2018, Vol. 39
2. 福建农林大学资源与环境学院, 福建省土壤环境健康与调控重点实验室, 福州 350002
, YU Zhen1
, ZHOU Pu-xiong1,2 , LUO Hai-lin1,2 , WANG Yue-qiang1 , LIAO Han-peng2 , ZHOU Shun-gui2
2. Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
城市污泥含有大量可生物降解的有机物, 未经处理随意排放会造成严重的环境污染[1].堆肥法以其能有效杀灭病原菌、使污泥减容减量并提供有机肥等优点备受关注, 已被广泛应用于城市污泥等有机废物的处理与资源化利用[2~4].然而, 传统高温堆肥一直存在发酵温度低、堆制时间长、臭气与渗滤液二次污染等问题[5].大量研究表明, 提高堆肥温度可促进有机质降解、减少臭气产生、加速堆肥腐殖化进程, 从而明显缩短发酵周期[6].Oshima等[7]不依靠外源加热的方式使牛粪堆肥的最高温度达到95℃, 使堆体中的有机物得到快速降解.周顺桂等[8]开发出了一种全新的污泥超高温好氧发酵工艺, 利用自主研制的极端嗜热微生物菌剂使污泥自发热并能长时间维持堆体温度80℃以上, 将堆肥时间缩短至20 d左右.该工艺已成功应用于北京顺义600 t·d-1的污泥再生利用示范工程[9].
堆肥过程其实质是发生在水溶相中的有机质矿化与腐殖化过程[10, 11].水溶性有机质(DOM)的结构变化较之固相组分更能灵敏反映堆肥过程中的物质转化特性及堆肥腐熟状况[12].因此, DOM光谱学分析可以为堆肥腐熟过程提供重要信息.He等[13]研究了牛粪堆肥DOM的紫外-可见光光谱(UV-Vis)特征, 认为SUVA280、SUVA240及E253/203等指标能反映堆肥过程中物质组成和转化特性.Zhang等[14]和Lv等[15]利用三维荧光光谱(3D-EEM)结合荧光区域体积积分技术(FRI)实现了对不同堆肥样品DOM中组分(包括蛋白质、腐殖酸和富里酸等)的定量分析.目前, 关于DOM结构变化及光谱学特征的研究主要是针对传统高温堆肥过程, 对于超高温堆肥这种全新工艺, DOM结构在极端嗜热微生物作用下随超高温堆肥进行是否变化以及如何变化尚不清楚.因此, 本研究利用UV-Vis光谱与3D-EEM光谱对超高温堆肥不同阶段的DOM样品进行表征与分析, 阐明其结构变化, 以期为全面揭示城市污泥超高温堆肥的腐熟过程及进行腐熟度评价提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 污泥超高温堆肥实验堆肥原料为城市污水处理厂经板框压滤后的脱水污泥、稻壳和部分堆肥返料.脱水污泥取自河南省郑州市王新庄污水处理厂, 稻壳采购自周边米厂, 返料为上一次污泥超高温好氧发酵后的腐熟产物, 3种堆肥原料的基本理化性质如表 1所示.发酵实验前, 将脱水污泥与稻壳按湿重比20:1搅拌混匀, 再按25%的比例加入堆肥返料, 在混凝土发酵槽内堆制成7.5 m×5 m×2.7 m(长×宽×高)、物料总重约150 t的堆体.发酵前, 调节堆体含水率至60%~65%.发酵槽底部铺设有2条曝气管道, 发酵过程中利用高压鼓风机对堆体连续强制通风供氧, 曝气量控制在4.5 m3·(t·h)-1, 并且在堆肥过程前24 d每3 d用铲车翻堆一次, 整个堆肥周期为35 d.堆肥样品的采集在第0、3、6、14、23、35 d, 采样前依据长度将堆体平均分为3个区域, 每个区域选择多点多层次采集堆肥样品.每个采样区域的样品均匀混合后, 一部分用于理化性质分析, 其余部分用于DOM的提取.
