好氧堆肥污泥農(nóng)用后溶解性有機(jī)質(zhì)釋放特征

時聰慧, 張瑞昌, 2*, 朱書法, 李欣彤, 周新全,張 寧, 榮 亮, 楊麗珍, 魏學(xué)鋒, 2*

1. 河南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 河南 洛陽 471023

2. 有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 洛陽 471023

3. 中國五洲工程設(shè)計集團(tuán)有限公司, 北京 100053

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程推進(jìn), 生活污水排放量日益增加, 產(chǎn)生的剩余污泥也隨之增多。 目前污泥的主要處理方式包括衛(wèi)生填埋、 焚燒利用、 資源化利用(土地利用和建材利用)等。 土地利用是廢棄物資源化利用和能量物質(zhì)再循環(huán)的有效方式, 主要涉及污泥農(nóng)用、 林用和土壤改良等領(lǐng)域, 是市政污泥的重要處理處置方法。 我國城市污泥有機(jī)質(zhì)的含量高達(dá)384 g·kg-1, 施入農(nóng)田后可向植物和土壤提供N、 P、 K和有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì), 改善土壤的理化性質(zhì)[1]。 2019年我國發(fā)布《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—2018), 規(guī)定經(jīng)過無害化處理達(dá)標(biāo)后的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)物可用于耕地、 園地、 牧草地等。

在地表或垂直徑流作用下, 農(nóng)用后的污泥會釋放出溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)。 通常, DOM在土壤中污染物的界面運移和歸趨中扮演重要角色, 可顯著改變污染物的生物可利用性[2-4]。 研究表明, DOM分子量大小、 芳香物質(zhì)含量、 官能團(tuán)組成、 親疏水性等性質(zhì)很大程度上決定其與重金屬、 有機(jī)污染物、 納米材料、 微塑料等污染物之間的相互作用, 決定污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及生態(tài)效應(yīng)[5-7]。 因此, 揭示污泥農(nóng)用后DOM的釋放特征, 是準(zhǔn)確評估和預(yù)測土壤中共存污染物環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵, 對指導(dǎo)污泥的資源化利用具有重要意義。

有機(jī)質(zhì)來源和土壤環(huán)境條件都會顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)的組成[7-8]。 已有研究模擬小麥、 玉米、 水稻和油菜秸稈還田或在水環(huán)境中釋放DOM的過程[8-9], 有研究發(fā)現(xiàn), 水稻和油菜還田后在不同腐解階段釋放的DOM分子量、 芳香性、 物質(zhì)組成、 主要官能團(tuán)等性質(zhì)呈現(xiàn)較大差異。 相比之下, 目前關(guān)于污泥農(nóng)用釋放DOM組成和結(jié)構(gòu)的研究仍不充分。 本研究以無害化堆肥處理后的市政污泥為材料, 通過紫外-可見光譜(UV-Vis)、 傅里葉紅外光譜(FTIR)、 三維熒光光譜(3D-EEM)、 核磁共振等技術(shù)(NMR), 分析污泥農(nóng)用后釋放DOM的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征, 可為農(nóng)田系統(tǒng)中污染物的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)研究提供理論基礎(chǔ), 對污泥資源化利用具有重要指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

污泥取自河南省洛陽市某污泥處理廠, 為洛陽市內(nèi)某市政污水處理廠脫水污泥經(jīng)好氧堆肥工藝(SACT隧道倉堆肥工藝)處理后的污泥。 污泥含水率為7.65%, pH值為7.23, 灼燒減量法(HJ 761-2015)測定有機(jī)質(zhì)含量為297 g·kg-1。 污泥風(fēng)干后, 過10目不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩, 裝入聚乙烯樣品袋中, 置于冰箱中4 ℃保存。

試驗土壤取自河南省洛陽市洛宜快速通道附近的玉米種植農(nóng)田, 采集方法為五點取樣法, 采樣深度為10～15 cm。 挑出石塊和雜物, 土壤過10目不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩后裝入聚乙烯樣品袋中, 置于冰箱中4 ℃保存。

