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鸡粪堆肥水溶性有机物转化特性研究


第 4卷 第 9期 20 1 0年 9月

环境工程学报
Ch in ese Journal of Env iron enta l Eng ineering m

V o l. 4, N o. 9 Sep . 2 0 1 0

鸡粪堆肥水溶性有机物转化特性研究
李英军
1

/>何小松

2 3 ,

( 1. 北京农业职业学院 , 北京 100012 2. 北京师范大学环境学院, 北京 100875 ; ; 3 中国环境科学研究 院水环境系统工程研究室, 北京 100012) 摘 要 采用离子色谱和 三维荧光光谱, 分别对鸡粪堆肥不同阶段水溶性有机 物 ( DOM )中典型小分子有机酸、 磷酸和 荧光有机物进行了研 究。分析 显示, 所研究的 7种酸 (乙酸、 琥珀酸 、 苹果 酸、 酸、 草 柠檬 酸、 石酸及 磷酸 ) 中, 苹果酸 的含 酒 量最高 ( > 1 000 mg /L ), 草酸的浓度最低 ( < 3 m g /L ), 琥珀酸和柠檬酸 未检测到。随 着堆肥的进 行, 各 种酸的 含量先 上升 而后下降, 堆肥结束降至最低; 堆肥过程 样品所有荧光峰强度之和与 COD 达到显 著相关 (R = 0 917 P < 0 05), 类蛋白 荧光 , 峰强度与总荧光峰强 度的比值不断降低, 而类富里酸荧光峰强度与总荧光 峰强度的比值不断上 升。结果表明, 堆肥过 程小 分子有机酸主要出现 在堆肥中期; 类蛋白荧光强度或类富里酸荧光强度与 总荧光强度之比可以有效表征堆肥腐熟过程。 关键词 鸡粪堆 肥 小分子有机酸 类蛋白荧光 类富里酸荧光 中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 1673 9108( 2010) 09 2135 06

Study on characteristics of dissolved organic matter during composting of chicken m anure
L i Y ing jun
1

H e X ia osong

2 3 ,

( 1. Bei jing V ocational College of A gricu lture, Bei jing 100012 Ch in a , ; 2 S chool of Env ironm ent Be ijing N or al U n iversity, B eijing 100875 Ch ina; . , m , 3 Laboratory ofW ater Environm en tal System Eng ineering, Ch inese R esearch A cad emy of En vironm ental Science, B eijing 100012 Ch ina) ,

Abstract In th is study, typica l sm a llm o lecule organ ic ac id s phosphoric ac id and fluo rescence o rgan ic , , m atter from ch icken m anure at different stages w ere stud ied by ion chrom atography and three d i ensional excita m t io n em issio n flu orescence spectra respectiv e ly. T he results show ed tha, am ong the seven acids studied ( acetic , t acid succinic ac id m alic acid oxa lic ac id c itric ac id tartaric acid and phosphoric ac id ) , the content of m a , , , , , lic acid w as the h ig hest( > 1 000 m g /L ) , wh ile that of oxalic ac id the low est( < 3 m g /L ), succin ic and c itric acid w ere not detected Durin g the composting process, there found a good correlat ion bew teen the su of a ll f lu . m orescence peak intensity and COD( R = 0 917 P < 0 05) . T he conten t of sm allm o lecule organ ic ac id s and phos , phate acid in creased at firs, and then fall to a m in i um value at the end. The ratio of the in tensity of betw een t m th e prote in like flu orescence and to ta l fluorescence decreased wh ile th at betw een the fu lv ic lik e fluorescence and , tota l fluorescence in creased T he pro tein lik e fluorescence disappeared at the end o f secondary fer entat ion, . m w hile the fulv ic lik e flu orescence still ex isted wh ich suggested that the content o f protein lik e substances de , clined, w hereas hum us lik e substances w ere on the in crease A ll resu lts demonstrated th at sm all m olecu le organ . ic acids w ere m ainly produced at the beg inn ing o f com postin g w hile the ratio o f the intensity betw een prote in , lik e fluorescence or fu lv ic like flu orescence and the tota l flu orescence can be effectiv e ly characterized m aturity process during com post ing. K ey w ord s chicken m anure sm a ll m olecule organic ac id s protein lik e fluorescence fluv ic lik e fluores ; ; ; cence 堆肥是可降解有机物料在微生物的作用下发生 矿化和腐殖化的过程, 此过程将产生大量小分子有 机酸和腐殖质类物质 。堆肥小分 子有机酸的种 类和含量对于有机废弃物的无害化处理和资源化利 用具有重要意义, 它可以促进堆肥物料中固定态重
[ 1]

