不同辅料与生物沥浸深度脱水污泥混合堆肥中溶解性有机质的光谱特征研究

卢 泽，席北斗，台德志，陆良全，孙晓杰，张 军，张 华*

1. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541006 2. 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541006 3. 中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地，北京 100012

引 言

2020年，我国在联合国大会上提出CO2排放要争取在2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和。 随着我国城市化建设快速发展以及农林业的生产规模持续提高，每年产生大量的市政污泥垃圾和农林有机废物，既有污染属性又有资源属性。 在碳中和背景下，将有机固废(市政污泥垃圾和农林有机废物等)高效资源化利用，减污降碳是未来的发展趋势[1]。 堆肥是将碳储存在农田土壤中的有效途径，有机质从土壤中来再回到土壤中去，是一种抵消CO2排放的重要策略[2]。 市政污泥有机质含量高，经过堆肥，污泥中的病原菌等风险物质几乎被完全杀灭，不仅减害减量，而且腐熟产品以土壤改良剂形式实现“还田”，为农作物生长提供丰富的营养元素。 生物沥浸技术能够有效改善城市污泥的脱水效果，避免了常规污泥堆肥过程中含水率高所引起的问题，并且降低运行成本，有机质等养分没有明显损失，具有很好的肥效。 为提高堆肥品质，常添加木屑、 秸秆等农林有机废物作为辅料来优化堆体条件[3]，如C/N比、 孔隙度、 含水率等，从而提升腐殖化程度。

溶解性有机质(DOM)是土壤中极具流动性和活性的有机组分，能够灵敏反映出堆肥腐熟情况，比堆肥中的固相组分更具有代表性。 近年来，因其灵敏度高和分析方便，紫外-可见光谱(UV-Vis)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEM)被应用于分析DOM的结构和组分[4]。 通过UV-Vis光谱及特征参数，可对DOM的芳构化和腐殖化程度进行评估[5]； FTIR能够揭示DOM中的官能团基团信息[6]； 3D-EEM能够在不破坏有机物自身结构的前提下，解析DOM在堆肥过程中物质成分的演变特征[7]。 现阶段大部分对堆肥DOM的演化特征研究集中在畜禽粪便、 厨余垃圾等，或者是与常规市政污泥共堆肥，但是，少有研究采用四种农林废弃物作为辅料混合城市污泥进行堆肥对比，并且堆肥污泥的种类主要是常规脱水污泥，对生物沥浸深度脱水污泥进行堆肥过程中DOM结构、 物质组成演变机制的研讨以及不同辅料堆肥腐熟度优劣的评估还较少。

以甘蔗渣、 秸秆、 米糠和木屑作为辅料，与生物沥浸深度脱水污泥按一定比例混合堆肥，提取DOM进行分析比较。 联合采用多种光谱学表征方法，从多个角度揭示DOM中有机质的演化和腐殖化进程，并且深入分析特征光谱参数，特殊波段的吸收峰强度，更加细微表现了DOM中不同物质成分在堆肥过程中的结构和含量上的演变。 克服了单一指标评价堆肥腐熟度的局限性，为准确评估不同辅料与生物沥浸深度脱水污泥协同堆肥的腐殖化程度提供一定的科学依据。

1 实验部分

1.1 试验材料

堆肥试验的主料采用生物沥浸深度脱水污泥，取自桂林市雁山区污水处理厂，辅料分别采用甘蔗渣、 秸秆、 米糠和木屑，皆采购于农副产品加工厂。 污泥和辅料的基本理化性质如表1。

堆肥试验设4个处理组，分别为T1： 污泥+甘蔗渣、 T2： 污泥+秸秆、 T3： 污泥+米糠、 T4： 污泥+木屑。 调节堆体比例为调理剂∶污泥=1∶4(鲜重比)来控制堆体含水率在50%～60%范围，在圆桶(容积60L)中进行堆体发酵。 整个堆肥周期，按0，3，6，10，14，21，28和35 d分别取样，充分混合后进行分析，每次采样约500 g。