1.2 菌種提取

取15 g新鮮土壤置于250 mL錐形瓶中, 加入100 mL去離子水, 將錐形瓶置于恒溫振蕩器, 150 r·min-1、 25 ℃條件下振蕩2 h, 靜置。 上清液過0.45 μm玻璃纖維微孔濾膜, 濾液即為試驗所需菌種液。

1.3 污泥農(nóng)用模擬試驗

取3 g污泥置于50 mL錐形瓶中, 加入30 g酸洗干凈石英砂作為微生物的惰性基質(zhì), 再加入5 mL菌種液和20 mL去離子水, 紗布封口。 將錐形瓶置于恒溫振蕩器, 在135 r·min-1、 25 ℃條件下避光振蕩1 h, 然后25 ℃條件下避光靜置培養(yǎng), 差重法補(bǔ)充蒸發(fā)散失水分。 設(shè)置空白對照組, 即只加入菌種液、 石英砂和去離子水。 分別在0.5、 1、 3、 5、 7、 15、 20、 30和60 d取樣, 獲得污泥釋放的DOM, 每次取樣均設(shè)置兩組平行。

取樣時, 用60 mL去離子水少量多次洗滌污泥和石英砂, 將所得溶液混合均勻。 先用紗布去除大顆粒雜質(zhì), 再過0.45 μm玻璃纖維微孔濾膜, 所得濾液即為DOM, 置于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 DOM的表征與光譜分析

通過總有機(jī)碳分析儀(島津TOC-VCPH)測定DOM的溶解有機(jī)碳(DOC), DOM的所有濃度都以DOC濃度表示。

UV-Vis(普析TU-1901)掃描波長范圍為190～800 nm, 掃描間隔1 nm; 250與365 nm處吸光度的比值, 記為E2/E3; 波長范圍275～295 nm擬合得到的曲線光譜斜率, 記為S275～295; 波長范圍275～295和350～400 nm擬合得到的曲線光譜斜率的比值, 記為SR; 254 nm處的吸光度值與DOC濃度的比值, 記為SUVA254。

3D-EEM(日立F7000)的掃描范圍激發(fā)波長λex=200～450 nm, 發(fā)射波長λem=250～600 nm, 狹縫寬度為5 nm。 自生源指數(shù)BIX為激發(fā)波長310 nm處, 發(fā)射波長380與430 nm處熒光強(qiáng)度的比值; 熒光指數(shù)FI為激發(fā)波長370 nm處, 發(fā)射波長470與520 nm處熒光強(qiáng)度的比值; 腐殖化指數(shù)HIX為激發(fā)波長254 nm處, 發(fā)射波長435～480 nm下的峰面積與300～345和435～480 nm下峰面積和的比值。 3D-EEM的平行因子(PARAFAC)分析通過使用MATLAB R2019b中的DOMFluor工具箱(http://www.models.life.ku.dk)進(jìn)行。 每個DOM樣品扣除純水?dāng)?shù)據(jù), 并進(jìn)行拉曼歸一化后, 再通過殘差分析, 拆半檢驗分析和隨機(jī)初始化分析等驗證污泥DOM中適當(dāng)?shù)慕M分量。

剩余的DOM溶液冷凍干燥得到DOM固體。 將DOM固體粘結(jié)在導(dǎo)電膠上, 用掃描電子顯微鏡(SEM, 島津FlexSEM-1000)進(jìn)行形貌觀察; 去離子水溶解DOM固體, 通過凝膠滲透色譜(GPC, 島津LC20/RID-20)獲得DOM分子量; 測1H NMR(布魯克400 MHz AVANCE Ⅲ HD)時, 用氘代水作為溶劑, 以四甲基硅烷作為內(nèi)標(biāo)物校準(zhǔn)化學(xué)位移; 將DOM粉末與KBr混合研磨, 壓片后獲得FTIR圖譜(島津IRTracter-100)。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOM形貌變化

污泥DOM冷凍干燥后, 在外觀和顏色上表現(xiàn)出明顯差異。 第0.5 d DOM樣品呈深褐色, 較為粘稠的固體; 20 d DOM樣品呈淺黃色, 較為松散的絮狀固體; 與20 d DOM樣品相比, 60 d DOM樣品顏色更淺, 形狀更為松散。 如圖1(a—c)所示, 污泥釋放DOM冷凍干燥后的微觀形貌也存在明顯的變化。 第0.5 d DOM樣品為堆積型致密塊狀物, 而第20和60 d樣品為不規(guī)則松散物質(zhì)。 形貌是DOM分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的外在體現(xiàn), 形貌的變化也表示出污泥還田后60 d內(nèi)釋放的DOM分子在性質(zhì)上存在較大差異。

