选取杨凌职业技术学院猪场的猪粪作为堆肥原料, 以杨凌周边建材厂的木屑为调理剂, 向猪粪∶ 木屑为2∶ 1的混合物料中添加0%, 2.5%, 5%, 7.5%和10%的钙基膨润土(以下记为0%CB, 2.5%CB, 5.0%CB, 7.5%CB, 10.0%CB), 采用自制的强制通风好氧发酵装置, 进行了为期60 d的好氧堆肥试验, 具体堆肥过程见文献[10]。 实验原材料的基本理化性质如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 堆肥初始物料基本理化性质 Table 1 The properties of pig manure, saw dust and initial composting feed stock Parameters Pig manure Sawdust CB Mixing Moisture content/% 75.63± 0.23 15.01± 0.10 0.06± 0.01 64.10± 0.01 pH 8.29± 0.03 6.85± 0.02 8.4± 0.02 8.36± 0.006 EC/(mS· cm-1) 2.65± 0.03 0.40± 0.002 0.09± 0.001 1.54± 0.02 Organic matter/% 72.27± 0.13 96.22± 1.20 - 75.93± 0.05 TP/(g· kg-1) 27.34± 0.75 < 0.01 0.01± 0.005 22.67± 0.21 TKN/(g· kg-1) 24.01± 0.11 2.21± 0.03 - 19.41± 0.23 C/N 17.46± 0.10 252.5± 1.20 - 22.69± 0.27 Specific surface area - - 28.712 - Grain fineness/mm - - < 0.25

表1 堆肥初始物料基本理化性质 Table 1 The properties of pig manure, saw dust and initial composting feed stock

注: - 代表未检出或未检测

在堆肥的初期(1 d), 高温期(7 d), 腐熟期(60 d)进行样品的采集, 取样前先翻转堆肥器数次使物料充分混合均匀, 每次取样1 kg, 在冷冻干燥机(FD-1C-50)中冷干, 将冷干样研磨, 过0.15 mm的尼龙筛, 密封于塑封袋中, 做好标记, 便于后续实验的进行。

样品提取方法参考文献[8]进行。 具体操作为: 准确称取3 g(精确到0.000 1 g)上述处理好的样品, 按照堆肥干物质重与双蒸水体积为1∶ 10, 在恒温条件下, 利用SHA-B恒温水浴振荡器在200 r· min^-1震荡提取24 h, 然后在4 ℃, 12 000 r· min^-1下离心20 min, 上清液过0.45 μ m的滤膜, 得到的滤液中的有机物即为DOC。 测定DOC的含量后, 将溶液一分为二, 一份用于FS和UV-Vis分析, 另一份冷冻干燥用于FTIR分析。

用上述浸提的滤液即可进行UV-Vis扫描, 将碳含量稀释到同一水平(7 mg· L^-1), 利用UV-1452进行分析, 扫描波长220~600 nm, 并记录其光谱, 并根据SUVA₂₅₄=(ABS₂₅₄× 100) /DOC, SUVA₂₈₀=(ABS₂₈₀× 100)/DOC计算其特征参数。

利用上述浸提的滤液, 将含碳量稀释到同一水平(7 mg· L^-1), 消除荧光内率作用, 利用F-4600进行。 光电倍增管电压为700 V; 带通: 激发波长(Ex)=10 nm, 发射波长(Em)=10 nm 荧光同步扫描光谱分析: 同步扫描激发光谱波长从250~600 nm, Δ λ =λ _发射-λ _激发=30 nm; 发射光谱扫描光谱分析: 激发波长(Ex)=254 nm, 发射波长(Em)从300~480 nm, 扫描速度为1 200 nm· min^-1进行光谱分析。

将上述浸提液, 用干燥冷冻机在-58 ℃冷干, 按照1∶ 200与光谱纯的溴化钾混合, 用玛瑙研钵进行研磨, 在10 t· cm^-2下压成薄片, 维持1~2 min, 使之表面光滑。 用FTIR光谱仪(Nicolet 8700 FTIR)在4 000~400 cm^-1进行扫描, 扫描间隔为2 nm, 扫描64次, 记录其光谱, 并进行相应的峰位标记。

