污泥好氧堆肥過程中親水性組分的光譜和電化學特征

常昊宇，譚知涵，孫曉杰*，張 軍，邢美燕，董 濱1,，席北斗

1. 桂林理工大學，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004

2. 桂林理工大學，巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004

3. 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092

4. 中國環境科學研究院，國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012

堆肥化是市政污泥穩定化、無害化和資源化的重要途徑之一[1]，在堆肥過程中，污泥中不穩定有機物可轉化為高活性的腐殖質[2]. 腐殖質是堆肥的核心產物，含有大量具有電子轉移能力的高活性位點官能團，能夠作為電子穿梭體參與微生物與污染物之間的電子傳遞過程，有利于加快土壤中高價有毒重金屬的還原和有機污染物的降解[3]，從而減輕污染物對環境和人體健康的危害.

親水性組分(hydrophilic fraction，HyI)作為堆肥腐殖質的重要組分之一[4]，其結構特征和電子轉移能力是影響其環境效應的重要因素[5]. Huang等[6]研究表明，在堆肥的早期階段HyI對水溶性有機物(dissolved organic matter，DOM)的電子轉移能力(electron transfer capacities，ETC)貢獻最大，而在堆肥的后期HA逐漸主導腐殖質的ETC. He等[7]的研究表明，在堆肥初期，HyI的相對電子接受能力(electron accepting capacity，EAC)高于相對電子供給能力(electron donating capacity，EDC)，HyI具有較高的親水性和較低的分子量，這可能影響其氧化還原性質. 崔東宇等[4]采用紫外-可見吸收光譜、三維熒光光譜和統計學的研究方法，分析了一次發酵高溫期樣品和二次發酵結束后篩分所得成品的HyI結構對還原容量的影響. 分析以上文獻發現，整個堆肥過程中HyI的結構和組成及其與EDC、EAC和ETC的關系尚不清晰.

鑒于此，本研究采用光譜(包括紫外-可見吸收光譜、三維熒光光譜、二維相關光譜和紅外光譜)、電化學方法和統計學(相關性分析)方法，系統分析市政污泥堆肥過程中HyI的結構和組成及其與EDC、EAC和ETC的關系，以期為揭示HyI的演變特征及其在治理環境污染中的作用提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 堆肥原料與方法

以桂林市上窯污水廠板框壓濾污泥為堆肥原料、玉米秸稈為輔料進行好氧堆肥，反應器體積為60 L(直徑45 cm，高度52 cm)，外壁包保溫棉(厚約5 cm).將12 kg污泥和6 kg玉米秸稈混勻，含水率控制在60%左右，連續強制曝氣，通風量為0.2 L/(kg·min)(以干物質計). 堆肥30 d，在第0、4、9、15、21、30天翻堆后各取300 g樣品. 按照文獻[8]的方法測定原料理化性質，結果如表1所示.

表1 初始物料的理化性質Table 1 Initial physicochemical properties of raw materials

1.2 HyI的提取

按照文獻[6]中分離和凈化的方法提取HyI. 將0.1 mol/L Na4P2O7·10H2O與0.1 mol/L NaOH混合制成萃取劑，稱取20 g冷凍干燥后的堆肥樣品，將樣品和萃取劑按照1 g:10 mL的比例混勻，振蕩24 h，10 000 r/min下離心20 min，收集上清液并通過0.45 μm濾膜. 濾液用6 mol/L的HCl溶液調pH至1～2，靜置12 h后，4 000 r/min下離心20 min，收集上清液. 將上清液通過20 g左右的XAD-8大孔吸附樹脂，隨后用超純水淋洗樹脂柱，洗出的部分為HyI，淋洗至pH為中性. 將部分HyI溶液冷凍干燥后得到膠狀的HyI固體，另一部分稀釋200倍，然后用總有機碳分析儀(Multi N/C 3 100，德國耶拿分析儀器股份公司)測定稀釋后HyI的碳濃度，并計算出原液濃度. 用超純水將HyI原液的濃度稀釋至DOC濃度為2 mg/L和20 mg/L.