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表 1 堆肥原料的组成成分 Table 1 Characteristic of the components used for composting |
1.2 堆肥理化性质测定
利用WSS301型工程用指针温度计(常州中亿仪表)在堆体5个固定位点每天定时监测堆肥温度.样品的含水率采用烘干法测定.种子发芽指数(GI)参照文献[16]报道的方法, 具体如下:将新鲜堆肥样品与超纯水固液质量比1:10混合, 室温下200 r·min-1水平振荡24 h, 过滤.分别以滤液为实验组和超纯水为空白对照进行种子发芽实验, 测定种子发芽率及根长, 并根据公式计算GI值:
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堆肥样品DOM的提取参照文献[17, 18]的方法.将样品按干重与超纯水固液质量比1:10混匀, 室温下200 r·min-1水平振荡24 h后离心20 min(4℃, 20 000 r·min-1), 上清液过0.45 μm滤膜, 获得的滤液即为提取的DOM.利用岛津TOC-L型TOC仪测定提取DOM样品的水溶性有机碳浓度(DOC), 并根据测定值将DOM的DOC浓度稀释至10 mg·L-1用于后续分析.
1.4 DOM光谱分析 1.4.1 DOM的UV-Vis光谱测定将超高温堆肥不同阶段提取的DOM样品进行UV-Vis光谱扫描.使用仪器为普析TU-1901双束紫外-可见光光度计, 扫描波长为200~700 nm, 扫描波长间隔为1 nm.将扫描波长240~400 nm的积分面积记为A240~400; 254 nm、280 nm处吸光强度与DOC浓度的比值记为SUVA254、SUVA280; 203、220、250、253和365 nm处吸光度分别记为E203、E220、E250、E253和E365, 计算E253/E220、E253/E203、E250/E365的比值; 将275~295 nm和350~400 nm波长范围内的曲线斜率记为S275~295和S350~400, S275~295/S350~400的比值计为SR.
1.4.2 DOM的3D-EEM光谱测定采用日立F-7000荧光光谱仪获得DOM的荧光光谱.测定条件如下:扫描电压400 mV, 激发波长(Ex)200~450 nm, 发射波长(Em)250~550 nm, 激发及发射波长间隙5 nm, 扫描速度2 400 nm·min-1.将扫描获得的DOM-EEM值扣除超纯水值, 以去除拉曼和瑞利散射.
1.5 数据分析采用MATLAB2013a软件对3D-EEM图进行FRI分析; 采用Origin 9.0进行图形分析; 采用SPSS 22进行数据统计分析和相关性分析.
2 结果与讨论 2.1 超高温堆肥过程分析堆肥温度显著影响微生物种群结构和代谢活动, 是反映堆肥进程的关键参数[19].污泥超高温堆肥过程中, 堆体温度的变化主要分为4个阶段[图 1(a)]:(Ⅰ)升温阶段(< 80℃, 0~1 d)、(Ⅱ)超高温阶段(≥80℃, 2~6 d)、(Ⅲ)高温阶段(50~80℃, 7~22 d)、(Ⅳ)腐熟阶段(< 50℃, 23~35 d).堆肥第2 d, 堆体温度从第0 d的31℃急剧上升至83℃, 并在堆肥第5 d达到峰值90℃.整个超高温阶段持续5 d, 而50℃以上的高温阶段持续22 d.而传统堆肥过程中由于需要兼顾工艺条件和微生物代谢活性, 堆体最高温度一般不超过70℃[20].相比之下, 污泥超高温堆肥工艺在促进有机质快速降解的同时, 也能更好地杀灭堆肥中的致病菌、蛔虫卵和杂草籽等.在超高温堆肥后期, 随着堆体中易降解有机物消耗殆尽, 微生物的代谢活动明显减弱, 22 d后的堆体温度迅速降低并接近环境温度, 污泥堆肥过程趋于稳定[21].
超高温堆肥过程中含水率变化如图 1(b)所示.堆体的含水率呈逐渐下降的趋势, 从初始的64.1%降至41.4%.结合堆体温度变化, 超高温堆肥过程中水分的蒸发主要发生在超高温阶段与高温阶段, 至第23 d, 堆体水分的损失达35.4%, 这也表明超高温堆肥工艺对于降低污泥中的水分极为有利.GI作为反映堆肥腐熟度最常用的指标, 随污泥超高温堆肥过程的变化如图 1(b)所示.堆肥开始时的GI就达到了64.6%, 高于Zucconi等[22]报道的50%的堆肥腐熟标准, 显然该结果与堆肥原料中加入了25%的腐熟返料有关; 随着堆体温度上升, 有机质降解加快, NH3和有机酸等具有植物毒性的小分子物质大量释放, GI迅速降低至16.4%(第3 d), 之后随堆肥时间稳定上升, 23 d时GI达到98.5%, 远高于Riffaldi等[23]提出的GI≥80%的堆肥腐熟标准.这也表明本研究中污泥超高温堆肥23 d左右即可达到堆肥腐熟要求.
