蚯蚓處理對(duì)城市生活污泥水溶性有機(jī)物結(jié)構(gòu)特性的影響*

徐軼群 熊慧欣 趙海濤 許 健 封 克＊＊

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，南京，210095;2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州，225129)

蚯蚓處理對(duì)城市生活污泥水溶性有機(jī)物結(jié)構(gòu)特性的影響*

徐軼群1，2熊慧欣2趙海濤2許 健2封 克2＊＊

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，南京，210095;2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州，225129)

對(duì)蚯蚓處理前后污泥水溶性有機(jī)物的量及分子量比例進(jìn)行了分析，同時(shí)采用傅立葉紅外光譜(FTIR)和熒光光譜分析技術(shù)，研究了水溶性有機(jī)物的組成與結(jié)構(gòu)特征變化.結(jié)果表明，和對(duì)照相比，污泥經(jīng)蚯蚓處理后，水溶性有機(jī)物的含量和小分子有機(jī)物的比例增加，小分子物質(zhì)含量增加12%.紅外光譜和熒光光譜的結(jié)果表明，污泥經(jīng)蚯蚓處理后，水溶性有機(jī)物中羧基和多糖類(lèi)物質(zhì)增加，芳香族類(lèi)物質(zhì)的量增多，產(chǎn)生了少量的蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì).同時(shí)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓處理使污泥水溶性有機(jī)物不飽和結(jié)構(gòu)的多聚化或聯(lián)合程度變小，水溶性有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，形成了更多的小分子有機(jī)物.

城市生活污泥，蚯蚓處理，水溶性有機(jī)物，光譜學(xué)特性.

城市生活污泥的管理已成為世界性的難題，其主要原因是污泥中有害重金屬元素的存在.傳統(tǒng)的污泥處置方法如焚燒、填埋、投海等存在諸多弊端.污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀以及微量元素，可以作為土壤改良劑和肥料施用.因此，相對(duì)于焚燒、填埋、投海等處置方法，將污泥進(jìn)行穩(wěn)定化和無(wú)害化處理后進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用將具有廣闊的前景.蚯蚓處理常常作為污泥農(nóng)用前的穩(wěn)定化措施并被證實(shí)是一種行之有效的手段;在微生物的協(xié)同作用下，蚯蚓利用自身豐富的酶系統(tǒng)將有機(jī)廢棄物迅速分解，轉(zhuǎn)化成易于利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加速了堆肥穩(wěn)定化過(guò)程.污泥經(jīng)蚯蚓處理后，有機(jī)質(zhì)含量下降，而水溶性有機(jī)物(DOM)的量將上升.

水溶性有機(jī)物(DOM)是一類(lèi)成分復(fù)雜的混合物，包括低分子量的有機(jī)酸和氨基酸等物質(zhì)，由于含有—COOH、—OH、—NH2等多種官能團(tuán)，它們可以與金屬進(jìn)行配位、絡(luò)合反應(yīng)，使得DOM成為重金屬遷移活化的“載體”［1］.有研究顯示，DOM低分子量組分以及親水性組分在土壤中的移動(dòng)性較大，不易被吸附，而且這些組分對(duì)重金屬有特別強(qiáng)的絡(luò)合能力［2-3］.一般情況下，DOM可以通過(guò)與重金屬形成可溶性的配合物而抑制重金屬的沉淀，但某些大分子的DOM也可能與金屬形成難溶性的配合物而促進(jìn)重金屬的沉淀.蚯蚓作為土壤中的天然動(dòng)物，可以提高土壤中DOM的含量已被前人所證實(shí)［4］.因此，研究城市生活污泥蚯蚓處理過(guò)程中的DOM的結(jié)構(gòu)特征不但可以闡明蚯蚓處理過(guò)程中污泥發(fā)生的化學(xué)變化，而且可以為預(yù)測(cè)這些DOM進(jìn)入土壤等環(huán)境后的作用(特別是對(duì)重金屬的影響)提供科學(xué)依據(jù).