腐殖酸提取时, 将冷干样品与0.1 mol· L^-1的NaOH, Na₄P₂O₇· 10H₂O的混合液按照1∶ 10浸提, 溶液一分为二, 一份用于腐殖酸有机碳的测定, 另一份调节pH为1~2, 静置24小时, 高速离心, 0.1 mol· L^-1盐酸溶液洗涤之后获得的沉淀为胡敏酸有机碳, 富里酸有机碳=腐殖酸有机碳-胡敏酸有机碳。 堆肥聚合度由胡敏酸/富里酸计算得到。

DOC是堆肥中最直接的碳源, 容易发生微生物降解。 由图1可知, 在堆肥过程中, DOC浓度呈现先上升后下降的趋势, 且在高温期达到峰值。 这是由于堆肥高温期, 嗜热性微生物活性增强, 将结构简单的有机物分解, 导致DOC的浓度增加, 随着堆肥的进行, 难降解有机物的比例逐渐增加, 而大部分的DOC又被微生物吸收利用, 转化为相对复杂的含碳物质, 以致其含量下降。 堆肥结束时, 0%CB, 2.5%CB, 5%CB, 7.5%CB, 10%CB所对应的DOC的浓度分别为10.91, 8.28, 6.69, 6.85和6.71 g· kg^-1, 且相较于对照的降解率(49.10%), 添加CB处理的降解率均比对照大, 约为55.33%~62.93%, 与Wang等^[10]的研究结果一致。 说明添加CB可以促进DOC的降解, 且以添加5%的效果最好。 这可能是因为添加CB使得堆肥的孔隙度增加, 为微生物的生长和代谢提供了附着位点和充足的氧气, 促进有机物的降解。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 各处理堆肥过程中DOC的浓度变化Fig.1 The change of DOC concentration of all treatments during composting

UV-Vis可表征DOC的分子复杂程度和腐殖化程度。 从图2可以看出, 堆肥过程中各处理的紫外吸收强度随着波长的增加均呈降低的趋势, 这和自然有机质紫外— 可见光谱的变化规律一致。 随着堆肥的进行, 220~600 nm的紫外吸收强度呈现增加的趋势, 且在280 nm附近出现了一吸收平台。 已有研究表明: 280 nm附近的吸收平台是由n— π ^* 电子跃迁所引起, 且每单位DOC的紫外吸收强度随着芳香碳和不饱和共轭双键结构的增加而增强。 因此, 上述不同时期各处理紫外吸收曲线的变化趋势说明, DOC的芳香度和不饱和度在堆肥过程中逐渐增加。 赵越等在不同物料堆肥中也发现了类似的结果。 堆肥结束后, 各处理在220~600 nm波段的紫外吸收强度依次为5%CB> 10%CB> 7.5%CB> 2.5%CB> 0%CB, 结果表明添加CB使得芳香族物质含量增加。 引起这种现象的原因可能是因为CB巨大的比表面积为微生物的代谢和活动提供了场所, 促使堆肥过程中木质素降解物与氨基酸的不断缩合, 使得有机物的芳香度和腐殖化程度提高。

图2

Fig.2

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	图2 各处理紫外-可见吸收光谱图Fig.2 UV-Vis spectra of all treatments

水溶性有机物在254 nm的紫外吸收主要代表具有不饱和碳碳键的化合物, 且单位物质量的紫外吸收强度增加意味着芳香族和不饱和共轭双键结构增多。 从表2中可以看出, 堆肥结束时(60 d), 0%CB, 2.5%CB, 5%CB, 7.5%CB, 10%CB所对应的SUVA₂₅₄依次是1.557, 1.814, 2.300, 1.957, 2.043, 与对照相比, 添加CB能增加水溶性有机物中不饱和碳碳双键化合物(包括芳香族化合物)的含量, 且以5%添加比例最佳。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 腐熟期各处理水溶性有机物的紫外-可见特征参数 Table 2 Specific UV-Vis parameters of DOC extracted from different composting treatment processes SUVA254 /(L· cm-1· mg-1) SUVA280 /(L· cm-1· mg-1) 0%CB 1.557 1.329 2.5%CB 1.814 1.443 5%CB 2.300 1.914 7.5%CB 1.957 1.671 10%CB 2.043 1.714

表2 腐熟期各处理水溶性有机物的紫外-可见特征参数 Table 2 Specific UV-Vis parameters of DOC extracted from different composting treatment processes

