3D-EEMs和PARAFAC解析土壤渗滤处理污水厂二级出水研究

利用三维荧光光谱（3D-EEMs）和平行因子分析（PARAFAC）的方法研究了土壤渗滤处理污水厂二级出水中氮、磷及溶解性有机物（DOM）的垂直分布特征。试验在一个中试规模的土壤渗滤系统中进行,反应器自上而下每隔30 cm设置一个采样口,采集的样品通过PARAFAC识别出系统不同点位的DOM具有4个荧光组分,包括2个类腐殖质物质（C1,C2）、2个类蛋白物质（C3,C4）。对荧光组分浓度得分F_max分析得出,C4代表的类色氨酸比其他3类物质更易于降解,即类色氨酸最易降解,其次为类富里酸、类胡敏酸类物质、类蛋白物质。四种组分的F_max变化幅度都以在0~30 cm处最大,表明此处生化反应最为剧烈,DOM的迁移转化速率最大。运用PARAFAC、主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）等手段,可以揭示土壤渗滤系统中DOM的来源和不同深度的变化规律。土壤渗滤系统在4 L·d-1的低负荷条件下处理污水处理厂二级出水,对TN和NO3-N的去除是不利的,后续可以耦合反硝化滤池等工艺强化反硝化脱氮,进一步提高氮素的去除率。土壤对磷的吸附尚未达到饱和的状态,保持了较高的TP去除效率。     

城市生活垃圾堆肥胡敏酸动态光谱特性研究

利用城市生活垃圾中降解部分,采用工厂化工艺进行堆肥,对堆肥过程中胡敏酸动态光谱特性进行了分析。结果表明,随着堆肥进行,胡敏酸在短波长的荧光强度明显降低,并且主体峰位置发生改 变,逐渐靠近土壤胡敏酸的主峰位置。红外光谱解析显示,胡敏酸结构中多糖类脂类等小分子化合物随着堆肥时间的延长而减少,而芳族类化合则呈增加的趋势。紫外扫描光谱进一步证实,在堆肥过程中 ,胡敏酸分子共轭作用、缩合度增加,腐殖化程度明显。但与土壤胡敏酸的E₄/E₆值、光谱特性比较表明,堆肥后的胡敏酸具有相对简单的分子结构,活性较高。     

不同比例有机无机肥配施条件下黑土富里酸荧光光谱特征

富里酸(FA)是土壤腐殖质的重要组成成分,是土壤腐殖化过程中的中间物质,其结构特性对提高土壤有机质具有重要的指示作用。有机无机肥配施是实现土壤培肥、秸秆资源利用、减少无机肥施用的有效措施。为探讨黑龙江省黑土区秸秆有机肥替代无机肥对土壤FA的影响,设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、有机肥替代无机氮肥25% (NPKM1)、有机肥替代无机氮肥50% (NPKM2)、有机肥替代无机氮肥75% (NPKM3)及有机肥替代无机氮肥100% (NPKM4)6个处理,测定土壤有机碳(SOC)和FA含量。利用荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)表征土壤FA的来源,腐殖化指数(HIX)指示土壤的腐殖化程度。采用三维荧光光谱-平行因子分析法,分析土壤FA的荧光组分及最大荧光强度(F_max),并利用冗余分析(RDA)探讨荧光强度、土壤有机碳和试验处理间的响应关系。结果表明：与NPK处理相比,有机无机肥配施处理均显著提高了SOC和土壤FA含量,其中对NPKM2处理影响最大,SOC含量提高8.06%,土壤FA含量提高13.84%。土壤FA受自生源和外生源共同作用的影响(FI>1.4,0.8F_max值先升高后降低,类蛋白质F_max值逐渐降低。NPKM2处理类富里酸和类胡敏酸的F_max值最高,类富里酸的相对百分比最高。RDA结果表明NPKM2处理对SOC、土壤FA含量和F_max值的影响最大。因此,基于土壤FA荧光光谱特性分析可知,为提高土壤有机质含量、增加秸秆利用率、减施无机肥,秸秆有机肥替代无机氮肥50%处理为最佳有机无机肥配比。     