本文通過(guò)對(duì)蚯蚓處理前后污泥DOM進(jìn)行光譜學(xué)分析，探尋蚯蚓處理對(duì)污泥DOM結(jié)構(gòu)特性變化的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 城市生活污泥的處理及其水溶性有機(jī)物(DOM)的制備

實(shí)驗(yàn)污泥取自揚(yáng)州湯汪污水處理廠，為城市生活污水處理剩余污泥，污泥經(jīng)運(yùn)輸與自重壓實(shí)成深黑色稠糊狀，含水率為 80.90%，有機(jī)質(zhì)含量(以有機(jī)碳計(jì))為 319.71g·kg－1，全氮(凱氏氮)為 66.70 g·kg－1，全磷為6.12 g·kg－1，全鉀為6.62 g·kg－1，pH 值6.86.所選用的蚯蚓品種為大平2 號(hào)(即赤子愛(ài)勝蚓Eisenia faetida)成體，平均體重0.18g左右.蚯蚓對(duì)污泥的處理實(shí)驗(yàn)在塑料溫棚中進(jìn)行，污泥堆成一系列壟(長(zhǎng)×寬×高=200cm×50cm×35cm)，壟與壟之間保持約30cm的距離.帶有蚓糞的蚯蚓接種于壟間，黑色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋于污泥上面，使污泥溫度保持在(18±2)℃，此溫度較適合蚯蚓的生長(zhǎng);試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置對(duì)照，所用污泥同前.試驗(yàn)期間，每隔3d調(diào)節(jié)一次污泥水分，使之維持在一個(gè)相對(duì)恒定濕度以利蚯蚓生長(zhǎng).15d后，蚯蚓體形顯著增大，平均達(dá)0.45g左右，被蚯蚓處理過(guò)的污泥無(wú)明顯異味，可以認(rèn)為污泥被蚯蚓消化完全.此時(shí)，從上到下采集適量的污泥(包括對(duì)照)，去掉其中的石塊、植物殘?bào)w和塑料、金屬等，保存在4℃冰箱中，供實(shí)驗(yàn)分析和提取水溶性有機(jī)物.

稱取一定量的污泥，按固液比(W(g)/V(ml))1∶10加入超純水，在室溫條件下，于200 r·min－1振蕩提取16h，然后在4℃和12000×g下離心20min，上清液過(guò)0.45μm的濾膜，濾液中的有機(jī)物即為水溶性有機(jī)物(DOM)，一部分DOM冰凍干燥后留待光譜學(xué)分析用，另一部分用于測(cè)定水溶性有機(jī)碳(DOC)及其分子量分級(jí).

1.2 污泥水溶性有機(jī)物(DOM)的含量及分子量分級(jí)

從污泥中提取的DOM的濃度以DOC(mg(C)·l－1)來(lái)定量，用TOC自動(dòng)分析儀(TOC-V CSN，日本島津)測(cè)定.將8000Da透析袋剪成所需大小，置于0.01 mol·l－1CH3COOH中煮沸30min，然后用超純水洗滌數(shù)次.扎緊一端，從透析袋的另一端加入10ml DOM溶液，上端扎緊懸于固定支架上，置于超純水中透析，透析時(shí)間為48h，間隔攪動(dòng)，換水4次.用差減法確定不同分子量級(jí)DOM的量.

1.3 DOM的光譜學(xué)分析

傅立葉變換遠(yuǎn)紅外光譜分析(FTIR) 將1mg凍干的DOM樣品與400mg干燥的KBr(光譜純)磨細(xì)混勻，壓成薄片，用FTIR光譜儀(Brucker vector 22)測(cè)定并記錄其光譜［5］.

熒光光譜分析 發(fā)射和激發(fā)單色器的掃描速度均為120nm·min－1，發(fā)射單色器狹縫寬度為10nm，激發(fā)單色器狹縫寬度為5nm.熒光發(fā)射光譜從380nm掃描到600nm，固定的激發(fā)波長(zhǎng)為360nm.為獲得激發(fā)光譜圖，采用固定發(fā)射波長(zhǎng)440nm，激發(fā)光譜掃描范圍為270到420nm.同步掃描激發(fā)光譜波長(zhǎng)從375到800nm，Δλ=λ發(fā)射－λ激發(fā)=15nm，所用儀器為日本島津公司生產(chǎn)的RF-5301PC型熒光光度計(jì)，所用 DOM 溶液濃度為 34mg(C)·l－1.

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓處理對(duì)污泥DOM的量及分子量的影響

污泥經(jīng)蚯蚓處理后，DOM的含量稍有增加，增加幅度約為15%.采用透析法將DOM分為分子量＞8000Da和＜8000Da兩級(jí)，結(jié)果表明，對(duì)照污泥DOM中分子量＞8000Da的組分所占比例高于蚯蚓處理后污泥.一般認(rèn)為小分子DOM組分多是一些簡(jiǎn)單的有機(jī)酸、單糖和低聚糖等物質(zhì)，而高分子DOM組分成分主要是多糖、多肽以及一些去污劑等［6］.本研究中，蚯蚓的處理使污泥DOM形成了更多的小分子有機(jī)物，小分子DOM(＜8000Da)約為66%，而對(duì)照污泥約為54%.

