基于光谱色谱分析热解温度对沼渣生物炭DOM组成特性的影响

焦宇欣， 李东阳， 龚天成， 常燕青， 孙孟阳， 全文洁， 杨天学*， 王 铭

1.贵州民族大学生态环境工程学院， 贵州 贵阳 550025

2.中国环境科学研究院， 北京 100012

3.维尔利环保科技集团股份有限公司， 江苏 常州 213125

我国餐厨垃圾、市政污泥、畜禽粪便及农作物秸秆等有机固废产生量巨大，对环境污染严重[1-2]. 据统计，截至2020年，我国城市污泥的产生量突破6.0×107t，预计到2022年将达到8.9×107t[3]；农作物秸秆的产生量更是高达9.0×108t[4]；畜禽粪便产生量达到3.8×109t[5]；餐厨垃圾产生量突破2.0×108t，年增长速率超过10%[6-7]. 有机固废长期未得到合理利用和处理，不仅会占用大量土地，而且在堆积过程中可能变质，进而污染土壤和地下水. 厌氧发酵技术具有减少固废体积、产生沼气、杀灭病原菌等优点，已成为我国有机固废处理的主要方式之一[8]. 但是厌氧发酵技术在产生沼气等清洁能源的同时，也会产生大量沼渣，目前我国每处理1 t有机固废最多可产生0.5 t沼渣[9]，如何对沼渣进行减量化处理成为一大难题. 近几年来，由于厌氧工程的迅速推广，导致发酵残余物沼渣产生量急剧增加[10]. 沼渣处理不及时会对环境产生二次污染，因此沼渣的合理化处理和利用对我国厌氧发酵工程的可持续发展具有重要意义. 热解具有减少沼渣体积、杀死病原菌、切断疾病传染源等优点，并且通过热解技术可以将沼渣转化为生物炭、生物油和热解气资源产物，且热解产物生物炭是一种高效的环境修复材料，已广泛应用于土壤和水环境中重金属吸附、有机污染物吸附等领域[11]，因此热解已成为沼渣减量化和资源化的有效处理方式之一[12-13].

生物炭应用到环境中会产生溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)，由于其稳定性较差且其表面含有多种活性官能团，会影响土壤中重金属和有机污染物的迁移转化，由此带来新的生态环境风险[14]；DOM甚至会与水体污染物发生络合反应，影响水体中污染物的迁移并改变水体的pH[15]；但在产生环境风险的同时也可为环境带来益处，生物炭DOM在土壤环境中可增加土壤碳通量，为微生物和植物提供更多的生物养分[14,16-17]. Jin等[17]研究了DOM对生物炭吸附菲的影响，结果显示，在吸附过程中DOM的类腐殖酸组分与菲的络合受到DOM芳香簇结构的影响，芳香簇结构越大、结合位点越多，络合能力就越强，从而影响生物炭对菲的吸附效果. Huang等[18]研究发现，DOM能与Cd、Cu发生络合作用，使重金属的表面形态发生变化，DOM中的羧基和酚基优先与Cd络合，腐殖质组分中的羧基与Cu发生络合反应，进而影响生物炭在土壤改良和修复重金属污染土壤方面的环境效应. 因此，生物炭DOM结构的变化直接影响着生物炭的环境效应[19-20]，了解生物炭DOM的结构特征对于分析生物炭环境修复效果具有重要意义.

尽管已有学者对不同温度下生物炭DOM的特性进行了相关研究，但关于不同温度下沼渣生物炭中DOM的特性鲜见报道，亟需开展相关研究. 通过对沼渣生物炭DOM进行光谱和色谱分析，可以得到DOM的诸多理化性质和结构特征.目前，紫外-可见光谱、三维荧光光谱结合体积积分法或平行因子法、反相高效液相色谱、尺寸排阻色谱等光谱和色谱分析等方法，由于选择性强、分析效率高、灵敏度高和取样少等诸多优点，已被广泛应用于DOM的相关特性研究中[21]. Uchimiya等[22]利用荧光光谱结合平行因子分析技术揭示了生物炭DOM中含有类富里酸以及酚醛类和其他水溶性芳香物质. 有学者通过紫外可见光谱分析了水环境中秸秆DOM的变化，发现随着秸秆分解周期的增加，其分子量逐渐增大，芳香性逐渐增大[23]. Li等[24]利用反相高效液相色谱和尺寸排阻色谱，获得了城市污水DOM中蛋白质和腐殖质的分子量以及极性演化特征.