1.2 DOM的提取

将样品冻干、 研磨过100目筛。 按照(1 g∶10 mL)的比例与去离子水混合，置于气浴恒温振荡器中振荡(转速200 r·min-1，温度25 ℃，时间24 h)，然后进行离心(转速12 000 r·min-1，温度4 ℃，时间20 min)。 将上清液过0.45 μm的滤膜，得到的滤后液即为DOM。 采用总有机碳分析仪(Muti N/C 3100)测定DOM的含碳量浓度(以DOC (mg(C)·L-1)计)。

1.3 方法

(1)紫外-可见光谱分析： 先将DOM的含碳量统一调节至20 mg(C)·L-1，使用紫外分光光度计(Lambda 750)扫描样品，扫描范围为190～700 nm。 测定254和280 nm波长的紫外吸光度，并与DOC作比值计算，记为SUVA254和SUVA280，对226～400 nm的紫外吸光度进行面积积分，记为A226～400，分别测定样品253和203 nm吸光度的比值E253/E203，253与220 nm吸光度的比值E253/E220，250与365 nm吸光度的比值E250/E365。

(2)红外光谱分析： 将DOM冷冻干燥成固体粉末，再与KBr以1∶200的比例研磨混匀，经压片机压制成透明薄片。 利用傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Nexus 470)对其扫描，扫描波长为400～4 000 cm-1，最后记录光谱并以透射谱导出。

(3)荧光光谱分析： 测定前将含碳量统一为20 mg(C)·L-1，使用荧光光度计(F98 上海棱光)测定，以超纯水作为空白对照。 荧光发射光谱扫描时，固定激发波长Ex=254 nm，发射波长(Em)扫描范围： 280～520 nm。 荧光同步光谱扫描时，固定波长差(Ex-Em)为-30 nm，激发波长(Ex)扫描范围： 250～600 nm[8]。 三维荧光光谱扫描时，激发波长(Ex)扫描范围： 200～450 nm，发射波长(Em)扫描范围： 280～550 nm。

1.4 数据处理

所有测量均为三次重复。 使用Matlab 2017a处理三维荧光数据，绘制荧光光谱。 使用removescater和DOMFlour工具包对三维荧光数据进行平行因子分析，计算组分百分比。

2 结果与讨论

2.1 UV-Vis分析

2.1.1 DOM紫外吸收曲线变化

图1 堆肥过程中DOM的紫外可见光谱变化Fig.1 UV-Vis spectra of DOM during the composting process

2.1.2 紫外光谱中特征吸收值变化

四个处理组的SUVA280的变化趋势也是先增幅较大，后增长平缓，其中T1和T2处理组的波动尤为明显。 四个处理组在堆肥初始时的SUVA280值分别为T1： 0.40，T2： 0.57，T3： 0.39，T4： 0.43，到堆肥结束，SUVA280值分别上升为1.47，1.80，1.76，1.47，是堆肥前的3.7倍，3.2倍，4.5倍，3.4倍，T3处理组的增加倍数明显高于其他处理组，说明T3处理组芳构化程度相对较高，这可能是由于该处理组中多糖、 脂肪族等成分降解程度较高，生成芳香族物质较多，腐殖质物质增加。

图2 堆肥过程中SUVA254和SUVA280变化趋势Fig.2 Variation trends of SUVA254 and SUVA280 during the composting process

为了更深入地说明堆肥过程中DOM的结构变化，进一步分析了UV-Vis光谱中与堆肥腐殖化有关的参数。E253/E203，E253/E220这两个参数一般用来表示DOM中苯环的取代程度以及取代基的种类，该值较小表明苯环上的取代基以脂肪链为主，该值增加则表明取代基中羰基、 羧基、 羟基及脂类增加。 从表2可以看出，到堆肥结束时，四个处理组的E253/E203和E253/E220值相较于堆肥初期显著增加，E253/E203的增加幅度分别为T1： 81%，T2： 27%，T3: 200%，T4： 145%；E253/E220的增加幅度分别为T1： 51%，T2： 21%，T3: 96%，T4： 108%。 表明随着堆肥的进行，DOM分子苯环上的脂肪链发生氧化分解，转化为羧基、 羰基等官能团，DOM分子的腐殖化程度增强，其中T3、 T4处理组的增加幅度要大于其他两个处理组。

