平行因子分析的胡敏酸三维荧光特征峰

图19展示了4组胡敏酸在不同时期各组分含量的变化趋势,可以观察到在第0天4个处理组的胡敏酸各组分含量较为平均,此时类蛋白物质最多,随着堆肥的进行,组分4逐渐减少表明类蛋白物质作为微生物的生存能源被不断消耗,在堆肥后期组分4有略微增加的趋势可能是因为在腐熟期微生物和细菌代谢降解产生的溶解性有机物易于蛋白物质结合而产生荧光所致[19],CK组在堆肥中后期组分3迅速增加,S2组在堆肥中期组分3增势明显,两组在堆肥后期组分2含量最多,组分1略微上涨,表明CK和S2组中可见光区类富里酸占主导,在S1组中组分2在高温期上升趋势明显,而后下降并保持稳定,组分1在高温期小幅降低后持续上升,可能的原因是高温期细菌降解作用导致有机物更多地向类富里酸转变,类胡敏酸含量减少,而在进入腐熟阶段类蛋白物质和部分类富里酸转化为类胡敏酸导致其含量上升,S3组中组分1、2、3不断波动,最后含量大小为类胡敏酸(组分1)>类富里酸(组分2或3)>类蛋白物质(组分4)。添加生物炭可以使堆肥腐殖质含量增多,各处理组胡敏酸的各组分含量变化有所不同,其中添加5%和15%生物炭的组分类胡敏酸含量增加最多,而添加10%生物炭使类富里酸含量最大。

2.4 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

傅里叶红外光谱分析能够通过特定波段的特征峰来表征样品中有机物的结构和官能团分析,通过吸收峰在波段的位置判断官能团的类型,再通过吸收峰的强度变化判断有机物含量和结构演变。从图20可以看出4个处理组不同时期的胡敏酸红外光谱未出现显著差异,仅在部分吸收峰相对强度上不同。CK组的红外光谱因未添加生物炭而不同于其他3组,主要吸收峰波段为在1 000～1 800 cm-1范围反复波动、2 800～3 000 cm-1和3 000～3 700 cm-1,S1、S2、S3主要吸收峰波段为500～800 cm-1,1 000～1 200 cm-1、1 300～1 430 cm-1和1 500～1 700 cm-1。根据先前的研究[20],在1 000～1 800 cm-1波段内,1 040 cm-1可能是由多糖类的C-O键对称伸缩振动引起的吸收峰,1 240 cm-1左右的吸收峰由多糖类或醇类C=O键引起,1 643 cm-1附近的峰由烯烃C-H不对称振动或者存在酰胺等物质引起[21],CK组的不同时期上述这些吸收峰变化不明显,可能的原因是多糖类在堆肥过程中不断被消耗而又有醇类物质生成所致。在S1、S2、S3中主要吸收峰为618 cm-1,可能由不饱和炔烃类化合物的C-H键弯曲振动引起,1 120 cm-1的峰可能与多糖类物质的C-H或木质素类物质的C-O-H伸缩振动有关,木质素难以利用降解导致改峰值变化不明显。1 340～1 420 cm-1的吸收峰与芳香族化合物的C=O键或C=C键有关,部分由类腐殖质的对称羧酸根离子或芳香环振动引起,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键造成,其中后两个吸收峰在S2、S3组中随着时间的增加而不断加强,表明S2、S3组有更多的类腐殖质物质生成,芳香族化合物增多,腐殖化程度提高。 此外,4个处理组中都存在2 920 cm-1附件的吸收峰,被认为是芳香族C-H键非对称拉伸所致,3 000～3 500 cm-1波段的吸收峰表示羧基、醇和苯酚中的羟基。

图20 4组处理组的胡敏酸红外光谱

3 结论

(1)通过添加不同比例玉米生物炭的静置好氧堆肥实验表明,4个处理组的高温期均超过相关标准要求以达到无害化处理,且生物炭能延长堆体高温期1～2 d,4组pH略微下降后在高温期上升并保持稳定,EC先上升后下降并保持稳定,含水率和OM均稳定下降,实验组数据基本优于对照组并互有优劣,说明添加生物炭使堆肥效果得到一定提升。

(2)通过提取出3种的堆肥腐殖质光谱学表征显示,在紫外-可见光谱中4组波形基本一致,胡敏酸腐殖化程度要优于富里酸和亲水性组分且S2、S3效果较好,说明添加10%和15%生物炭能有效促进堆体腐殖化程度提升;在三维荧光光谱分析中,堆肥后可溶性微生物副产品逐渐转化为类腐殖质,且添加生物炭能促进其转移效果,生成更多类腐殖质物质,在胡敏酸平行因子分析中,添加生物炭可以使堆肥腐殖质含量增多,各处理组胡敏酸的各组分含量变化有所不同,其中添加5%和15%生物炭类胡敏酸含量最多,而添加10%生物炭使类富里酸含量最大;从傅里叶红外光谱可以得到,S2、S3组有更多的类腐殖质物质生成,芳香族化合物增多,腐殖化程度提高。