1.3 熒光光譜分析

1.3.1 三維熒光光譜

使用熒光光度計(Aqualog，法國HORIBA公司)測定HyI濃度(以DOC計)為2 mg/L的樣品，三維熒光光譜掃描參數：λEx=200～450 nm，λEm=280～600 nm，狹縫寬帶5 nm，超純水做熒光測定空白[9]. 計算腐殖化指數(HIX)、熒光指數(FI)和自生源指數(BIX)，計算方法參照文獻[10]. 其中，HIX的計算方法：λEx=254 nm時，λEm在435～480 nm與300～345 nm區域積分面積比. FI的計算方法：λEx=370 nm時，λEm在450和500 nm處的熒光強度比. BIX的計算方法：λEx=310 nm時，λEm在380與430 nm處的熒光強度比.

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1.3.2 同步熒光光譜

使用F98熒光光度計(F98，上海棱光技術有限公司)測定HyI濃度(以DOC計)為2 mg/L的樣品，以超純水作為空白對照. 同步熒光光譜掃描時，λEx-λEm=-30 nm，λEx=250～500 nm[11].

1.4 紫外-可見吸收光譜

用紫外-可見分光光度計(UV-6100，上海元析儀器有限公司)測定HyI濃度(以DOC計)為20 mg/L的樣品，掃描波長范圍為200～800 nm，掃描間隔為1 nm，分別測定254和436 nm處的紫外吸光度，依次記為SUVA254和SUVA436；擬合275～295 nm及350～400 nm波長范圍內的曲線斜率分別記為S275-295和S350-400，S275-295與S350-400的比值記為SR. 253與203 nm處紫外吸光度的比值記為E253/E203[12].

1.5 紅外光譜

將冷凍干燥后的樣品與烘干后的KBr(光譜純)混合，在100 MPa下壓片，使用傅里葉變換紅外光譜儀(Is10, 美國Thermo Fisher公司)測定紅外光譜，掃描波長范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32次[13].

1.6 二維相關光譜

以堆肥時間為外界擾動，波數為變量，對400～4 000 cm-1波長的紅外光譜和250～600 cm-1波長的同步熒光光譜進行二維相關分析，使用Origin 2022繪制二維相關光譜圖.

1.7 電化學測量

使用電化學工作站(CHI660D，上海辰華儀器有限公司)，對HyI的ETC、EDC和EAC進行測定，按照Tang等[14]的三電極電解池系統，玻碳電極為工作電極，鉑柱電極為對電極，氯化銀電極為參比電極. 采用計時-電流法進行測定，向電解池中通入N2. 加入2.5 mL氯化鉀溶液(0.2 mol/L)和2.5 mL磷酸鹽緩沖溶液(0.2 mol/L)作為電解質. 工作電極電位為+0.61 V時，ABTS作為介導劑測EDC；工作電極電位為-0.49 V時，DQ作為介導劑測EAC. 加入1 mL樣品(DOC濃度為50 mg/L)后穩定運行1 000 s后得到電流-時間曲線，計算積分面積，用He等[15]的方法計算EDC和EAC值，ETC=EDC+EAC.

2 結果與討論

2.1 堆肥過程溫度和種子發芽指數的變化

溫度是評價堆肥腐熟度和無害化程度的重要指標. 如圖1(a)所示，堆肥過程中環境溫度在30 ℃左右波動，較高的室溫有利于堆肥的進行. 堆體在第1天進入高溫期，在第2天達到最高溫度62.5 ℃，并在50 ℃以上持續了10 d，滿足《糞便無害化衛生要求》(GB 7959-2012)中對高溫堆肥的衛生要求(溫度≥50 ℃，時間≥10 d).