E250/E365一般与DOM分子量大小和腐殖化程度呈负相关。 四个处理组的E250/E365值均随着堆肥过程呈下降趋势，表明有机质分子量增大，腐殖化程度加深。A226～410值与DOM分子结构共轭作用密切相关，表征DOM分子的缩合度。 四个处理组的A226～400在堆肥结束后显著增大，表明四个处理组在堆肥过程均提高了DOM分子的缩合度，则腐殖化程度加深。

表2 堆肥过程紫外-可见光谱参数变化Table 2 Changes of UV-Vis spectral parameters during composting process

2.2 FTIR分析

傅里叶变换红外光谱(FTIR)广泛应用于有机物的结构和官能团组成分析。 不同堆肥时期DOM上官能团的吸收峰强度变化，揭示了堆肥过程中有机质含量和结构的演化[10]。

由图3可见，四个处理组的红外光谱图上出现了5个吸收峰，虽然辅料不同，但是吸收峰所在的波段位置大致相近。 T1处理组，5个吸收峰的位置大致在3 255～3 231，1 650～1 600，1 419～1 415，1 100～1 090和618～615 cm-1。 T2处理组，5个吸收峰的位置大致在3 400～3 225，1 659～1600，1 420～1 407，1 122～1 105和618～615 cm-1。 T3处理组，5个吸收峰的位置大致在3 324～3 226，1 658～1 604，1 420～1 418，1 106～1 070和617～615 cm-1。 T4处理组，5个吸收峰的位置大致在3 305～3 232，1 654～1 618，1 420～1 414，1 100～1 091和617～615 cm-1。

3 500～3 000 cm-1波段的吸收峰代表羧基、 醇和苯酚中的羟基； 1 660～1 600 cm-1有可能是烯烃中的碳碳双键、 羧酸中的碳氧双键或酰胺中的碳氧双键的伸缩振动吸收引起； 1 420～1 330 cm-1位置的吸收峰代表腐殖质物质，是由对称羧酸根阴离子对称伸缩振动或芳香环类振动引起； 1 200～1 040 cm-1是由多糖类的碳氧键对称伸缩振动引起[9]； 617～615 cm-1可能是不饱和炔烃类化合物的碳氢单键弯曲振动所引起的吸收峰。

3 500～3 000和1 660～3 000 cm-1吸收峰的存在，表明DOM中含有苯酚、 苯环官能团以及羧基； 1 420～1 330 cm-1吸收峰表明存在腐殖质类物质； 1 200～1 040 cm-1吸收峰存在表示DOM含有多糖类； 617～615 cm-1吸收峰随着堆肥的进行，吸收强度明显增强，意味着不饱和度在增加，腐殖化逐渐加深。

在同一处理组中，不同时期的DOM的红外光谱特征差异不明显，但在吸收峰强度上存在一定的差异[11]，表明DOM在堆肥前后官能团的种类大致相同，但随着堆肥过程中有机质的转化，DOM上官能团的含量在发生变化。 因此，进一步分析在不同特征波长下的吸收峰强度的比值，来准确表示DOM中有机物种类和结构的转化，进而评估堆肥腐殖化程度。

如表3所示，1 647/3 435表示芳香碳/碳水化合物碳，当芳香族物质含量增加或者碳水化合物类物质减少时，该比值增加。 T1和T2处理组呈现先增加后下降的趋势，表明随着堆肥进程，有机质向腐殖质转化的量越来越多，到了堆肥后期，可腐殖化的有机质越来越少，腐殖化程度开始降低。 T3和T4处理组的比值先减少，然后在波动中上升，有可能是堆肥前期，腐殖化程度较低，易分解的有机质转化成碳水化合物。 1 647/2 974代表芳族碳/脂族碳，该比值增加则表示堆肥芳香化程度增加。 在四个处理组中，该比值在堆肥高温期较大，并且随着堆肥进行呈现波动增加趋势，表明芳香族物质含量在增多，芳香化程度加深。 1 647/1 406表示芳族碳/羧酸碳，DOM中芳香族物质含量越多则该比值越大。 在四个处理组中，该比值均呈上升趋势，尤其是T3和T4处理组，该比值增幅分别为59%和172%，表明芳构化程度加深。 1 647/1 112代表芳族碳/多糖碳，T1处理组中，该比值在高温期快速降低，而后随着堆肥进行缓慢增加。 T2处理组在波动中略有增加，T3处理组在第28天到达最大值，增加5倍，T4处理组该比值增加5.7倍，表明T3和T4处理组的芳香化程度较好。