圖1 污泥釋放DOM的微觀形貌

2.2 DOM釋放量變化

DOM的釋放量常用DOC來指示, 通常DOM的濃度是DOC的2倍。 空白DOC濃度占第0.5 d DOC的9.41%, 在微生物處理下, 空白有機(jī)質(zhì)的濃度可能會持續(xù)降低。 污泥在0～60 d DOC釋放量(未扣除空白)的變化如圖2所示。 污泥DOC釋放呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)步下降的趨勢。 在0～15 d內(nèi), DOC釋放量由4.25升高至6.17 mg·g-1污泥, 此后趨于穩(wěn)定并在第60 d逐漸下降至4.63 mg·g-1污泥。 有研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田后, DOC釋放量在前期會出現(xiàn)一個下降階段, 分析認(rèn)為環(huán)境中微生物的快速增值, 消耗了秸稈釋放的大量易分解的有機(jī)質(zhì)。 本研究中, 污泥中的易降解組份大都在堆肥過程中被分解, 0～15 d階段主要是污泥有機(jī)質(zhì)的緩慢溶解過程, 溶解趨于穩(wěn)定后, 微生物對大分子有機(jī)質(zhì)的降解導(dǎo)致DOC緩慢下降。 研究發(fā)現(xiàn), 模擬旱地條件下, 水稻和油菜秸稈釋放的DOC量分別為5.93～12.4和2.69～10.8 mg·g-1秸稈, 模擬水田條件下, 水稻和小麥秸稈釋放的DOC量分別為24.3～53.6和12.1～27.8 mg·g-1秸稈[9]。 本研究污泥模擬旱地農(nóng)用釋放的DOC量(4.25～6.22 mg·L-1)與秸稈在模擬旱地條件下DOC釋放量相當(dāng), 低于秸稈在模擬水田條件下的釋放量, 這與高含水率條件下微生物活性高有關(guān)。 污泥農(nóng)用會給土壤帶來一定的有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充, 同時釋放的DOM也會對土壤中污染物的行為產(chǎn)生影響。

圖2 污泥釋放DOC的變化

2.3 紫外-可見光光譜特征和分子量變化

DOM是含有碳水化合物(如氨基酸、 富里酸等)的異質(zhì)混合物, 組成復(fù)雜, 很難直接測定或描述出其確切的分子或結(jié)構(gòu)信息。 紫外-可見光譜E2/E3、S275～295、SR和SUVA254等指標(biāo)可以指示DOM的分子量和結(jié)構(gòu)。

大量研究表明,E2/E3、S275～295、SR與DOM的分子量成反比[5]。 如圖3(a)、 (b)和(c)所示, 污泥E2/E3、S275～295、SR指數(shù)整體上呈現(xiàn)出下降趨勢, 說明污泥釋放出DOM分子量逐漸升高; 對比GPC測定的DOM分子量信息(表1), 污泥DOM重均分子量Mw由0.5 d時2 674 g·mol-1的逐漸升高為60 d的129 026 g·mol-1, 本研究中E2/E3、S275～295、SR整體上可以指示污泥釋放DOM的分子量變化信息。 盡管污泥在好氧堆肥過程中耗盡了易降解小分子DOM, 污泥還田后微生物仍會選擇分子量相對較小的DOM作為可用碳源, 小分子組分的陸續(xù)降解, 逐漸升高DOM分子的Mw值。 另外可能存在的腐殖化過程, 也會導(dǎo)致分子量的增加。

表1 污泥DOM分子量及熒光指數(shù)