因此，该研究以厌氧发酵后的沼渣生物质为原料，在300～700 ℃热解条件下制备一系列沼渣生物炭，采用紫外-可见光谱、三维荧光光谱和反相高效液相色谱对沼渣生物炭的DOM结构进行表征，以期为评估沼渣生物炭DOM的环境效应提供一定参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试沼渣生物质原料取自北京市通州区台湖镇董村综合处理厂，主要元素组成——N(2.99%)、C(25.81%)、H(3.64%)、S(0.57%)、O(26.14%)，工业分析结果——水分(0.51%)、灰分(44.22%)、挥发分(51.42%)、固定碳(3.85%).

1.2 试验设计

1.2.1生物炭制备

将采集的沼渣室外晾晒48 h，并在40 ℃的烘箱中烘干24 h，再用破碎机粉碎，并过100目(0.150 mm)筛，置于干燥器中备用. 采用管式马弗炉进行热解试验，称取60 g样品放置在石英舟中，以高纯氮气(99.99%)为保护气体，以5 ℃/min的速率进行升温，热解终温分别为300、400、500、600、700 ℃，并在设定温度下保持2 h，最后在氮气环境下降至室温，将制得的沼渣生物炭研磨，并过100目(0.150 mm)筛，置于干燥器中备用. 热解制备后的沼渣生物炭标记为ZBC300、ZBC400、ZBC500、ZBC600、ZBC700.

1.2.2DOM的提取和测定

生物炭DOM是指可以通过0.45 μm筛孔且能溶解于水、酸、碱或盐溶液，具有不同大小和结构的有机分子混合体[25]. DOM的提取方法：称取沼渣生物炭1 g置于锥形瓶中，加入20 mL超纯水，密封后置于恒温摇床振荡器中，在20 ℃、150 r/min下振荡24 h，取悬浮液置于高速离心机中，在 15 000 r/min下离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，将DOM提取液盛于棕色瓶中，4 ℃保存，待测. 生物炭DOM的含量一般用溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)的浓度来描述，滤液中的DOC浓度采用总有机碳测定仪(TOC5000A，日本岛津公司)测定.

1.3 分析方法

1.3.1紫外-可见光谱测定

DOM提取液的吸光度通过紫外-可见光光度计(UV-2600，日本岛津公司)测定，以超纯水为空白，用10 mm的石英比色皿在200～550 nm范围内扫描，波段间隔为1 nm. 测定后，计算稀释液在254和280 nm处的吸光值与总有机碳(total organic carbon，TOC)浓度的比值，分别记为SUVA254和SUVA280，并分别计算其在265 nm与465 nm、220 nm与254 nm处的吸光度比值，分别记为E2/E4和E220/E254. 一般用254 nm 处的单位有机碳含量的吸光度(SUVA254)表征DOM的芳香度，其数值越大，代表芳香性越强[26]；用280 nm处的单位有机碳含量的吸光度(SUVA280)表征DOM的分子量，其数值越大，代表分子量越大[27]. E220/E254用于表征DOM的极性，其值越高，表示DOM极性越小.

1.3.2三维荧光光谱测定

三维荧光光谱技术具有灵敏度高、选择性好、不破坏样品的优点[24]，通过激发波长(λEx)和发射波长(λEm)来获得荧光强度信息，是一种高效实用的光谱指纹识别技术[2,28]. 根据Chen等[29]提出的关于三维荧光光谱不同代表性区域的分类，将图谱中相似物质的荧光峰划分为5个区域：① Ⅰ区，λEx/λEm=200～250 nm/280～325 nm；② Ⅱ区，λEx/λEm=200～250 nm/325～375 nm；③ Ⅲ区，λEx/λEm=200～250 nm/375～550 nm；④ Ⅳ区，λEx/λEm=250～450 nm/280～375 nm；⑤ Ⅴ区，λEx/λEm=250～450 nm/375～550 nm. Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区与类蛋白物质有关，分别对应类色氨酸、类酪氨酸和可溶性微生物降解产物；Ⅲ区和Ⅴ区与类腐殖质物质有关，分别对应类富里酸和类胡敏酸.