圖1 堆肥過程溫度和種子發芽指數(GI)的變化Fig.1 Changes in temperature and seed-germination index during composting

2.2 堆肥過程HyI紫外-可見吸收光譜特征

HyI的紫外可見吸收光譜決定于分子結構，因分子復雜度不同而不同. 從圖2可以看出，市政污泥堆肥過程樣品中HyI的紫外吸光度隨波長的增加呈遞減趨勢，在波長達到350 nm后吸收逐漸趨于0. 在250 nm附近出現一個吸收平臺，主要是木質素磺酸及其衍生物的光吸收[17]，并隨著HyI不飽和共軛雙鍵結構和芳香族結構的增加，HyI的紫外吸光度不斷增強. 按照時間順序來看，隨著堆肥的進行，樣品中HyI的紫外吸光度先上升后下降，總體處于上升趨勢. 因此，HyI的紫外吸收曲線表明，隨著堆肥的進行，HyI的芳香度與不飽和度均增加，腐殖化程度加大，這與崔東宇等[4]的研究結果一致.

圖2 堆肥過程中HyI的紫外-可見吸收光譜的變化Fig.2 Changes in UV-Vis spectra of HyI during composting

2.3 堆肥過程HyI紫外-可見光譜特征值的演變規律

2.3.1 堆肥過程HyI的SUVA254和SUVA436的變化

SUVA254被認為與有機物中的C-C鍵化合物有關，該值越大，代表HyI的芳香性越高[18]. 由圖3(a)可見，在堆肥進行的前15 d，SUVA254一直處在上升階段，隨后開始下降. 這可能是因為堆肥前期溶解性有機物多，微生物利用有機物聚合，聚合度高使有機物芳香性提高；堆肥后期由于HyI中部分具有芳香性的結構轉化為胡敏酸或者富里酸，導致HyI的芳香性降低. 由圖3(a)可見，SUVA436的變化趨勢與SUVA254一致，其變化原因也與SUVA254相同，醌基含量增加、芳香性增強都是HyI腐殖化的表現，醌基也是有機物電子轉移能力的主要貢獻基團[19].

圖3 堆肥過程中紫外-可見光譜參數的變化Fig.3 Changes in UV-Vis parameters during composting

2.3.2 堆肥過程HyI的E253/E203、SR、E280/E472的變化

E253/E203反映芳香環取代基種類，脂肪鏈多時該值較小，羰基、羧基、羥基、酯類等取代基多時該值較大[20]. 由圖3(b)可見，隨著堆肥的進行，E253/E203先上升后下降，這可能是堆肥前期芳香環取代基上的脂肪鏈逐漸被氧化為羰基、羧基、酯類等官能團，而堆肥后期部分含氧官能團(如羧基)轉化為CO2釋放到環境中，導致取代基含量降低[21].

S275-295與S350-400的比值記為SR，其與腐殖質的分子量呈負相關[22]. 由圖3(b)可見，隨著堆肥的進行，SR總體呈先上升后下降的趨勢，說明HyI的分子量在堆肥過程中逐漸減小，HyI從結構復雜的大分子物質逐步向結構簡單的小分子物質轉化，后期由于HyI發生芳香縮聚，產生了芳香環，導致其分子量增大. 這些結果表明，在整個堆肥過程中，HyI的分子量呈下降趨勢.

2.4 堆肥過程HyI的熒光光譜特征

2.4.1 堆肥過程HyI的熒光光譜指數

HIX可反映HyI的腐殖化程度[23]. 如圖4(a)所示，隨著堆肥的進行，HyI的HIX值總體呈先上升后下降又上升的趨勢，說明堆肥前期HyI的腐殖化程度逐漸增強，中期HyI轉化為HA和FA導致其自身的腐殖化程度降低，而后期HyI自身又逐漸腐殖化. HIX值從第0天的0.45增至第30天的0.86，說明堆肥HyI的腐殖化程度增強.