微生物接种堆肥胡敏酸三维荧光特性研究

为提高堆肥效率,试验采用接种微生物堆肥技术,通过对堆肥样品中胡敏酸三维荧光光谱特性进行动态分析,探讨了微生物接种对堆肥腐殖化进程的影响。在堆肥初期,胡敏酸只产生一个类富里酸荧光峰(peak a,Ex/Em为330/440)。在堆肥的336 h,与对照(RUN_ck)相比,接种微生物堆肥(RUN_mic)胡敏酸三维荧光光谱中类富里酸特征峰(peak a,Ex/Em约为350/440)荧光强度明显减少,而类胡敏酸荧光峰(peak b,Ex/Em约为390/470)强度则略有增加;并且peak a和peak b对应的激发、发射波长均有一定程度的红移。胡敏酸元素分析表明,堆肥336 h,RUN_ck胡敏酸分子中C/H和O/C依次增加9.68%和10.91%;RUN_mic中胡敏酸C/H和O/C依次增加了11.11%和20.37%,表明RUN_mic中胡敏酸分子缩合度明显。以上结果证实,接种微生物可明加快堆肥腐殖化进程,进而提高堆肥效率。     

基于3D-EEMs和PARAFAC的土壤渗滤系统DOM垂直分布特征

利用三维荧光光谱(3D-EEMs)和平行因子分析(PARAFAC)的方法研究了土壤渗滤系统处理模拟高氨氮废水中溶解性有机物(DOM)的垂直分布特征。试验在一个中试规模的土壤渗滤系统中进行,反应器自上而下每隔30 cm设置一个采样口,采集的样品通过PARAFAC识别出系统不同点位的DOM具有四个荧光组分,包括两个类腐殖质物质(C1,C2)、2个类蛋白物质(C3,C4)。相关性分析显示,四种荧光组分与多数理化指标呈现极显著性正相关关系,可以用荧光组分浓度间接表征系统对氮、磷等营养元素的去除效果。对荧光组分浓度得分F_max分析得出,土壤渗滤系统中类酪氨酸最易降解,其次为类富里酸、类胡敏酸类物质,最难以降解的为类蛋白物质。     

小麦秸秆堆肥水溶性有机物的结构和组成演变

堆肥是小麦秸秆资源化利用重要的途径之一,然而目前关于秸秆单一物料堆肥的研究较少。水溶性有机物（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分,因此探讨DOM的演变特征可有效评价秸秆的腐熟过程。以小麦秸秆好氧堆肥过程中的DOM为研究对象,利用总有机碳、紫外-可见光光谱（UV-Vis）、三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）分析方法,阐明小麦秸秆堆肥过程中DOM的含量、结构和组成的演变特征。结果表明：堆肥过程中DOM的有机碳含量降低了23%,说明DOM是堆肥中活跃的有机质组分。值得注意的是,堆肥前期DOM微生物降解最为剧烈。UV-Vis谱图显示DOM光谱随堆肥进行不断降低,表明堆肥过程芳香族物质不断降解。EEM光谱显示出显著的荧光峰演变趋势,由堆肥前期较强的类蛋白荧光峰（D,E）演变为堆肥后期较强的类腐殖质荧光峰（H）,表明堆肥过程DOM的物质组成发生改变。通过光谱参数SUVA₂₅₄和HIX的观测,发现随着堆肥进行,DOM的芳香度和腐殖化程度呈现动态变化,整体呈增强趋势。由此可推测堆肥过程DOM降解的成分主要为非腐殖质,而腐殖质类物质的相对含量则不断提升、整体芳构化和腐殖化程度增加。EEM-PARAFAC进一步定量分析了DOM组分的演变特征。随着堆肥的进行,DOM中的类蛋白物质（C3）相对含量显著降低（~46%）,而类富里酸（C1）和类腐殖酸（C2）物质相对含量分别提高了45%和80%。DOM中的组成由堆肥初期的C1∶C2∶C3=41∶17∶42演变成堆肥后期的53∶27∶20。结果揭示出堆肥过程中类蛋白物质发生显著的降解,而类腐殖质则由于分子聚合生成作用和微生物降解速率较慢等因素逐渐演变成堆肥DOM的主要组分。相关性分析结果显示HIX与C1和C2均呈现极显著正相关（r=0.806~0.853）,表明腐殖化指数(HIX)可有效指示DOM的腐殖质物质组成。本研究结果可为进一步优化小麦秸秆堆肥条件,改善秸秆有机肥质量提供科学依据。     