基金项目: 国家 973 重点基础研究发展计划项目 ( 2005CB724203) ; 国家自然科学基金资 助项目 ( 50878201 ) ; 十 一五 国家 科技支撑计划项目 ( 2007BAD 87B03, 2008BADC 4B00 ) 收稿日期: 2010 - 03- 01 修订日期: 2010- 04 - 04 ; 作者简介: 李英军 ( 1970~ ), 女, 硕 士研究 生, 主 要从事 环境保 护方 面的研究工作。 E m ai: l iyj1201 hot ai. com l @ m l

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金属和磷素的溶解释放, 提高其生物有效性, 对作物 生长产生双重影响。腐殖质的组成和结构是堆肥腐 熟的一个重要标志, 它可以影响堆肥产品的保水保 肥能力和环境中污染物的迁移转化特性
[ 2~ 4]

锯末和干草调 C /N 比 26 11、 水率 55 21 后于 含 % 静态堆肥反应器中进行堆肥 。 16 d 后一次发酵 完毕, 补水翻堆进行二次发酵, 40 d后二次发酵结 束, 于第 1 8 16 28及 40天采样。 、、 、 1 2 样品 DOM 提取制备 .
[ 17 ]



堆肥过程中, 有机物的转化是在堆肥物料表面 一层薄薄的液态膜中进行的, 有机物在溶于水后才

将所采集鸡粪堆肥样品按干重与双蒸水体积为 被微生物吸收利用。堆肥水溶性有机物 ( disso lved 1!10 ( W ( g ) /V ( mL ) ) 加 入双蒸水, 室温 条件下 organic m atter) 中包含大量堆料降解生成的小分子 200 r /m in 水 平 振 荡 提 取 24 h 然 后 4 ? 、 , 有机酸和水溶性腐殖质类物质。目前对堆肥过程小 [ 1, 4 ] 分子有机酸的研究主要集中在总酸 的测定上 , 而对于其中单个小分子有机酸的变化研究较少, 有 待进一步探索。由于带苯环氨基酸及腐殖质物质这 些荧光有机物的存在, 荧光光谱便可应用于堆肥物 质转化过程的研究, 当采用荧光光谱研究堆肥 DOM 物质结构特征时, 目前常用的解析手段是通过 DOM 荧光图谱中特征荧光峰峰位置和峰强度的变化进行 的。随着堆肥的进行, DOM 特征荧光峰的最大峰位 置一般会发生红移
[ 5~ 7]

12 000 r /m in下离心 20 m in 上清液过 0 45 m 的滤 , 膜, 滤液中的有机物即为 DOM。将滤液稀释 50倍 后待用。 1 3 样品分析测定 . 离子色谱测定仪器为美国戴安公司生产的 ICS 2000离子色谱仪, 其基 本参数如下: D ionex Ionpac AG11 H C ( 4 mm ) 阴离子保护柱, AS11 H C ( 4 mm ) 阴离子分离柱, EG40淋洗液发生器, ED40电化学检 测器 (美国戴安公司 ), Chrom e leon 6 5色谱工作站。 . 色谱 条件 为, 淋 洗 液: 淋 洗液 发 生器 产生 的 高纯 KOH 溶液; 流速: 1 00 mL / m in 柱温: 35 ? ; 抑制器 . ; 电流: 120 mA; 进样量: 25 L 。标准样品包括乙酸、 琥珀酸、 苹果酸、 草酸、 柠檬酸、 酒石酸及磷酸, 均为 色谱纯。使用时配制至所需浓度的标准溶液, 所有 溶液均使用 18 2 M # cm 的二次去离子水配制。 样品 TOC 在德 国耶 拿公 司 生产 的 m ult i N /C 2100型 TOC仪测定, COD 测定仪器为河北承德生 产的 COD 快速测定仪。 荧光光谱测定采用仪器为日本日立公司生产的 H itachi F 7000型荧光光度计, 样品测定时仪器 PMT