圖4 堆肥過程中HyI的熒光指數的變化Fig.4 Changes in the fluorescence index of HyI during composting

FI表示芳香族和非芳香族化合物對腐殖質熒光強度的貢獻率，FI值越低，表示熒光物質的芳香性越強. 如圖4(b)所示，FI值在前15 d較高，而后15 d較低，這說明HyI在堆肥后期具有較高的芳香性. FI指數還可區分有機物的來源，一般而言，FI值小于1.4時，說明堆肥過程中的HyI主要來源于外生源，即堆料自身；FI值均大于1.4時，說明HyI主要來源于自生源，即由微生物分解堆料有機物產生[24]，由圖4(b)可知，堆肥過程中HyI的FI值均大于1.4，因此HyI的來源主要來自于微生物分解有機物料.

BIX反映了新產生的HyI在整體HyI中的占比，是評估微生物活性的重要依據. 從圖4(b)可以看出，在堆肥前期HyI呈現出較強的自生源特征，HyI更多地來自微生物的分解作用. 隨著堆肥的進行，在堆肥中后期BIX指數一直呈現下降趨勢，但BIX指數仍然較高，這表明堆肥前期的HyI主要來源于微生物的活動，而后期微生物活動減弱，產生的HyI較少[24].

2.4.2 堆肥過程HyI的熒光組分分析

為了分析堆肥過程中HyI的熒光特性，采用三維熒光光譜對HyI進行了測定，并將三維熒光光譜分為5個區域，分別代表不同的熒光組分，其中Ⅰ代表酪氨酸類蛋白、Ⅱ代表色氨酸類蛋白、Ⅲ代表類富里酸、Ⅳ代表可溶性微生物副產物、Ⅴ代表類胡敏酸，將這5個區域熒光強度進行體積積分[25]，每個區域對應的Pi,n值可反映其對應物質的相對含量(見表2).在堆肥初期，HyI中的PⅠ,n和PⅡ,n較高，說明酪氨酸類蛋白和色氨酸類蛋白在初期含量較高，堆肥第4天時PⅠ,n和PⅡ,n均達到堆肥周期的最大值，分別為23.12%和40.05%，第4天后，由于微生物降解或發生聚合作用，HyI中類蛋白物質含量逐漸減少. PⅠ,n下降明顯，從第1天的22.88%降至第30天的11.74%.堆肥第15天時，PⅠ,n已降至14.91%，說明酪氨酸類蛋白前期降解快，可能是因為含水率高，小分子易被微生物利用[26]. 相比之下，PⅢ,n的增幅不如PⅤ,n，究其原因，可能是堆肥過程中有機物碳骨架縮合，形成分子量大的類胡敏酸物質，這是主要物質結構轉化；同時也有類富里酸物質形成，但這不是主要有機組分變化過程.

表2 堆肥過程中HyI的三維熒光光譜區域百分比變化Table 2 Percentage change in HyI three-dimensional fluorescence spectrum regions during composting

2.5 堆肥過程HyI的傅里葉變換紅外光譜分析

HyI的紅外光譜如圖5(a)所示. 3 220 cm-1處的寬吸收帶代表酰胺類物質[27]；1 720 cm-1處的吸收峰代表羧基化合物的C=O伸縮[28]；1 405 cm-1處的吸收峰代表酚類化合物的酚羥基C-O伸縮[29]. 987 cm-1處的強峰和1 150 cm-1處的弱峰都代表多糖物質C-O伸縮[30]；500 cm-1處的吸收峰代表硅酸鹽的Si-O鍵[31]. 通常而言，腐殖質的分子結構以芳香環為骨架，然而HyI在1 600～1 650 cm-1處(芳香環C=C)并沒有出現明顯的吸收峰，說明HyI不具有明顯的腐殖質結構. 計算各吸收峰面積得到HyI各官能團相對含量〔見圖5(b)〕，酰胺和多糖類物質在HyI中占據主導地位. 酰胺物質在0～4 d快速上升，而在第4天之后保持下降的趨勢，直至堆肥結束. 多糖類物質相對含量變化與酰胺物質相反，在0～4 d快速下降，而在4～30 d逐漸增加，這可能是由于在堆肥初期微生物將多糖類物質作為碳源降解，而在堆肥中期和后期主要降解蛋白質類物質，酰胺作為HyI的主要成分，能為多糖等小分子物質提供結合位點，使得多糖類物質的含量在第4天之后逐漸增加[28]. HyI中的羧基隨著堆肥的進行呈現逐漸增加的趨勢，可能是由于長鏈脂肪酸降解產生羧酸類中間產物. 酚類含量逐漸降低，可能是由于酚類在堆肥過程中被逐漸氧化為醌類物質. HyI中的硅酸鹽的相對含量在堆肥過程中幾乎保持不變，說明硅酸鹽可能來自提取過程中的無機雜質.