纤维素菌体残留物提取类腐殖质的红外光谱研究

微生物驱动下,纤维素分解及转化在腐殖质形成中具有重要作用。采用红外光谱辅以元素分析的技术手段对单一真菌(木霉、青霉和黑曲霉)及复合菌液体摇瓶培养70 d后菌体残留物的类腐殖质(类胡敏酸HLA和类胡敏素)结构进行了分析对比。结果表明：(1)两技术手段的结合有助于菌体残留物HLA分子结构的阐明,然而在表征残留物类Hu结构方面,尚需进一步探讨;(2)木霉有利于其所形成菌体残留物HLA分子的缩聚作用,而青霉则更有利于该组分的降解;(3)青霉和复合菌对残留物HLA分子表现为氧化降解作用;(4)复合菌和黑曲霉均有助于培养液无机氮化合物向残留物HLA和类Hu组分中有机氮成分的转移,促使其氨基C含量增加,为腐殖化进程提供氮源。     

转基因棉花残体土壤降解特征的红外光谱研究

采用重铬酸钾容量法和红外光谱(FTIR)法分析了转基因抗虫棉花残体降解后的土壤腐殖质组分富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)的含量和结构特征.结果表明,棉花残体的降解使土壤各腐殖质组分含量增加,胡敏素的相对含量增加最大,胡敏酸次之,富里酸最小.与相应非转基因对照相比,转Bt基因棉花残体处理土壤各腐殖质组分含量...     

添加不同比例玉米秸秆对猪粪高温堆肥过程中胡敏酸的结构组成及红外光谱特性影响分析

以猪粪和玉米秸秆为原料高温堆肥,试验设置三个不同处理：C/N 15,C/N 25,C/N 35。堆肥周期为120天,其中通风周期为30天,采用强制连续式通风。在第0,22,30,60,90,120天取样,利用元素分析和红外光谱法研究不同木质素添加量对堆肥胡敏酸(HA)的组分及分子结构的影响。研究表明堆肥胡敏酸C的变化主要集中在堆肥前30 d,堆肥结束后,堆肥HA中O/C增大,H/C减小,N含量增加。不同处理之间低碳氮比(15)和高碳氮比(35)堆肥HA氧化程度要高于中碳氮比(25)。红外光谱吸收峰分析表明,不同木质素添加量处理堆肥过程中胡敏酸的红外光谱基本相似,但各峰吸收强度不同。研究表明堆肥腐熟化阶段更有利于堆肥HA中芳香性的增强。堆肥结束后,碳氮比15堆肥HA中多糖、脂肪类成分减少,芳香结构成分增加,相比较碳氮比25和35,碳氮比15堆肥HA腐殖化程度更高,结构更稳定。     

红外光谱法测定肥料施用26年土壤的腐殖质组分特征

采用红外光谱法探讨了有机肥以及有机肥与化学肥料配合施用26年对棕壤腐殖质及其组分富里酸和胡敏酸的结构变化。结果表明,采用红外光谱仪测定肥料施用对腐殖质及腐殖质组分富里酸和胡敏酸结构的影响是可行的。施肥26年后,不同处理肥料施用后腐殖质具有基本一致的结构;在某些特征峰吸收强度上有不同程度的差异,反映了不同肥料处理对土壤腐殖质的结构单元和官能团数量及组成有明显的影响。不同施肥处理胡敏酸也存在一些差别。红外光谱解析表明,与CK相比,施用有机肥或氮磷钾配合施用后,土壤腐殖质中小分子糖类物质减少,芳族类物质增加。试验结果证实,施用有机肥可明显增加土壤水溶性有机物芳构化程度。利用不同肥料处理腐殖质的红外光谱,可以判断土壤有机质的演变程度。     

不同接种方式对生活垃圾堆肥水溶性有机物荧光特性影响

为了筛选生活垃圾堆肥过程中最佳的复合菌剂接种方式,试验对堆肥起始接种、高温期接种、高温后接种、后腐熟接种和不接种菌剂五种不同接种方式下的生活垃圾堆肥过程中水溶性有机物(DOM)进行光谱分析,考察了生活垃圾堆肥中 DOM 组成随堆肥时间的变化规律.DOM 荧光光谱解析表明:随着堆肥时间的增加,五个不同处理堆体中的 DOM...     

不同辅料与生物沥浸深度脱水污泥混合堆肥中溶解性有机质的光谱特征研究

生物沥浸深度脱水污泥为主料,四种农林有机废物为辅料,设4个处理组(T1:污泥+甘蔗渣、 T2:污泥+秸秆、 T3:污泥+米糠、 T4:污泥+木屑)进行混合堆肥,采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEM),研究不同辅料堆肥过程中溶解性有机质(DOM)结构特征和组分含量的演化规律。UV-Vis结果显示,四个处理组在堆肥过程中DOM的芳香度和不饱和度皆有所增加,其中T3处理组的增加幅度最大。四个处理组的紫外参数SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀均呈现递增趋势,其中T3处理组的变化幅度高于其他三个处理组,表明芳构化程度加深,DOM分子量逐渐加大;E₂₅₃/E₂₀₃和E₂₅₃/E₂₂₀在堆肥结束时显著增加,表明DOM中苯环上的脂肪链发生氧化分解,转化为羧基羰基等官能团,A_226～400随堆肥进行增加而E₂₅₀/E₃₆₅减小,表明共轭程度增加。FTIR结...     