除SUVA₂₅₄能够表征芳构化水平外, 有机物在280 nm处的紫外吸收特征SUVA₂₈₀也能表征腐殖化程度。 有机物在280 nm波长的吸光度与有机物的分子量, 腐殖化及芳香化水平成正比。 表2显示, 堆肥结束时, 添加CB处理的SUVA₂₈₀相比于对照均有不同程度的增加, 增加幅度为8.58%~44.02%, 且以5%添加比例的增幅最大。 表明添加CB能够促使堆肥中的有机物由非腐殖化向腐殖化转化, 使得高分子物质的含量增加, 腐殖化和芳香化程度提高。

综合分析SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀这两个紫外吸收特征参数, 表明添加CB能够促进堆肥过程中有机物由非腐殖化向腐殖化转化, 且以5%CB为最佳。 Zhang等^[4]向污泥中添加生物炭进行堆肥也发现了相似的结果。 这可能是由于CB疏松多孔的结构为微生物活动提供了附着位点, 使一些不溶于水的高分子物质(木质素, 蛋白质)被微生物分泌的胞外酶水解成能溶于水的小分子(多肽或氨基酸), 这些小分子又聚合形成较为稳定、 复杂的腐殖质, 促进堆肥的腐殖化。

相比于常规荧光光谱, 同步荧光光谱可以获得清晰、 独特的图谱, 从而获取更多的结构和官能团信息。 图3为波长差为30 nm时, 各处理在堆肥过程中DOC的同步荧光光谱图。 所有处理在280和343, 380 nm附近均出现了特征峰, 且随着堆肥的进行, 280 nm附近的荧光峰强度呈下降趋势, 而腐殖质峰荧光强度呈上升趋势。 这一结果表明随着时间的推移, 类蛋白物质与挥发性脂肪族有机酸被分解利用, 而结构复杂的腐殖质物质不断合成。 这与崔东宇等^[11]在牛粪堆肥中发现的结果一致。 相比于对照, CB处理的类蛋白特征峰在堆肥过程中发生红移, 说明添加钙基膨润土使得类蛋白中结构复杂的物质含量增加。 堆肥结束时, 各处理在330~600 nm研究波段的荧光强度依次为5%CB> 10%CB> 7.5%CB> 2.5%CB> 0%CB, 证实添加CB可促使堆肥过程中胡敏酸类似物和类腐殖质的含量增加, 且5%添加量为最佳, 这与紫外-可见光光谱的结果相符。 造成这种现象的原因可能是CB对pH的变化^[1]有一定“ 缓冲作用” , 为微生物活动提供了合适的环境, 且其疏松多孔的结构使得堆肥体系氧气含量增加, 促进了芳香环上氧化反应的进行, 使水溶性有机物中类腐殖质含量增加。

图3

Fig.3

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	图3 各处理同步荧光光谱Fig.3 Synchronous fluorescence spectra of all treatments

发射光谱中, 在短波段产生荧光特性的主要是腐殖化程度低、 结构简单的物质, 而共轭程度高、 结构复杂的物质在长波段产生荧光^[12]。 各处理堆肥过程中DOC的发射荧光光谱如图4所示。 各处理主要产生了两个荧光峰, 分别在334和422 nm附近, 前者的荧光强度在堆肥过程中呈现下降趋势, 而422 nm附近的荧光峰强度呈现增加趋势, 说明在堆肥过程中嗜热性微生物将结构简单、 共轭程度低的化合物分解利用, 供其生长和代谢, 而嗜温性微生物将结构简单的物质及其中间体不断缩合形成类腐殖质, 使得堆肥腐殖化程度加深。 堆肥结束时, 与对照相比, 添加CB处理在422 nm处的荧光峰强度增加, 且随着CB添加比例的增加, 从大到小依次为5%CB, 7.5%CB, 10%CB, 2.5%CB和0%CB, 表明添加CB使得堆肥体系中微生物活性增强, 促进了类腐殖质的形成, 有利于堆肥的腐殖化, 稳定化。 且此结论与同步荧光光谱的结果相印证。

图4

Fig.4

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	图4 各处理堆肥过程中的发射荧光光谱图Fig.4 Emission fluorescence spectra of all treatments during the composting