圖5 堆肥過程中HyI的紅外光譜及其官能團相對含量變化Fig.5 Changes in the infrared spectra of HyI and its relative content during composting

2.6 堆肥過程HyI的二維相關光譜分析

如圖6(a)所示，HyI二維紅外光譜同步映射結果中在(987，987)處的自動峰強度最大，說明HyI中多糖在堆肥過程中變化最明顯. 在(3 320，1 720)、(3 320，1 405)、(3 320，987)、(3 320，500)、(1 720，1 405)、(1 720，987)、(1 405，987)處出現的交叉峰均為正峰，這說明HyI各官能團在堆肥過程中呈正相關關系. 根據異步圖〔見圖6(b)〕中交叉峰的信號值(見表3)和Noda規則[32]，可以判斷出紅外峰轉化次序為500、987、1 405、1 720、3 220 cm-1，故堆肥過程中HyI的官能團的轉化順序為硅酸鹽、多糖、酚類、羧基、酰胺.

圖6 堆肥過程HyI的二維紅外光譜、二維熒光光譜和二維紅外-熒光異質光譜Fig.6 Two-dimensional (2D) infrared spectrum, 2D fluorescence spectrum, and 2D infrared-fluorescence heterogeneous spectrum of HyI during composting

表3 二維紅外光譜異步圖中交叉峰的信號值Table 3 Signal values of cross peaks in a 2D infrared spectral asynchronous diagram

如圖6(d)所示，HyI二維同步熒光光譜同步映射結果中在(325，325)處的自動峰強度最大，說明HyI中類富里酸在堆肥過程中變化最明顯. 在(275，385)和(385，275)附近出現的交叉峰均為正峰，在(275，325)和(325，275)附近出現的交叉峰均為負峰，這說明HyI中的類蛋白和類胡敏酸在堆肥過程中呈正相關關系，類蛋白和類富里酸在堆肥過程中呈負相關關系. 根據異步圖〔見圖6(e)〕中交叉峰的信號值和Noda規則，可以判斷出堆肥過程中HyI中熒光組分的轉化順序為類胡敏酸、類蛋白、類富里酸.

如圖6(c)所示，在(275，500/987/1 405/1 720/3 320)和(385，500/987/1 405/1 720/3 320)附近出現的交叉峰均為正峰，這說明HyI中的類蛋白和類胡敏酸與硅酸鹽、多糖、酚類、羧基和酰胺在堆肥過程中呈正相關關系，HyI中的硅酸鹽、多糖、酚類、羧基和酰胺是類蛋白和類胡敏酸的基本熒光單元. 在(325，500/987/1 405/1 720/3 320)附近出現的交叉峰均為負峰，說明類富里酸與HyI中硅酸鹽、多糖、酚類、羧基和酰胺在堆肥過程中呈負相關關系. 根據異步映射結果〔見圖6(f)〕，判斷出堆肥過程中硅酸鹽、多糖、酚類、羧基、酰胺是類富里酸的前體.