, 但其荧光强度的变化在不
[ 6~ 9]

同研究者的研究结果中却存在一定差异

, 这可

能与不同研究者所采用的堆肥物料来源不同有关, 因此, 采用一定的分析手段, 消除这种本底差异, 对 于科学合理的判断堆肥腐熟度具有重要意义。 有机物的 5日生化需氧量 ( BOD5 ) 与化学需氧 量 ( COD ) 之比 BOD5 /COD 是一个与有机物生化性 和稳定性有关的指标, 一般而言, 该值越大, 意味着 有机物结构愈稳定, 可生化性愈差
[ 11~ 14] [ 10]

。另一方面,

H udson等 研究证实, 三维荧光光谱中类蛋白 荧光峰强度与溶液 BOD5 存在显著相关, 但不同荧 光峰与 COD的相关性, 不同研究者的研究结果存在

[ 15] 电压: 700V; 狭缝宽带: Ex = 5 n Em = 5 nm; 响应 m; 一定的差异。郝瑞霞等 认为, 三维荧光光谱中所 有特征荧光峰强度之 和与有机 物 COD 存 在相关。 时间: 自动。三维 荧光光谱扫描 的激发波长 Ex = [ 16] 但王志刚等 的研究显示, 类蛋白荧光峰和类富里 200~ 450 nm, 发射波长 Em = 260~ 550 nm, 扫描速

酸荧光峰均与有机物 COD 存在显著相关, 并且这种 度设为 1 200 nm /m in。 相关性与有机质的来源有关。基于此, 本研究拟对不 同堆肥阶段 DOM 的 COD与荧光强度的相关性进行 了分析, 在此基础上建立一种新的堆肥腐熟表征指

2 结果与分析
2 1 堆肥过程中小分子有机酸及磷酸根变化分析

由于堆肥 DOM 中含有多种疏水性 污染物, 如 标。此外, 采用离子色谱, 对堆肥过程中典型小分子 油脂及表面活性剂等, 若不经过恰当处理 有机酸及磷酸的含量变化进行了跟踪分析, 以期为堆 腐殖质类、 会污染色谱柱, 引起色谱柱的柱效下降。因此, 在进 肥产品的安全利用及环境风险评价提供科学依据。

1 材料与方法
1 1 堆肥实验及样品采集 堆肥主要物料为鸡粪, 采集于北京某养鸡场, 用

样前使用 C18小柱对 DOM 样品进行预处理, 除去这 些疏水性物质。对不同堆肥阶段 DOM 中小分子有 机酸及磷酸的分析发现, 所有样品中均未检测到琥 珀酸和柠檬酸, 只在二次发酵过程中检测到了草酸,

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且其浓度 (分别为 2 36 m g /L和 1 68 mg /L )远远小 于其他能检测到的小分子有机酸和磷酸 ( 表 1)。
表 1 堆肥过程中小分子有机酸及磷酸含量变化 T ab le 1 Con ten t change of both s all mo lecu lar m organ ic acids and phosphor ic ac id dur ing composting
( m g /L) 时间 ( d) 乙酸 1 8 16 24 40 13 02 . 12 95 . 12 96 . 12 52 . 12 79 . 苹果酸 1170. 59 2112. 39 2097. 99 2055. 61 1036. 94 草酸 2. 36 1. 68 酒石酸 25. 14 54. 36 39. 59 43. 09 41. 58 磷酸根 5 62 . 7 44 . 11 21 . 9 97 . 6 04 . 总酸 1214 36 . 2187 13 . 2161 75 . 2123 55 . 1099 03 .