三维荧光光谱分析采用Hitachi F-7000 型荧光光度计(日立公司，日本)，对提取后的DOM样品溶液进行荧光光谱扫描. 以超纯水为空白，在10 mm的石英比色皿中测量，仪器具体参数：扫描速率为120 nm/min；间隔时间为0.1 s；λEx为200～450 nm(带宽5 nm)；λEm为250～600 nm(带宽5 nm). 为消除荧光内滤作用，所有DOM样品的DOC浓度稀释至10 mg/L后再进行分析.

1.3.3反相高效液相色谱测定

反相高效液相色谱法具有快捷、简便、灵敏度高及引用广泛等特点，根据不同化合物的疏水特性使其得到分离，广泛应用于环境中物质的分离测定[30-31]. 反相高效液相色谱法适用于分离带有不同疏水基团的化合物，即非极性基团的化合物[31]. 物质的停留时间越短，其亲水性越强，极性越大.

使用配备美国安捷伦Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)色谱柱的反相高效液相色谱仪，流动相为95%乙酸铵和5%乙腈混合液，流速为1 mL/min，进样量为20 μL，检测器波长为254和280 nm.

2 结果与讨论

2.1 沼渣生物炭DOM中溶解性有机碳含量

不同热解温度下制备的沼渣生物炭DOM中DOC含量变化如图1所示. 由图1可见，热解温度分别为300、400、500、600、700 ℃时，DOC含量分别为33.2、2.6、1.0、0.8和0.7 mg/g，随着热解温度的升高，DOC含量呈指数下降趋势，其中DOC的削减主要发生在热解温度为300～400 ℃之间，占总削减量的94.2%，400～500 ℃之间的削减比例为4.9%，500 ℃ 以后DOC含量下降不明显. 这说明热解温度达到400 ℃时可使DOM中DOC含量显著降低，可能是由于热解温度低于400 ℃时，随着热解温度的上升，生物质中不稳定的有机化合物不断进行分解和转化，保留了更稳定的有机碳，因此DOC的释放量呈指数下降趋势[32-33]. 当热解温度大于400 ℃时，生物炭炭化明显，生物炭中纤维素、半纤维素等原不稳定有机组分含量降低，稳定组分占主导，DOC的释放不明显[32].

图1 不同热解温度下沼渣生物炭DOM中DOC的释放特征

2.2 沼渣生物炭DOM光谱学特性

2.2.1沼渣生物炭DOM紫外-可见光谱分析

紫外-可见光谱能有效地反映生物炭DOM的相关分子结构、单位浓度的吸收值或特定波长吸收值之间的比值等指标[34]. 对沼渣生物炭DOM进行紫外-可见光谱分析，计算其SUVA254、SUVA280和E220/E254，结果见表1.

表1 不同热解温度下沼渣生物炭DOM紫外-可见光谱特性

随着热解温度的升高，SUVA280和SUVA254均呈先增加后减少的变化趋势. 当热解温度从300 ℃升至400 ℃时，SUVA280由0.76增至0.99，SUVA254由1.05增至1.42，增幅分别为30.3%和35.2%，表明DOM的芳香性增加，分子量增大. 这是因为在低温(≤400 ℃)热解阶段，沼渣生物质中易分解大组分(纤维素和半纤维素)快速分解，生成芳香化合物，从而使DOM中芳香性结构增加[32]. 沼渣生物炭的产率(见图2)分析也能充分体现上述结果，在低温(≤400 ℃)阶段，沼渣生物炭的产率快速下降，由88.9%降至65.1%，纤维素和半纤维素快速热解，纤维素、半纤维素及其降解产物之间发生环化聚合反应生成芳香化合物[35]；木质素在此热解区间内芳香环之间较多侧链发生断裂，加快了酚类物质的产生，所以在300～400 ℃热解区间内沼渣生物炭DOM中芳香性物质增加[36]. DOM的芳香物质中含有羧基、苯酚等有机官能团，可通过氧化还原等化学反应改变重金属在环境中的存在形态，进一步改变其毒性及生物有效性[37].

图2 不同热解温度下沼渣生物炭产率

随着热解温度的进一步升高，SUVA280和SUVA254逐渐减小，SUVA280由0.99降至0.04，SUVA254由1.42降至0.07，降幅分别为96.0%和95.1%，表明DOM中芳香性组分含量降低，分子量减小. 这是因为，随着热解温度的进一步升高，沼渣生物质主要发生分子转化和成环反应，在低温下分解产生的芳香化合物进一步分解，同时重新成环发生炭化反应，导致物质芳香性降低，分子量下降[38].