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图 1 超高温堆肥中温度、含水率和种子发芽指数变化趋势 Fig. 1 Changes in temperature, moisture and GI during hyperthermophilic composting |
图 2显示了不同堆肥阶段DOM的UV-Vis光谱差异.总体而言, 除了第0 d和第35 d外, 随着堆肥进行, 不同DOM样品所呈现的UV-Vis光谱曲线逐渐上移, 表明随着超高温堆肥过程的进行, DOM中腐殖质类物质的芳香度和不饱和度增加, 腐殖化程度提高[24].为了更直接地说明堆肥过程中DOM结构变化, 进一步分析了UV-Vis光谱中与堆肥腐殖化有关的参数, 结果如表 2所示.其中, A240~400表征堆肥过程DOM分子缩合度及腐殖化程度; E253/E203、E253/E220一般用来评价DOM中苯环的取代程度及取代基种类; SUVA254、SUVA280及E250/E365则与DOM的芳香化程度及分子量大小有关; S350~400、S275~295、SR通常被用于表征堆肥DOM的芳族碳含量和芳构化程度[13, 24~26].
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图 2 超高温堆肥过程中不同阶段DOM的紫外-可见光吸收光谱 Fig. 2 UV-Vis spectra of DOM at different stages during hyperthermophilic composting |
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表 2 不同超高温堆肥阶段的紫外-可见光光谱参数变化 Table 2 UV-Vis spectra of the evolution of different stages during hyperthermophilic composting |
随着堆肥过程的进行, E253/E203等上述参数的变化主要发生在0~23 d, 表明污泥超高温堆肥中的DOM结构变化特别是芳香化主要发生在这一阶段, 即超高温和高温阶段.一般而言, 在传统高温堆肥中上述UV-Vis光谱参数显著变化主要发生在堆肥后期的腐熟阶段[25].在污泥超高温堆肥过程中, UV-Vis光谱显示23 d和35 d DOM的结构几乎没有差异.因此, 与普通堆肥工艺比较, 超高温堆肥工艺可以缩短污泥堆肥的腐熟期, 甚至在高温阶段便可实现堆肥腐熟.此外, 有研究认为堆肥DOM中的羰基和羧基等结构能影响堆肥过程或堆肥施入土壤后的重金属赋存形态及生物有效性[2].表 2中E253/E203、E253/E220值分别从第0 d的0.18和0.40增加至第23 d的0.33和0.58, 表明经超高温堆肥工艺处理后DOM中的羧基和羰基等含量明显增加.该结果也说明超高温堆肥过程及其腐熟的堆肥产品可能对重金属有较好的吸附络合作用, 其对重金属的钝化效果需进一步开展实验验证.
2.3 3D-EEM光谱 2.3.1 Ex/Em荧光峰分析图 3显示了污泥超高温堆肥过程中不同阶段DOM的3D-EEM光谱, 其Ex/Em波长的荧光峰特定强度(SFI)如表 3所示.峰A(Ex/Em=230/325)位于表征典型芳香族蛋白质类物质(如色氨酸)的区域; 峰B(Ex/Em=280/335)与可溶性的微生物代谢产物有关; 峰C(Ex/Em=230/410)位于富里酸类物质所在区域; 峰D和峰E(Ex/Em=285/410和Ex/Em=325/410)均代表腐殖酸类物质的峰[14, 15, 27].由图 3可知, 在堆肥起始阶段的DOM样品中同时检测到了蛋白质、微生物代谢物、富里酸和腐殖酸等物质的特征峰, 这主要是和前面提到在原料中加入的返料有关.堆肥第6 d, 峰A和B几乎完全消失, 可能是超高温阶段微生物剧烈活动导致蛋白类和代谢产物等各种不稳定的有机物基本被降解.传统堆肥过程中, 峰A和峰B一般在24~30 d才消失[13].在超高温堆肥过程的第6~35 d, 表征富里酸的峰C和表征腐殖酸的峰D和峰E的SFI分别从46.86、43.86和44.42增加至54.28、59.13和64.50, 表明超高温堆肥过程不但能加速不稳定有机物的降解, 而且能促进富里酸和腐殖酸类物质快速形成.