有机质腐殖化程度可用具有荧光特性的分子含量来表示。 在激发波长为254 nm时, 发射光谱中后四分之一波段的荧光强度积分面积与前四分之一波段荧光强度积分面积的比值与有机质的芳构化, 腐殖化程度成正比, 可用其来作为有机质腐殖化的表征指标。 如表3所示, 随着堆肥的进行, 各处理的腐殖化系数呈现上升趋势, 这与UV-Vis, FS的分析结果相符。 至堆肥结束时, 添加CB使得腐殖化系数的涨幅(记为λ )增加, 且随着CB添加量的增加, λ 值分别为1.87, 2.86, 2.54, 2.48, 表明添加CB可促使堆肥腐殖化程度提高, 且以5%添加比例为最佳。 这与闫金龙等^[5]向污泥堆肥中添加外源质生物炭的结果类似。 可能是添加CB使得堆肥体系出现了“ 二次升温” 现象^[1], 为嗜温微生物提供了合适的环境, 促使难分解有机物在二次发酵阶段进行分解, 为其腐殖化提供原料。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 堆肥过程中A435~480/A300~345比值的变化 Table 3 The change of A435~480/A300~345 during the composting Time/d 0%CB 2.5%CB 5%CB 7.5%CB 10%CB A435~480/A300~345 1 0.74 0.68 0.68 0.63 0.70 7 1.79 1.70 1.81 1.64 1.65 60 1.87 1.96 2.62 2.22 2.42 Increasing rate 1.52 1.87 2.86 2.54 2.48

表3 堆肥过程中A435~480/A300~345比值的变化 Table 3 The change of A435~480/A300~345 during the composting

傅里叶变换红外光谱可以通过特定波段吸收峰的位置来确定腐殖酸官能团的组成及骨架信息, 为堆肥过程中腐殖酸的转化提供有力证据。 堆肥结束时, 各处理水溶性有机物的红外光谱如图5所示, FTIR特征吸收带归属如表4。 结合图5, 表4可知, 在堆肥腐熟期, 各处理在波长3 435 cm^-1处的伸缩振动峰强度均小于对照, 说明CB促使堆肥物料中碳水化合物, 蛋白质和酰胺类等物质降解; 然而, 各处理在波长1 647 cm^-1处的振动峰均比对照大, 这可能是因为添加CB促使木质素的分解及木质素残体与其他有机中间产物聚合形成的腐殖质含量增加。 由FTIR图可见, 不同处理的光谱特征差异不显著, 仅相对强度上有一定的差异。 这可能是因为虽然各处理CB的添加比例不同, 但其主要原料均是猪粪和木屑, 这一结果与李荣华等^[2]的研究结果相似。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 堆肥腐熟期各处理的傅里叶红外光谱图Fig.5 FTIR spectra of all treatments at the end of composting

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 FTIR特征吸收带归属 Table 4 Assignment of FTIR spectra Wavelength/cm-1 Assignment of FTIR Source of peak 34 50~3400 O— H Carbohydrate, amid compound, protein 2 920~2 850 C— H Carbohydrate, the methylene of aliphatic compound 1 650~1 600 C= O — COO— , C=C Carboxylate, amid compound, aliphatic, alkene, aromatic hydrocarbon, amine 1 430~1 400 C— O, — CH2, — COO— , — OH Ligin, aliphatic compound, carboxylate 1 160~1 105 C— 0— C, C— O, C— N Carbohydrate, aliphatic compound, amino acid salt