表1 污泥DOM含量及分子量分級(jí)Table 1 DOM content and fraction of DOM according to molecular weight in sewage sludge

2.2 蚯蚓處理對(duì)污泥DOM的紅外光譜學(xué)特性影響

和對(duì)照相比，污泥經(jīng)蚯蚓處理后，DOM的紅外光譜出現(xiàn)相似的6個(gè)吸收峰(3408cm－1、1630cm－1、1384cm－1、1142cm－1、671cm－1、603cm－1)(圖1).按照有關(guān)圖譜解析，3500—3000cm－1是—COOH、醇及苯酚中的—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰［7-10］;1660—1600cm－1可能是苯環(huán)上的—C==C—和分子間或分子內(nèi)形成氫鍵的羧酸中的—C==O伸縮振動(dòng)吸收峰［7，9］;1384cm－1常常是腐殖物質(zhì)的特征光譜，是對(duì)稱羧酸跟陰離子—COO—伸縮振動(dòng)或—C—O—H面內(nèi)彎曲譜帶或鍵合的芳香環(huán)類(lèi)的吸收峰［9］;1200—1040cm－1是多糖類(lèi)的—C—O伸縮振動(dòng)吸收峰，最可能的是纖維素、半纖維素的—C—O峰;830—820cm－1和671cm－1是芳香環(huán)類(lèi)的特征峰［11］;603cm－1是氨基化合物的 N—H 彎曲譜帶［12］;2400—2200cm－1是蛋白質(zhì)和氨基酸、銨鹽類(lèi)化合物中—NH+4的多重復(fù)合譜帶［13］.由于 3500—3000cm－1、1660—1600cm－1、830—820cm－1和671cm－1吸收峰的存在，表明污泥樣品的水溶性有機(jī)物中含有苯環(huán)和酚基功能團(tuán);3500—3000cm－1、1660—1600cm－1和 1384cm－1存在吸收峰預(yù)示著樣品中有—COOH;1200—1040cm－1吸收峰表示樣品中存在多糖;2400—2200cm－1吸收峰表示樣品中含有蛋白質(zhì)及其降解物質(zhì)，如多肽和氨基酸等.從圖1可以看出，盡管污泥經(jīng)蚯蚓處理前后其水溶性有機(jī)物存在相同的功能基團(tuán)，但吸收峰的強(qiáng)度已發(fā)生了較大變化，說(shuō)明某些基團(tuán)的含量在發(fā)生變化.污泥經(jīng)蚯蚓處理后其DOM在2400—2200cm－1出現(xiàn)了弱的吸收峰，表明蚯蚓利用污泥中的有機(jī)物合成了蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)，富含蛋白質(zhì)的蚯蚓死亡后殘?bào)w經(jīng)降解進(jìn)入污泥中.1142/1384cm－1吸收峰強(qiáng)度比在對(duì)照污泥中為0.49，在蚯蚓處理后為0.79，該區(qū)域吸收峰強(qiáng)度的增加表明了污泥水溶性有機(jī)物中多糖類(lèi)物質(zhì)的增加;同時(shí)注意到處理污泥DOM在830cm－1處出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，表征了蚯蚓對(duì)污泥的處理形成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的芳香族物質(zhì).

圖1 污泥DOM紅外光譜圖S1:對(duì)照污泥;S2:蚯蚓處理污泥Fig.1 The FT-IR spectra of DOM derived from sewage sludge without(S1)and with(S2)earthworm treatment

2.3 蚯蚓處理對(duì)污泥DOM熒光光譜的影響

一般相同條件下，待測(cè)有機(jī)物不飽和結(jié)構(gòu)(主要是含苯環(huán)類(lèi)物質(zhì))的多聚化或聯(lián)合程度越大，則波峰強(qiáng)度越?。?4］.圖2a為污泥DOM的熒光發(fā)射光譜圖.從圖中發(fā)現(xiàn)對(duì)照污泥和處理污泥DOM有相似的發(fā)射光譜圖，圖中出現(xiàn)了一個(gè)以450nm為中心，波長(zhǎng)范圍較寬的譜帶，這比較靠近Provenzano等［5］報(bào)道的土壤富里酸波峰的波長(zhǎng)，圖中出現(xiàn)的410—415nm處的峰是水的Raman肩峰［15-16］.蚯蚓處理后，污泥DOM的熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng).