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图 3 超高温堆肥过程中不同阶段DOM的三维荧光光谱图 Fig. 3 Fluorescence excitation-emission matrix spectra of DOM at different stages of hyperthermophilic composting |
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表 3 超高温堆肥过程中DOM的荧光峰峰值强度变化情况 Table 3 Evolution of Ex/Em maxima of DOM of hyperthermophilic composting |
2.3.2 FRI的特征分析
尽管3D-EEM提供了一些关于DOM有机成分的有用信息, 但仍然无法定量判别DOM的荧光特性.因此, 引入区域体积积分(FRI)对超高温堆肥过程中DOM的荧光特性进行定量表征.根据Chen等的研究结果[28], 可以将污泥超高温堆肥过程中DOM-EEM图谱划分为5个区域(图 3), 其中区域Ⅰ和Ⅱ分别表征酪氨酸和色氨酸等蛋白类物质; 区域Ⅲ表征富里酸类物质; 区域Ⅳ表征可溶性的微生物代谢产物; 区域Ⅴ表征腐殖酸类物质.
表 4呈现了不同堆肥阶段DOM样品的荧光峰FRI变化情况.堆肥的0~6 d, QⅠ+Ⅱ, n(Qi, n表示第i区域的积分面积)从1.51降低至0.832, 表明DOM中的蛋白类组分在堆肥前6 d的超高温阶段迅速降解; 而QⅢ, n和QⅤ, n则从堆肥第3 d开始呈显著增加趋势, 表明此时堆体中就有富里酸和腐殖酸类物质大量形成, 直至堆肥结束.
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表 4 超高温堆肥过程中三维荧光光谱区域积分面积变化情况 Table 4 Evolution of the normalized excitation-emission area volumes during hyperthermophilic composting |
为了进一步揭示不同堆肥阶段DOM的结构变化, 本研究对上述各个区域积分面积的百分比含量进行分析, 结果如图 4所示.在超高温堆肥过程中, PⅠ+Ⅱ, n(Ⅰ+Ⅱ是指Ⅰ和Ⅱ区的蛋白类组分, n为Ⅰ和Ⅱ区域的荧光数据点数)和PⅣ, n的值迅速降低, 然后趋于平缓, 主要的变化发生在0~6 d; 类似地, PⅤ, n的变化也集中在0~6 d, 从46.4%上升至58.1%, 而在6~35 d PⅤ, n上升极为缓慢.PⅢ, n呈现先上升后下降的趋势, 说明超高温堆肥过程中富里酸类物质的结构不稳定, 需通过微生物的代谢活动转化为更加稳定的腐殖酸类物质[26].从超高温堆肥DOM-EEM各个区域的Pi, n变化情况来看, DOM各组分的降解与合成主要都集中在超高温阶段, 有机质矿化与腐殖化进程在这一阶段表现极为强烈; 同时DOM中的腐殖质类物质相对含量持续增加, 活性有机组分的相对含量不断减少, DOM结构的稳定性随堆肥时间仍不断增强.而在传统堆肥过程中, 腐殖酸和富里酸类似物的形成大多发生在后期的腐殖化与稳定化阶段[13].综合Qi, n和Pi, n的分析结果可以发现超高温堆肥工艺可以在堆肥超高温阶段和高温阶段(2~22 d)同时实现有机物的生物降解与堆肥腐殖化过程, 明显缩短了堆肥周期, 这也为周顺桂等[8]在工程实践中将污泥超高温堆肥工艺的发酵时间缩短为20 d左右提供了理论依据.
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图 4 超高温堆肥过程中三维荧光光谱区域面积百分比变化情况 Fig. 4 Evolution of the percent fluorescence response during hyperthermophilic composting |
现有研究认为, PⅤ, n/PⅢ, n(区域Ⅴ与区域Ⅲ百分比含量比值)和r(C/E)(峰A与峰B荧光强度比值)光谱学参数通常与DOM的有机质结构和腐熟度相关, 能够揭示有关堆肥稳定化与腐熟度的信息[29, 30].污泥超高温堆肥过程中PⅤ, n/PⅢ, n值和r(C/E)的变化趋势如图 5所示.其中, r(C/E)从第3 d开始呈明显下降趋势, 由1.07降至堆肥结束时的0.84;而PⅤ, n/PⅢ, n在堆肥过程中显著上升, 从0 d的2.76增加至35 d的3.40, 表明富里酸分解转化为腐殖酸的量逐渐增强, DOM的结构不断趋于稳定.值得注意的是, PⅤ, n/PⅢ, n和r(C/E)在超高温堆肥过程的23~35 d基本保持不变, 结合UV-Vis光谱、3D-EEM光谱和FRI分析结果, 表明污泥超高温堆肥过程中DOM的结构在23 d左右不再发生变化, 堆肥完全腐熟.