综合以上参数分析，DOM中用作微生物能源的脂肪族和多糖类物质含量随着堆肥进行而减少，而含有芳香环的芳香族类物质在增加，表明腐殖化和芳香化程度在逐步加深，有机物的分解使得堆肥体系的稳定化程度提高。

图3 不同堆肥时期的DOM红外光谱Fig.3 FTIR spectra of DOM in different composting periods

表3 堆肥过程中红外光谱特征参数吸收值的比值变化Table 3 Ratio changes of specific FTIR parameters of DOM extracted from different composting treatment processes

2.3 荧光发射、 同步扫描光谱分析

2.3.1 DOM发射荧光光谱分析

四个堆肥处理组的DOM发射荧光光谱如图4所示，在堆肥过程中主要出现了两个荧光峰，分别在334和422 nm波长附近。 在堆肥前期，334 nm附近的荧光峰强度显著高于其他时期，随着堆肥的进行呈现下降趋势。 到了堆肥后期，荧光峰位置红移至422 nm附近。 说明在堆肥过程中，结构简单、 共轭程度低的化合物被微生物分解利用，芳香基团不断缩合，形成共轭程度高、 结构复杂的类腐殖质物质，进一步加深腐殖化进程[12]。

图4 堆肥过程中DOM的发射荧光光谱Fig.4 Emission fluorescence spectra of DOM in all treatments during composting process

图5 堆肥过程中DOM的同步荧光扫描光谱Fig.5 Synchronous spectra of DOM during composting process

2.3.2 DOM荧光同步扫描光谱分析

相比常规荧光光谱，荧光同步扫描光谱具有更好的分辨率，从而获得更多的结构和官能团信息。 如图5所示，在堆肥前期，四个处理组均在280 nm附近出现代表类蛋白的主峰，在堆肥开始时荧光强度大，而在堆肥后期荧光强度变弱； 此外在360和400 nm附近也出现了荧光峰，是由结构复杂的腐殖质类物质产生，并且在堆肥后期荧光强度增强，表明腐殖质类物质越来越多。 随着堆肥进行，类蛋白质峰和两个类腐殖质峰的最大荧光峰位置都发生红移，这与有机质中稠环芳烃的存在有关，带苯环结构的有机质含量增多，共轭程度增大，提高了堆肥稳定度。

同步荧光光谱主要存在三个区，A区(250～308 nm)为类蛋白质物质区(PLR)，B区(308～363 nm)为类富里酸物质区(FLR)，C区(363～500 nm)为类胡敏酸物质区(HLR)。 计算这三个区域的积分面积占总面积的比值，分别标记为A250～308，A308～363，A363～500。 由表4可知，经过35 d堆肥, 四个处理组的A250～308的值分别降低了0.35，0.46，0.33和0.44，表明类蛋白质物质和单芳香类化合物在不断降解；A308～360和A363～500的值显著增加，A308～360的值在堆肥结束后分别增加了53%，100%，28%和127%。A363～500的值则分别增加了89%，150%，114%和162%，表明类富里酸物质和类胡敏酸物质在增加，其中T4处理组的增加幅度相比较大。

表4 不同阶段堆肥DOM的同步应光谱的参数变化Table 4 The change of parameter from the synchrotron spectrum of DOMduring composting process

2.4 结合PARAFAC模型分析3D-EEM

利用三维荧光光谱结合平行因子分析能够更清晰地解析堆肥过程中DOM中腐殖质物质成分和组分的演化[13]。 如图6所示，将四个堆肥处理组中DOM的三维荧光光谱，利用PARAFAC模型解析为三类荧光组分，分别为组分1(C1)、 组分2(C2)、 组分3(C3)。 将四个处理组中各个组分因子的最大激发和发射波长列于表5中。