2.2.2沼渣生物炭DOM三维荧光光谱分析

三维荧光光谱技术通过激发波长(λEx)和发射波长(λEm)来获得荧光强度信息，对多组分复杂体系中荧光光谱重叠的对象进行光谱识别和表征[39]. 三维荧光光谱图的分析方法参照文献[40].

沼渣生物炭的三维荧光光谱如图3所示，可以看出，随着温度的逐渐升高，沼渣生物炭DOM的荧光中心逐渐发生变化. Ⅰ区代表类色氨酸物质，在低温(≤400 ℃)条件下其峰值强度不明显，从500 ℃开始逐渐出现荧光峰，在600～700 ℃热解区间内形成荧光中心，说明类色氨酸物质含量随着热解温度的升高而逐渐增加. Ⅱ区代表类酪氨酸物质，在500～600 ℃热解区间内形成较明显的荧光峰，说明类酪氨酸物质主要存在于500～600 ℃热解区间内，较低和较高的热解温度均不利于生成类酪氨酸物质. Ⅲ区代表类富里酸物质，在低温(≤400 ℃)条件下出现了较明显的荧光峰，在高温(>400 ℃)条件下其荧光强度逐渐减小，但是存在明显的荧光峰. Ⅳ区代表可溶性微生物降解产物，在低温热解(≤400 ℃)条件下没有形成较明显的荧光峰，500 ℃时其荧光强度达到最高并形成了明显的荧光峰，在600～700 ℃热解区间内，其荧光强度逐渐减小，说明可溶性微生物降解产物存在于整个热解区间内，但是随着热解温度的升高，其含量逐渐降低. Ⅴ区代表类胡敏酸物质，随着热解温度的升高，类胡敏酸物质的荧光强度呈先增强后减弱的趋势，分别在300、400和500 ℃形成了荧光中心，其中400 ℃时其荧光强度达到最高；从600 ℃开始其荧光峰逐渐减小，到700 ℃时消失，说明类胡敏酸物质含量在300～500 ℃热解区间内最高.

图3 沼渣生物炭DOM三维荧光光谱图

为了更好地评价不同热解温度下沼渣生物炭DOM的变异性，该研究对其组分进行区域体积积分，分析各区域所代表物质在降解过程中的变化情况，分别用C1(类色氨酸)、C2(类酪氨酸)、C3(类富里酸)、C4(可溶性微生物降解产物)和C5(类胡敏酸)表示.

热解温度为300～700 ℃时沼渣生物炭DOM中5种组分的荧光强度积分分布如图4所示. 由图4可见，300～700 ℃热解区间内，随着热解温度的逐渐升高，C1物质荧光强度积分逐渐增大，由2.16%增至20.09%，增长了830.09%；在低温热解(≤ 400℃)条件下，其荧光强度积分变化不明显，与上述三维荧光光谱谱图结果一致. C2物质荧光强度积分变化较小，由5.41%增至13.31%，增长了146.03%，说明类酪氨酸物质含量在沼渣生物炭DOM中较低，其荧光强度积分受热解温度影响较小. C3物质荧光强度积分呈先减后增的趋势. C4荧光强度积分呈先增后减的趋势. C5物质相对于其他4种物质的变化较为明显，随热解温度的升高，其荧光强度积分逐渐降低，由56.81%降至19.93%，降低了64.92%，降幅较大；在低温热解(≤400 ℃)条件下，类胡敏酸物质荧光强度积分占总荧光强度积分的1/2以上，是沼渣生物炭DOM的主要物质，也与上述三维荧光光谱结果分析一致. C3和C5代表类腐殖质物质，从图4可以看出，在整个热解区间(300～700 ℃)内类腐殖质占比较大，是沼渣生物炭DOM的主要荧光物质.

图4 沼渣生物炭DOM 5种组分的荧光强度积分

2.3 沼渣生物炭DOM反相高效液相色谱分析

沼渣生物炭DOM在254和280 nm波长处的反相高效液相色谱分析结果如图5所示，其中254 nm处吸光度代表了沼渣生物炭DOM中的芳香物质.