表4 FTIR特征吸收带归属 Table 4 Assignment of FTIR spectra

近年来的研究结果显示, DOC在1 647 cm^-1(芳族碳)的特征峰密度分别与3 435 cm^-1(碳水化合物碳), 2 974 cm^-1(脂族碳), 1 406 cm^-1(羧基碳)和1 112 cm^-1(多糖)的比值(分别记为a₁, a₂, a₃, a₄)可用来表示堆肥有机物种类和结构变化, 评价堆肥芳构化程度。 堆肥腐熟期各处理的特征参数如表5所示。 a₁代表芳族碳/碳水化合物碳, 比值越高表明堆肥过程中小分子蛋白质及碳水化合物类物质含量减少, 对照中a₁为1.257, 而在2.5%~10%CB处理为1.261~1.311, 说明添加CB促进了碳水化合物向芳香族化合物的转化; a₂代表芳族碳/脂族碳, 堆肥芳香化程度随着a₂的增加而提高, 与对照相比, a₂在各处理中均有不同程度增加, 且随着CB添加比例的增加, 增幅依次为2.65%, 5.80%, 4.68%, 4.28%, 表明添加CB促使堆肥过程中有机物芳构化程度的提高; a₃代表芳族碳/羧基碳, 比值越大说明水溶性有机物中芳族碳含量越高, a₃从大到小所对应的处理依次是5%CB, 7.5%CB, 10%CB, 2.5%CB, 0%CB; a₄代表芳族碳/多糖碳, 比值越高说明多糖类等结构简单的物质减少, 含有多个芳香环的复杂化合物含量增多, 分析表明: 相比于对照, 各处理a₄均有不同程度的增加, 且增加幅度为4.07%~7.16%。 综合分析以上特征参数(a₁, a₂, a₃, a₄)表明, 添加CB能够促进水溶性有机物中芳族碳含量增加, 而脂族碳与多糖类物质减少, 提高了腐殖化和芳香化程度, 且以5%添加比例最佳。 这可能由于CB疏松多孔的层状结构为微生物分解糖类, 碳水化合物和脂肪族物质提供了适宜的环境, 促进了有机物的分解以及堆肥的腐殖化程度, 使得堆肥体系的稳定化程度提高。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 堆肥腐熟期各处理的特征参数吸收值的比值 Table 5 The ratio of specific FTIR parameters of DOC extracted from different composting treatment processes a1 (1 647/3 435) a2 (1 647/2 974) a3 (1 647/1 406) a4 (1 647/1 112) 0% 1.257 0.982 0.908 0.908 2.5% 1.270 1.008 0.931 0.959 5% 1.311 1.039 0.962 0.973 7.5% 1.298 1.028 0.961 0.954 10% 1.261 1.024 0.953 0.945

表5 堆肥腐熟期各处理的特征参数吸收值的比值 Table 5 The ratio of specific FTIR parameters of DOC extracted from different composting treatment processes

堆肥的聚合度是由堆肥样品中胡敏酸/富里酸计算得到, 比值越大说明堆肥样品中胡敏酸含量越多, 腐殖化程度越高。 如图6所示, 堆肥结束时, 各处理的聚合度分别为0.561, 0.622, 0.630, 0.627和0.625, 说明添加CB使得腐殖酸类有机物分子量增加, 且以5%添加比例最好, 这与UV-Vis, FS, FTIR的结果相印证。 这可能是因为添加CB为微生物活动提供了合适的场所, 使得可被微生物分解的有机物向稳定的腐殖质转化。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 各处理堆肥腐熟期的聚合度Fig.6 Degree of polymerization above all treatments

表6是堆肥过程中各光谱特征参数与DOC, 聚合度之间的Pearson相关系数。 由表6可知, 各处理的DOC 浓度与聚合度、 SUVA₂₅₄、 腐殖化系数的涨幅(λ )存在显著相关, 且各光谱特征参数SUVA₂₅₄, SUVA₂₈₀, A_460~520/A_280~340和λ 之间存在极显著相关性, 说明可用SUVA₂₅₄及腐殖化系数的涨幅(λ )的变化来反映堆肥的腐殖化程度, 且SUVA₂₅₄是所研究参数中最能反映堆肥腐熟度的吸收光谱参数。 除此之外, 各光谱及其特征参数之间相互关联, 相互印证, 可从多个角度来说明堆肥的腐殖化, 为堆肥的腐殖化提供快速、 便捷、 高效的多种检测方法。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 各参数之间的Pearson系数 Table 6 Pearson’ s correlation coefficient between parameters in experiments DOC SUVA254 SUVA280 A435~480/ A300~345 λ Degree of polymerization -0.955* 0.820 0.754 0.687 0.813 DOC -0.889* -0.872 -0.826 -0.925* SUVA254 0.983* * 0.964* * 0.961* * SUVA280 0.984* * 0.984* * A435~480/A300~345 0.947* *

表6 各参数之间的Pearson系数 Table 6 Pearson’ s correlation coefficient between parameters in experiments

注: * 代表0.05水平下显著相关, * * 代表0.01水平下极显著相关