圖3 污泥釋放DOM紫外光譜特征值

SUVA254與DOM分子的芳香性有關(guān), SUVA254值越大表明DOM的芳香性程度越高[5]。 如圖3(d)所示, SUVA254整體呈現(xiàn)增加的趨勢, 表明污泥在還田后釋放的DOM分子中芳香性物質(zhì)含量逐漸升高。 在第0.5～5 d, 隨著微生物繁殖, 相對分子量較小的DOM被降解, 導(dǎo)致芳香性DOM快速積累; 當(dāng)相對分子量較小的DOM被分解完, 前期積累的芳香性DOM成為微生物的碳源, 導(dǎo)致第5～10 d的SUVA254出現(xiàn)下降趨勢。 污泥還田后, 相對小分子物質(zhì)的降解和腐殖化進(jìn)程的共同作用下, 導(dǎo)致芳香性物質(zhì)的積累。

還田后污泥釋放DOM不僅在量上存在變化, 在分子量和芳香性指標(biāo)上也存在變異, 可能導(dǎo)致共存污染物的環(huán)境行為隨之改變。

2.4 三維熒光光譜特征變化

熒光光譜法可以揭示DOM中有機(jī)成分的差異。 3D-EEM光譜中特定峰值歸因于特定類型DOM分子所產(chǎn)生的特定熒光團(tuán)的出現(xiàn)[10]。 觀察到的熒光可以是單個熒光團(tuán)貢獻(xiàn)疊加信號的函數(shù), 也可以是相互作用的熒光團(tuán)之間分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的函數(shù)[11]。 污泥DOM的EEM光譜圖見圖4, 根據(jù)文獻(xiàn)將EEM光譜分為(a—e)5個區(qū)域, 從Ⅰ到Ⅴ分別為類酪氨酸、 類色氨酸、 類富里酸、 類可溶性微生物副產(chǎn)物和類腐殖質(zhì)物質(zhì)[10, 12-14]。 由圖4可知, 在整個過程中未發(fā)現(xiàn)類蛋白峰, 說明污泥中易降解組分在農(nóng)用前的堆肥過程中被耗盡[15]。 污泥DOM熒光峰主要出現(xiàn)在區(qū)域Ⅲ(類富里酸)和Ⅴ(類腐殖質(zhì))。 類富里酸和類腐殖質(zhì)熒光峰的產(chǎn)生與DOM中的芳香族物質(zhì)或共軛系統(tǒng)有關(guān), 尤其是羧基、 羰基和酚羥基等官能團(tuán)。 整個過程中, 類富里酸峰和類腐殖質(zhì)峰熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng), 表明污泥農(nóng)用后釋放的DOM中這兩類物質(zhì)逐漸積累, 整體上呈現(xiàn)腐殖化趨勢。

圖4 污泥釋放DOM的3D-EEM圖

利用PARAFAC對污泥DOM的三維熒光光譜進(jìn)行模擬, 最終分解出三個不同的熒光組分[圖5(a—f)], 分別為組分C1、 C2和C3。 C1(Ex/Em: 240, 320/415 nm)的熒光特征類似于類富里酸[12]; C2(Ex/Em: 265, 370/460 nm)和C3(Ex/Em: 210, 220, 330/440 nm)的熒光特征類似于類腐殖質(zhì)[16]。 相對于C1, C2和C3出現(xiàn)紅移, 其腐殖質(zhì)成分具有分子量高, 分子結(jié)構(gòu)共軛度以及化學(xué)穩(wěn)定性更高的特點。 熒光成分的最大熒光強(qiáng)度值(Fmax)可以評估各組分的相對水平。 如表2所示, 隨時間延長, 污泥DOM的C1和C3組分分別呈現(xiàn)下降和上升的趨勢, 表明類富里酸物質(zhì)在微生物作用下轉(zhuǎn)變?yōu)轭惛迟|(zhì), 導(dǎo)致污泥農(nóng)用后釋放的DOM中腐殖質(zhì)逐漸積累。 3D-EEM圖是熒光基團(tuán)疊加而成, 信號重疊可能導(dǎo)致真正的峰值位移, 會阻礙DOM中不同熒光峰值的視覺定位。 而PARAFAC能將DOM中各組分識別出來, 利用Fmax評估各組分的相對水平。 PARAFAC分析三維熒光可能更直接有效。

表2 污泥釋放DOM的最大熒光強(qiáng)度值(Fmax)中C1、 C2和C3的相對豐度

圖5 PARAFAC模型輸出三個熒光組分(a、 c和e)和相應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射負(fù)載(b、 d和f)