2.7 堆肥過程HyI的電子轉移能力變化

HyI由小分子量的物質組成，可以作為電子穿梭體促進微生物對重金屬的還原，在促進堆肥腐熟過程和污染物處理中發揮重要作用[4]. 污泥堆肥中HyI電子轉移能力變化過程如圖7所示. 從圖7(a)可看出，隨著堆肥的進行，HyI的EDC呈現先增加后減少的趨勢，EDC由第0天的140.77 μmol/g(以單位質量的有機碳轉移的電子數計)增至第30天的234.02 μmol/g；HyI的EAC呈現先減少后增加的趨勢，EAC由405.28 μmol/g增至461.30 μmol/g，這可能是由于HyI在高溫期被微生物降解，導致其具有接受電子能力的官能團減少. 總體而言，在整個堆肥過程中，EAC基本都高于EDC，說明HyI的受電子基團在氧化還原反應中起主導作用，可能是污泥作為城市污水好氧處理的副產物，其中的HyI被高度氧化，更容易得到電子. 如圖7(b)所示，隨著堆肥的進行，HyI的ETC呈上升趨勢，ETC由第0天的546.05 μmol/g增至第30天的695.32 μmol/g，說明堆肥過程提高了HyI的氧化還原能力，該結果與He等[7]的研究結果類似.

圖7 HyI在堆肥過程中電子轉移能力的變化Fig.7 Changes in the electron transfer capacity of HyI during composting

對污泥堆肥中HyI的參數進行相關性分析，結果如表4所示，SUVA254與SUVA436呈極顯著正相關(P＜0.01)，說明這兩個參數主要受芳香族苯環結構或新的芳香物質的影響. SUVA436、羧基含量均與PI,n呈極顯著負相關(P＜0.01)，說明酪氨酸類蛋白的降解能夠促進醌類物質和羧基物質的生成. PⅡ,n與PⅤ,n呈極顯著負相關(P＜0.01)，說明色氨酸類蛋白的降解能促進類胡敏酸的生成. 酚類含量與SUVA254呈極顯著負相關(P＜0.01)，說明酚類物質的降解能促進有機物的芳構化程度的提高. 另外還有一些參數雖未達到顯著水平，但相關系數相對較高. EDC與SR呈正相關，而與硅酸鹽和多糖含量呈負相關，說明HyI分子量的降低、硅酸鹽和多糖的減少能促進EDC的增加. EAC與PⅤ,n、PⅤ,n/PⅢ,n均呈正相關，說明HyI中類胡敏酸物質的增加和腐殖化程度的升高能促進EAC的增加. 各參數和電化學指標之間除硅酸鹽外沒有觀察到顯著的相關性，其原因還需要進一步探究.

表4 污泥堆肥不同階段HyI組分參數之間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of HyI component parameters at different stages of sludge composting

3 結論

a) 光譜分析顯示，隨著堆肥的進行，HyI中芳香族化合物增多，醌基含量增加，類蛋白物質含量降低，類胡敏酸物質和類富里酸物質含量增加，芳構化程度和腐殖化程度增強. 酰胺和多糖類物質在HyI中占據主導地位，HyI中羧基含量增加，而酚類含量降低.HyI不具有明顯的腐殖質結構. HyI的官能團在堆肥過程中的轉化順序為硅酸鹽、多糖、酚類、羧基、酰胺，HyI中熒光組分的轉化順序為類胡敏酸、類蛋白、類富里酸，硅酸鹽、多糖、酚類、羧基和酰胺是HyI中類蛋白和類胡敏酸的基本熒光單元.

b) 電化學分析顯示，在堆肥過程中，HyI的EDC呈現先增加后減少的趨勢；HyI的EAC呈現先減少后增加的趨勢；HyI的EAC基本高于EDC. 總體上，ETC呈現上升的趨勢，表明在堆肥過程中，HyI的受電子基團在氧化還原反應中起主導作用，HyI的氧化還原能力提高，有助于HyI更好地修復土壤重金屬及其他污染物.

c) 相關性分析顯示，HyI分子量越小、硅酸鹽和多糖越少，越利于HyI給出電子；而HyI中羧基含量越高、類胡敏酸物質越多、腐殖化程度越高、芳香性越強，越利于HyI得到電子.