总有机碳 ( TOC) 只能表征有机物的综合含量, 难以 反映各类有机物各自组 成和含量的变化 。三维 荧光光谱是近年来发展起来的一门光谱分析技术, 它能够同时直观地给出有机质不同组分的荧光图谱 信息, 包括与微生物活动有关的类蛋白质类物质的 光谱信息和堆肥过程形成的腐殖质类物质的结构信 息
[ 5] [ 15]

。 在三维荧光光谱图, 目前常通过 DOM 特征荧

光峰位置和峰强度来判断堆肥腐熟度。图 1为堆肥 不同阶段 DOM 的三维荧光光谱图。根据前人报道 可知
[ 12]

, 荧光峰 T 1和 T2为类蛋白荧光峰, 荧光峰

在所分析的 7种酸中, 苹果酸的含量最高, 其浓 度均超过 1 000 m g /L。堆肥起始后 其浓度不断上 升, 至第 8 d达到最大浓度, 随后其浓度开始下降, 二次发酵结束达到最低。酒石酸在所分析的 7种酸 中含量居第二, 但其浓度远远小于苹果酸, 其浓度在 堆肥第 8 d达到最大, 随后开始下降, 但二次发酵后

A 和 C 分别为紫外区类富里酸峰和可见区类富里酸 峰。图 1及表 2显示, 堆肥过程 中 DOM 不同荧光 峰, 特别是紫外区类富里酸峰和可见区类富里酸荧 光峰的最大峰位置变化不大, 甚至随着堆肥的进行 部分发生了 蓝移, 与前人 的研究结果不 一致 , 可 能与采用的堆肥物料不同有关, 给通过峰位置变化 判断堆肥腐熟过程带来了挑战。当采用荧光强度变
[ 6]

其浓度有所上升, 至堆肥结束时其浓度 ( 41 58 m g / 化来判断堆肥腐熟度时, 可能由于样品来源不一致 L )又出现 下降, 但高 于起始 堆肥浓 度 ( 25 14 m g / 造成分析失败, 因为堆肥过程中荧光强度的变化, 由 L ); 乙酸的 浓度在所 分析的 7 种酸 中浓度 居于第 于其材料来源不同, 目前不同研究者的研究结论存 三, 在整个堆肥过程中其含量变化较小, 最大变化量 不超过 0 6 m g /L。含量紧跟乙酸之后的是磷酸根, 这是一种对作物生长发育具有重要意义的无机酸, 它可以提供植物生长所需的磷素, 其含量在堆肥起 始后不断升高, 至一次发酵结束后达到最大, 随后在 二次发酵过程中其浓度不断下降。将堆肥过程中能 检测到的 5种酸进行加和计算, 发现堆肥过程中所 分析有机酸和磷酸之和的变化经历了一个先增大后 在一定差 异
[ 6, 8, 9]

。为此, 有 必要根据相 关研究和

理论基础, 建立相应的数学分析方法, 来消除这种差 异, 提高堆肥物质转化荧光研究及腐熟度判断的准 确性。 2 2 2 与 COD 相关性分析 . . 表 2是不同堆肥阶段 DOM 的 COD与三维荧光 光谱中各峰强度变化的信息, 将其在 Spss16 0上进