熒光指標(biāo)(BIX、 FI和HIX)通常用于表征DOM的類型和來源[13]。 BIX通常與DOM的來源相對應(yīng), 較低的BIX值表示DOM主要是陸地來源的輸入[17]。 在整個降解過程的DOM的BIX值都小于1, 表明污泥的DOM主要來自陸地來源, 如動物分解殘留物和植物凋落物等。 FI常被用來表示DOM的來源, 不同時期的污泥DOM的FI值為2.40～2.51, FI>1.9表明DOM主要由細(xì)菌和藻類活動產(chǎn)生, 是自生源輸入[18]。 HIX可用于表征有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度, 其值與有機(jī)質(zhì)腐殖化程度呈正比, 一般認(rèn)為, HIX>0.8時, 腐殖化程度較高[18]。

2.5 傅里葉變換紅外光譜特征變化

圖6 污泥釋放DOM的FTIR圖

2.6 核磁共振波譜特征變化

核磁共振(NMR)波譜是研究DOM中官能團(tuán)的方法之一。1H NMR可以提供DOM中不可交換的結(jié)構(gòu)質(zhì)子分布信息, 以量化DOM的芳香性和腐殖化程度[19]。 圖7為(0～60尺)污泥DOM的1H NMR譜圖。 其中, 化學(xué)位移4.5～6.25 ppm區(qū)域是溶劑氘代水的吸收峰。 如表3所示, DOM樣品中芳香結(jié)構(gòu)中H的含量呈現(xiàn)增加趨勢, 與SUVA254結(jié)果一致, 表明污泥農(nóng)用后釋放的DOM中芳香性物質(zhì)不斷積累。 然而,1H NMR結(jié)果顯示在第0.5～60 d DOM樣品中芳香結(jié)構(gòu)中H的含量始終低于2%, 表明污泥DOM中的芳香族化合物較少, 與光譜結(jié)果中DOM分子腐殖化程度高相矛盾。 究其原因,1H NMR只能指示DOM中H的信息, 無法指示部分不含H的芳香結(jié)構(gòu)信息。 在第0.5～60 d DOM樣品中硫醚的H或連N的C上H的含量持續(xù)降低, 從22.2%被消耗至11.2%。 含氮有機(jī)質(zhì)可以影響微生物合成蛋白質(zhì)和核酸, 因此微生物主要以含氮和含硫的有機(jī)質(zhì)作為碳源和氮源。 硫醚類和含氮有機(jī)質(zhì)最終被轉(zhuǎn)化為醇類、 酯類和芳香類物質(zhì)等, 此過程可能包含有機(jī)質(zhì)的分解、 縮合、 聚合產(chǎn)生新的衍生物等一系列復(fù)雜變化。

表3 污泥釋放DOM中H的含量

圖7 污泥釋放DOM的1H NMR圖

3 結(jié) 論

污泥農(nóng)用后, 釋放的DOM在數(shù)量和性質(zhì)上均存在顯著差異; 數(shù)量上, 污泥DOC釋放呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)步下降的趨勢; 性質(zhì)上, 整個釋放過程涉及DOM分子間轉(zhuǎn)化和衍生物生成等一系列復(fù)雜變化。 由于污泥在堆肥過程中經(jīng)歷的微生物過程, 還田后釋放DOM的性質(zhì)呈現(xiàn)單一變化趨勢: DOM分子中芳香性物質(zhì)逐漸積累, 導(dǎo)致類腐殖質(zhì)的比例增加, 提高了DOM分子的分子量和芳香性。 掃描電鏡、 紫外-可見光譜、 紅外光譜和三維熒光光譜等表征技術(shù)可以很好地描述污泥農(nóng)用后釋放DOM的性質(zhì)特征, 尤其是E2/E3、S275～295、SR和SUVA254整體上可以指示DOM的分子量和結(jié)構(gòu)信息, 可通過紫外光譜指數(shù)快速獲得DOM性質(zhì)的變化。 污泥還田后釋放DOM數(shù)量和分子量、 芳香性等性質(zhì)上的變化, 可能會導(dǎo)致共存污染物環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)呈現(xiàn)動態(tài)變化。