圖2 污泥DOM熒光發(fā)射光譜(a)，激發(fā)光譜(b)和同步掃描光譜(c)S1:對(duì)照污泥;S2:蚯蚓處理污泥Fig.2 Fluorescen emission spectra(a)，excitation spectra(b)and synchronous spectra(c)of DOM derived from sewage sludge without(S1)and with(S2)earthworm treatment

激發(fā)光譜圖(圖2b)在340—350nm處有一個(gè)強(qiáng)的峰，其中對(duì)照污泥在380nm左右出現(xiàn)一個(gè)弱的峰，該峰在蚯蚓處理后消失，而340 nm附近出現(xiàn)的特征熒光峰是由腐殖質(zhì)類(lèi)產(chǎn)生的.從同步掃描圖譜(圖2c)來(lái)看，對(duì)照污泥在570nm處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的峰，污泥經(jīng)蚯蚓處理后，不僅在570nm處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的峰，在400nm和450nm處也出現(xiàn)了中等強(qiáng)度的新峰.以往的研究表明［17-18］，特征峰在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下的熒光峰由分子量較大，復(fù)雜化程度較高的有機(jī)物質(zhì)形成.由同步掃描圖譜可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)照污泥和處理污泥的DOM中均含有分子量較大，復(fù)雜化程度較高的有機(jī)物質(zhì)，但污泥經(jīng)蚯蚓處理后，DOM的各分離組分中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香族化合物類(lèi)物質(zhì)含量增多，前面的紅外光譜圖譜分析也證明了這一點(diǎn).激發(fā)光譜和同步掃描圖譜均可觀察到蚯蚓處理后樣品熒光強(qiáng)度明顯大于對(duì)照污泥的熒光強(qiáng)度，這與發(fā)射光譜的結(jié)果相同.DOM熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)表明蚯蚓的處理使污泥水溶性有機(jī)物不飽和結(jié)構(gòu)(主要是含苯環(huán)類(lèi)物質(zhì))的多聚化或聯(lián)合程度變小，意味著蚯蚓處理使污泥水溶性有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，即形成了更多的小分子有機(jī)物，這與污泥DOM分子量分級(jí)的研究結(jié)果是一致的.

3 結(jié)論

DOM分子量及分級(jí)分析、DOM紅外和熒光光譜圖譜結(jié)果表明，城市生活污泥經(jīng)蚯蚓處理后，DOM的含量和小分子有機(jī)物的比例增加;水溶性有機(jī)物中羧基和多糖類(lèi)物質(zhì)增加，芳香族類(lèi)物質(zhì)的量增多，產(chǎn)生了少量蛋白質(zhì)和氨基酸等物質(zhì).同時(shí)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓的處理使污泥水溶性有機(jī)物不飽和結(jié)構(gòu)(主要是含苯環(huán)類(lèi)物質(zhì))的多聚化或聯(lián)合程度變小，意味著蚯蚓處理使污泥水溶性有機(jī)物的結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，即形成了更多的小分子有機(jī)物.

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STRUCTURE AND CHARACTERISTICS OF DISSOLVED ORGANIC MATTER DERIVED FROM SEWAGE SLUDGE AFTER TREATING BY EARTHWORM

XU Yiqun1，2XIONG Huixin2ZHAO Haitao2XU Jian2FENG Ke2
(1.College of Resources and Environmental Sciences，Nangjing Agricultural University，Nangjing，210095，China;2.College of Environmental Sciences and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，225127，China)

In this paper，content and fraction of dissolved organic matter(DOM)according to molecular weight in sewage sludge were studied.Fourier transform infrared(FTIR)and fluorescence spectroscopy were used to investigate the composition of DOM derived from sewage sludge before and after treating by earthworms.It was found that the content and low molecular size fraction of DOM in sewage sludge increased after vermicomposting，and the fraction of relative low molecular weight in DOM increased by 12%.The FT-IR and fluorescence spectra showed that after vermicomposting，the contents of carboxyl，polysaccharide and aromatic compounds in DOM increased. Furthermore， afew protein-likematterwasfound in DOM after vermicomposting.The changes in FT-IR and fluorescence spectra for DOM indicated that polycondensation and conjugation unsaturated structures decreased after vermicomposting，and simple organic molecular fraction increased.

sewage sludge，vermicomposting，dissolved organic matter，spectroscopy.

2010年3月23日收稿.

*國(guó)家自然科學(xué)基金(40902018)和江蘇省高校自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(08KJD610004)資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，Tel:0514-87979588;E-mail:fengke@yzu.edu.cn