表5 PARAFAC解析出四个堆肥处理组中DOM的3个组分Table 5 PAREFAC model identify the three different components of the DOM from the four composting treatments

从表5中可以看出，在四个堆肥处理组中，经过PARAFAC模型解析出的3类组分，与同类研究鉴定出的组分进行比较[14]，四组堆肥处理组的C1属于类富里酸物质，C2属于类腐殖质物质。 类腐殖质物质可再划分为富里酸和胡敏酸，由于胡敏酸的芳香性大于富里酸，所以胡敏酸的激发、 发射波长均会发生红移，故短波长类腐殖质表示富里酸，而长波类的腐殖质物质表示胡敏酸，因此处于长波段的C2有可能是胡敏酸物质。 C3具有类蛋白物质的荧光特性，荧光峰(285/335～340 nm)的位置与色氨酸的荧光峰位置(220～230和270～280/340～350 nm)相似，表明C3可能为类色氨酸。

通过PARAFAC模型将DOM识别为三类组分，并根据荧光峰位置分析了每类组分的结构成分。 DOM中三类组分含量随着堆肥进行也会随之发生变化，如图7所示。 四个处理组中组分C1和组分C2均表现为增长趋势，组分C3表现为减少趋势。

T1，T2和T3处理组中，堆肥初期主要以C1和C3为主，T4处理组以C3为主要成分。 在堆肥初期，四个处理组的C1分别为44%，34%，34%和15%，到堆肥结束时，C1分别增加至50%，50%，50%和44%。 在堆肥开始，四个处理组的C2分别为16%，14%，14%和14%，上升到堆肥结束时分别为30%，29%，29%和38%。 C1和C2组分分别代表类富里酸和类胡敏酸物质，其中含有大量的醌基、 多酚等芳香基物质，表明芳构化、 腐殖化程度加深。 在堆肥起始，T1，T2，T3和T4处理组的C3分别为40%，52%，52%和71%，到堆肥结束后，C3分别下降至20%，21%，21%和18%。 表明随着堆肥进行，类蛋白质物质易降解，稳定性较低，转化为结构稳定的腐殖质物质[15]。 其中T3和T4处理组的腐殖化程度较深。

3 结 论

(1)UV-Vis结果显示四个处理组DOM中的有机质逐步腐殖化，SUVA254，SUVA280，E253/E203，E253/E220，E250/E365，A226～400等紫外特征参数变化趋势显示在堆肥过程中苯环结构增多，分子量相应增加，羰基、 羧基增加，脂肪链发生氧化分解，DOM中有机质的共轭作用增强。 相对其他处理组，T3和T4处理组的腐殖化程度较高。

图6 基于平行因子模型的DOM三维荧光特征峰Fig.6 The three-dimensional fluorescence peaks of DOM based on parallel factor analysis

图7 不同堆肥时期DOM的荧光组分百分比变化Fig.7 Changes in the percentage of fluorescence components of DOM in different composting periods

(2)FTIR结果显示随着堆肥时间的增加，芳香碳化合物在增加，脂肪族和多糖类化合物在减少。 T3和T4处理组的1 647/1 112值在堆肥前后变化显著，分别增加了5倍和5.7倍，表明芳香化程度更深。

(3)发射光谱和同步荧光光谱表明类蛋白等结构简单的物质含量不断减少，芳香基团不断缩合，形成共轭程度高，结构复杂的类腐殖质物质，促进了堆肥稳定度。 其中T4处理组的类腐殖质物质在堆肥结束后增加较多。

(4)结合PARAFAC模型分析3D-EEM，将DOM解析为类富里酸物质、 类胡敏酸物质和类色氨酸物质，荧光组分百分比的变化揭示了有机物组成的变化趋势，类蛋白物质在堆肥前期被快速降解，类富里酸物质和类胡敏酸物质增多，转化生成大量的醌基、 多酚等芳香基物质，其中T3和T4处理组芳构化程度更深。 因此，采用米糠和木屑作为辅料与生物沥浸深度脱水污泥混合堆肥腐熟度更好。