生活垃圾微生物堆肥水溶性有机物光谱特性研究

利用外源微生物(MS,ZJ)进行城市生活垃圾工厂化堆肥,在堆肥前后对水溶性有机物的紫外、红外、荧光光谱进行了分析,探讨外源微生物堆肥对水溶性有机光谱学特性的影响。结果表明,堆肥结束后,不同处理水溶性有机物紫外、红外、荧光光谱形状基本相似,但特征峰强度有明显区别。与CK相比,接种微生物处理堆肥后,水溶性有机物紫外光谱280 nm附近类肩峰明显减弱;红外光谱解析表明,水溶性有机物中小分子糖类物质减少,芳族类物质增加;荧光同步扫描光谱进一步证实,水溶性有机物中多环芳族类化合物增加,其荧光光谱特征峰与污泥中富里酸相似。试验结果证实,接种外源微生物可明显增加堆肥水溶性有机物芳构化程度,各处理芳构化程度依次为：MS+ZJ>ZJ>MS>CK。     

猪粪堆肥过程中水溶性有机物结构演变特征

水溶性有机物(DOM)所在的固-液交界面是化学反应和微生物活动最活跃的部分。DOM中存在具有氧化还原作用的含氧芳香性官能团,使得DOM能影响有机污染物和重金属污染物迁移与转化。堆肥物料猪粪含有丰富且有利于微生物生长的氮元素,其DOM结构变化可能具有一定的独特性。本研究选取8个不同阶段的猪粪堆肥样品,提取其中的DOM,利用紫外-可见光光谱和三维荧光光谱等现代光谱学方法,并结合基础理化指标解析猪粪堆肥DOM的结构和组分演变特征。在堆肥过程中可溶性有机碳和总有机碳分别降低了58.88%和16.30%,说明可溶性有机碳的降解速率要高于不可溶性有机碳。紫外-可见光光谱特征值SUVA₂₅₄,SUVA₂₈₀和E₂₅₃/E₂₀₃均随着堆肥过程呈现出逐渐增加的趋势,表明堆肥过程DOM芳香性升高,大分子有机质含量增大,芳环取代基中含氧基团增多。基于三维荧光光谱体积积分中类酪氨酸、类色氨酸和微生物代谢产物的百分比分别从15.96%,18.14%和25.45%降低至5.53%,11.27%和17.96%,而类胡敏酸和类富里酸的百分比则分别从17.67%和22.77%增加至20.62%和44.62%,这一方面是由于DOM中各有机质组分中类蛋白物质降解速率比类腐殖质物质快,另一方面是由于随着堆肥进行一部分类蛋白物质会转化为类腐殖质物质。研究结果可为调控生产稳定化、无害化的堆肥产品提供科学依据。     

基于投影寻踪的有机废弃物堆肥水溶性有机物荧光特性评价

水溶性有机物荧光特性是评价有机废弃物堆肥腐殖化程度的重要手段之一。针对现有方法大都局限于腐殖化程度的定性表征等问题,基于投影寻踪方法,该研究开展了堆肥腐熟程度分级评价的定量表征。通过对不同来源有机废弃物堆肥过程中样品水溶性有机物(DOM)荧光特性参数获取,采用统计分析表明,荧光参数I₄₃₆/I₃₈₃,FLR,P_HA/Pro,A₄/A₁,r_(A,C)两两之间显著相关(p<0.01),可作为综合评价指标。在此基础上,确定完全腐熟(Ⅰ级)、较腐熟(Ⅱ级)、基本腐熟(Ⅲ级)、未腐熟堆肥(Ⅳ级)4个腐熟等级荧光参数取值区间。模型运算得到各等投影值分别为2.01～2.22(Ⅰ级)、1.21～2.0(Ⅱ级)、0.57～1.2(Ⅲ级)、0.10～0.56(Ⅳ级)。模型验证证实,各样品的实际腐熟度等级与模型所得到腐熟与未腐熟样品的评价结果准确率为100%,因此,该评价方法对有机废弃物的实际堆肥具有重要的指导意义。