行相关分析发现, 在三维荧光光谱中, 任何一个荧光 降低 的过 程, 最 大 峰值 出 现在 一 次发 酵 中 ( 第 8 峰的强度都未与 DOM 的 COD 达到显著相关, 但是, 天 ) , 堆肥结束时出现最低值。堆肥过程中小分子 不同堆肥阶段 DOM 的荧光峰峰强度之和却与 DOM 有机酸及 磷酸根 含量的 变化 研究 显示, 堆肥 前期 的 COD达到显著相关 ( 表 3) , 显示堆肥 DOM 中所 ( 第 8天 ) 是各种酸峰值出现的时期。这主要是由 于: 在堆肥的前期, 蛋白质、 糖类及脂类等简单有机 质在各种酶的作用下, 不断降解成各种小分子有机 酸, 含磷化合物被降解成各种磷酸盐, 在堆肥后期, 这些简单的有机物大部分被降解了, 剩下的是纤维 素、 半纤维素及木质素等一些难降解化合物, 致使小 分子有机酸和磷酸根的含量呈下降趋势, 在堆肥结 束时出现最低值。 2 2 堆肥过程荧光有机物变化分析 . 2 2 1 三维荧光光谱特征 . . 有荧光峰荧光强度之和与化学耗氧 量存在密切关 系。而 DOM 类蛋白荧光峰 ( T 1 和 T2 ) 与 BOD5 存 在显著相关, 因此, DOM 类蛋白荧光峰与各峰荧光 强度之和的比值可能提供类似 BOD5 /COD 与堆肥 物质转化和腐熟度有关的信息。 2 2 3 堆肥腐熟表征 . . 表 4是不同堆肥阶段 DOM 中各峰荧光强度与 总荧光强度比值变化, 从该变化趋势可以看出, 随着 堆肥的进行, DOM 中类蛋白荧光峰强度与总荧光峰 强度之比成下降趋势, 2 个类蛋白荧光峰该值分别

传统的有机物表征指标如化学需氧量 ( COD ) 、 从堆肥起始的 0 2535和 0 3345下降至二次发酵的

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图 1 鸡粪堆肥三维荧光光谱变化 F ig. 1 Changes of three di ensional exc itation e ission m m m atrix fluorescence spectroscopy dur ing co posting m 表 2 不同堆肥阶段 DOM 特征参数 Tab le 2
T1 时间 ( d) 1 8 16 28 40 强度 ( 激发波长, 发射波长 ) 强度 ( 激发波长, 发射波长 ) 强度 (激发波长, 发射波长 ) 强度 ( 激发波长, 发射波长 803 ( 310 n 405 n ) m, m 8754 9083 8301 8276 4110 T2

Som e param eter s of DOM during com posting
A C 总强度 TOC ( m g/L ) 44 76 . 55 97 . 46 70 . 32 30 . 15 37 . COD ( mg /L ) 109. 22 125. 06 75. 29 103. 37 35. 50

2219 ( 272 nm, 349 nm ) 2928 ( 224 nm, 361 nm ) 2804 ( 245 nm, 369 nm )

2257 ( 275 nm, 347 nm ) 2950 ( 226 nm, 357 nm ) 2617 ( 244 nm, 373 nm ) 1259 ( 319 n 415 nm ) m, 1964 ( 276 nm, 350 nm ) 2645 ( 226 nm, 362 nm ) 2528 ( 244 nm, 373 nm ) 1164 ( 319 n 410 nm ) m, 1818 ( 275 nm, 348 nm ) 2901 ( 224 nm, 358 nm ) 2655 ( 243 nm, 370 nm ) 902 ( 316 n 412 n ) m, m

3130 ( 243 nm, 371 nm ) 980 ( 312 nm, 409 nm )

注: 总强度为 T1 T2、 和 C 4个峰荧光峰强度之和 、 A

0 2338和 0 3088 在二次发酵结束时由于类蛋白峰 , 消失该值没进行研究。显示随着堆肥的进行, 有机 另一方面, 随着堆肥的进行, 与堆肥腐殖质有关的紫 外区类富里酸峰和可见去类富里酸峰峰强与总荧光 强度之比却不断上升, 分别从堆肥起始的 0 3203和 0 0918 上 升 至 堆 肥 二 次 发 酵 中 期 的 0 3414 和 0 116 在堆肥结束时, 代表结构简单的类蛋白类物 , 质的荧光峰基本消失, 其主要峰为与腐殖质有关的 类富里酸荧光峰, 显示随着堆肥的进行, 堆肥有机质