由图5(a)可见，在254 nm处有4个极性峰，分别代表4种芳香物质，保留时间分别为1.8、2.7、3.5和7.0 min. 在同一热解温度下，A1物质的停留时间最短，是亲水性最强的物质，极性也最强. 一般情况下，极性越高的物质，其腐殖化指数(HIX)越高，表明A1物质含有更多的缩聚芳香结构. D1物质的停留时间最长，是极性最弱、疏水性最强的芳香物质. 随着热解温度的升高，4种芳香物质的响应强度逐渐减小，极性逐渐减弱，这可能是由于生物炭中的极性官能团(如羧基、羟基等)减少，疏水性逐步增强[41]，其中B1物质的响应强度变化最为明显.

当热解温度(≤500 ℃)较低时，DOM中含有的芳香性物质以B1为主，A1、C1和D1物质的峰强度变化不明显；当热解温度升高时(>500 ℃)，DOM中含有的芳香性物质以A1为主，B1物质的峰强度在600 ℃时骤然减弱，C1和D1物质的峰强度基本保持不变. 但从总体来看，B1物质的峰强度变化最为明显. 在同一热解温度下A1的极性较B1大，说明随着热解温度的升高，生物炭DOM极性变大，亲水性增强.

280 nm波长处代表沼渣生物炭DOM中的醌基物质. 由图5(b)可见，在280 nm处生物炭DOM有5个极性峰，分别代表5种醌基物质，保留时间分别为1.8、2.4、2.8、3.5和7.0 min. 其中，A2是亲水性最强的物质，E2是疏水性最强的物质. 随着热解温度的升高，5种醌基物质的响应强度逐渐减小. 与254 nm处的芳香物质相比，4种醌基物质的出峰时间与芳香物质重合，说明醌基结构赋存在芳香结构中.

图5 254和280 nm波长处沼渣生物炭DOM反相高效液相色谱图

在300 ℃时，DOM中含有的醌基物质以B2为主，其他4种物质的峰强度变化不明显；从400 ℃开始，DOM中含有的醌基物质以B2和C2为主，但是C2物质的峰强度低于B2物质；在500 ℃时，A2物质的峰强度逐渐增大，但尚远低于B2和C2物质；从600 ℃开始，DOM中含有的醌基物质逐渐以A2为主，其他4种物质的峰强度逐渐减小；700 ℃时，从峰强度来看，醌基物质以A2、C2和D2为主，但是随着热解温度的升高，5种醌基物质的响应强度均逐渐减弱，但峰强度相差不大. 从总体来看，B2物质的峰强度变化最为明显，E2物质的峰强度基本无明显变化. Jin等[17]研究发现，生物炭DOM与菲的络合会受到芳香物质的影响，DOM中的芳香物质越多，其与菲络合的结合位点就越多，络合能力也越强. 这是因为，DOM对菲的吸附主要是以孔隙吸附为主，DOM中的微孔更容易被菲分子接近[17,37]；同时，DOM中的芳香结构促使DOM与疏水性有机质结合进而形成致密的类胶体结构，导致疏水性有机污染物的表面水溶性增强[17,37].

生物炭中含有醌、芳香环等多种官能团，使其具有存储和传递电子的能力，研究分析生物炭DOM中的芳香物质和醌基物质也有利于分析生物炭的氧化还原能力，对环境中重金属、有机污染物的去除具有积极意义[42-43].

3 结论

a) 热解温度影响沼渣生物炭DOM产率. 随着热解温度升高，DOM产率逐渐降低，其中热解温度大于400 ℃时DOM产率显著降低.

b) 热解温度影响沼渣生物炭DOM的芳香性和分子量. 随着热解温度升高，沼渣生物炭DOM的芳香性和分子量先增后减，400 ℃时均达到最大.

c) 热解温度影响沼渣生物炭DOM的组成. 热解温度低于400 ℃时，DOM主要由类胡敏酸组成；随着热解温度升高，类胡敏酸组分含量逐渐降低，类色氨酸、类酪氨酸和类富里酸含量逐渐升高，温度越高，类富里酸占比越大.

d) 热解温度影响沼渣生物炭DOM的极性和亲水性. 随着热解温度升高，DOM极性逐渐变大，亲水性逐渐变强；DOM中含有4种芳香性物质和5种醌基物质，其中4种醌基结构物质赋存在芳香结构中.