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图 5 超高温堆肥过程中PⅤ, n/PⅢ, n和r(C/E)变化趋势 Fig. 5 Evolution of ratios of PⅤ, n/PⅢ, n and r(C/E) during hyperthermophilic composting |
对超高温堆肥不同阶段的DOM光谱学特征进行相关性分析, 结果如图 6所示.从中可知, 在不同光谱指标中, 表征DOM中蛋白类物质的荧光指标QⅠ, n、QⅡ, n、PⅠ, n及PⅡ, n与紫外指标E250/E365的相关性系数(r)分别为0.95、0.90、0.98和0.93, 均呈显著正相关; 表征腐殖酸类和富里酸类的荧光指标均与E253/E203、E253/E220、SUVA254、SUVA280、E250/E365和A240~400等UV-Vis光谱指标之间呈现显著相关, 其相关性系数≥0.74; PⅤ, n/PⅢ, n与E253/E203、E253/E220、A240~400、S275~295、SUVA254、SUVA280、QⅢ, n、QⅤ, n极显著相关, 相关系数分别为0.98、0.99、0.99、-0.97、0.98、0.99、0.97和0.96;与其它光谱指标的最小相关性系数为0.68, 也呈现出较好的相关性, 表明PⅤ, n/PⅢ, n可以作为污泥超高温堆肥过程中腐熟度评价的光谱学指标, 这也与Wei等的研究结果一致[30].因此, 基于UV-Vis和荧光光谱特征参数共同表征DOM, 能从不同角度反映超高温堆肥过程中DOM的结构变化, 特别是DOM中多组分相互转化过程, 从而有效表征堆肥的腐殖化进程.
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图 6 超高温堆肥过程中不同阶段的光谱学参数相关性分析 Fig. 6 Correlation analysis of the spectroscopic parameters at different stages of hyperthermophilic composting |
基于上述21类光谱学指标开展聚类分析(图 7), 可以揭示超高温堆肥过程中不同阶段DOM结构间的相似性.从中可知, 超高温堆肥中23 d和35 d的DOM样品聚为一类, 与其它三类的DOM样品相似度较低, 其中差异最大的DOM样品来自堆肥0 d和3 d.聚类分析结合UV-Vis和荧光光谱参数的分析结果表明, 超高温堆肥过程23 d以后的DOM结构已趋于稳定, 堆肥已经腐熟, 这也与本文前面提到的GI等腐熟度指标所揭示的结果一致.
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图 7 超高温堆肥过程中不同阶段的聚类分析 Fig. 7 Hierarchical cluster analysis at different stages of hyperthermophilic composting |
(1) 污泥超高温堆肥过程能够区别于普通堆肥, 在于其高温阶段持续时间长达20 d以上(≥80℃的超高温阶段为5 d), 在促进有机质快速降解的同时明显消除堆肥植物毒性; 23 d时GI上升到98.5%, 指示超高温堆肥过程完全达到腐熟.
(2) 基于UV-Vis和荧光光谱获得的21项光谱学指标可以从不同角度表征污泥超高温堆肥过程中DOM结构变化.E253/E203、SUVA280、S275~295等9个UV-Vis光谱指标反映了DOM的芳香化主要发生在超高温和高温阶段(0~23 d); 类似地, 3D-EEM光谱结合FRI分析指出了在堆肥超高温阶段(2~6 d)DOM中的蛋白类物质大多被降解, 而腐殖酸和富里酸类似物的形成主要发生在超高温和高温阶段而不是腐熟阶段, 表明超高温堆肥工艺可以有效缩短堆肥腐熟时间.
(3) PⅤ, n/PⅢ, n与E253/E203、E253/E220、A240~400、S275~295、SUVA254、SUVA280、QⅢ, n、QⅤ, n呈极显著相关, 并且与其它指标也具有一定相关性(r≥0.68), 表明PⅤ, n/PⅢ, n可作为超高温堆肥过程腐熟度评价的重要指标, 这也为发展简单、快速的腐熟度光谱学评价方法提供了理论参考.
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