中腐殖质类物质含量不断增加, 稳定性增强。 堆肥是一个有机物不断矿化和腐殖化的过程, 堆肥有机质降解产生的各种微生物降解产物, 而紫 外区类富里酸峰和可见区类富里酸峰来自堆肥有机 质腐殖化形成的腐殖质类物质, 随着堆肥的进行, 有 机质不断降解, 微生物降解产物不断减少, 而腐殖质 类物质相对不断增多, 表现在三维荧光光谱光谱中, 就是类蛋白峰相对含量不断减弱, 而与腐殖质有关 的类富里酸峰荧光强度不断增强。

质可生化性不断降低, 稳定度增高, 即腐熟度加强。 在 DOM 的三维荧光 光谱图中, 类蛋 白峰主要来自

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李英军等: 鸡粪堆肥水溶性有机物转化特性 研究 表 3 不同荧光峰与 COD相关性分析 T ab le 3 Correlation analysis b et een COD and d ifferen t peaks w

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荧光峰 皮尔森相关系数 T1 双尾检验 皮尔森相关系数 T2 双尾检验 皮尔森相关系数 A 双尾检验 皮尔森相关系数 C 双尾检验 皮尔森相关系数 总强度 双尾检验 皮尔森相关系数 COD 双尾检验

T1 1

T2 0 440 . 0 560 .

A 0. 394 0. 606 0. 692 0. 308

C 0. 201 0. 799 - 0. 315 0. 685 - 0. 449 0. 448

总强度 0 930 . 0 070 . 0 635 . 0 365 . - 0 872 . 0 054 . 0 173 . 0 781 .

COD 0 605 . 0 395 . 0 947 . 0 053 . - 0 671 . 0 215 . 0 103 . 0 870 . 0 917* . 0 028 .

0 440 . 0 560 . 0 394 . 0 606 . 0 201 . 0 799 . 0 930 . 0 070 . 0 605 . 0 395 .

1

0 692 . 0 308 . - 0 315 . 0 685 . 0 635 . 0 365 . 0 947 . 0 053 .

1

- 0. 449 0. 448 - 0. 872 0. 054 - 0. 671 0. 215

1

0. 173 0. 781 0. 103 0. 870

1

0 917 . * 0 028 .

1

注: * 表示显著性水平为 0 05, 即 P < 0 05 水平

表 4 不同堆肥阶段 DOM 中各峰 荧光强度 与总 荧光强度比值变化 T ab le 4 Change of the f luorescen ce in ten sity radio of bet een each p eak and all p eak s during com posting w
时间 ( d) 1 8 16 28 40 T1 0 2535 . 0 2485 . 0 2366 . 0 2338 . T2 0. 3345 0. 3248 0. 3186 0. 3088 A 0. 3203 0. 2881 0. 3045 0. 3414 0. 7616 C 0 0918 . 0 1386 . 0 1402 . 0 1160 . 0 2384 .

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3 结



采用离子色谱和三维荧光光谱, 对鸡粪堆肥过 程水溶性有机物中小分子有机酸及荧光有机物的变 化研究显示: ( 1) 堆肥样品中苹果酸的 含量最高, 草酸的浓 度最低, 琥珀酸和柠檬酸未检测到。各种小分子有 机酸最大浓度出现在堆肥中期, 堆肥结束降至最低。 ( 2) 堆肥过程 DOM 三维荧光光谱中所有荧光 峰强度之和与样品 COD 达到显著相关, 单个荧光峰 峰强度与 DOM 的 COD未达到显著相关; ( 3) 堆肥过程有机质中类蛋白物质所占比例不 断降低, 而腐殖质类物质的所占比例却不断增高, 堆 肥腐熟度增强, 研究结果显示, 类蛋白荧光强度或类 富里酸荧光强度与总荧光强度之比可以有效表征堆 肥腐熟过程。

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第 4卷 38 ( 10):

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