专利名称：一种表征堆肥腐殖化程度的方法
技术领域：
本发明属于固体有机废弃物处理和资源化应用领域，具体涉及一种通过三维荧光光谱表征堆肥样品腐殖化程度大小的方法。
背景技术：
堆肥可实现有机固体废弃物的无害化处理和资源化利用，获得改良土壤所需的有机肥。在堆肥过程中，有机质一方面发生降解，另一方面进行着腐殖化作用，有机废弃物腐殖化程度的高低直接影响着堆肥产品质量和环境营养释放潜力，腐殖化程度高的堆肥结构稳定，能长期稳定释放其所固定的营养元素，不会降解产生污染周围环境的恶臭气体。
评价有机质腐殖化程度大小最常用的技术是电子自旋共振和13C-核磁共振法，但上述两种方法易受顺磁性金属如铁的干扰，当样品中含有顺磁性金属离子时，会导致分析失败。堆肥样品，特别是畜禽粪便、污泥堆肥样，含有包括顺磁性金属在内的多种重金属，不适合采用电子自旋共振和13C-核磁共振进行腐殖化程度研究。荧光光谱技术不受上述限制，可用来表征堆肥样品的腐殖化程度，目前通过固定激发波长为254nm，计算发射光谱中435-480nm区域内荧光强度积分面积与300_345nm波长范围内荧光积分面积的比值进行表征，该值越大显示样品腐殖化程度越高。但是，当堆肥有机物含有大量结构复杂物质，腐殖化程度较高，样品的荧光峰出现在激发波长大于254nm的范围内时，通过该方法计算堆肥腐殖化程度会出现较大误差。相对于发射光谱，三维荧光光谱进行全扫描，能提供有机物的全部荧光峰信息，包括结构简单的类蛋白峰和结构复杂的类富里酸峰和类胡敏酸峰，根据[Chen，W.，Westerhoff, P. , Leenheer, J. A. , Booksh, K. ,2003. Fluorescence excitation—emissionmatrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter.Environ. Sci. Technol. 37,5701-5710]的报道显示，在三维荧光光谱中，激发波长200-440nm、发射波长280_380nm范围内荧光为类蛋白类物质及可溶性微生物降解产物所产生，而激发波长200-440nm，发射波长380_550nm范围内荧光为类腐殖质物质所产生，因此，本发明利用三维荧光光谱所提供的有机物全部荧光峰信息，建立了一种表征堆肥有机物腐殖化程度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表征堆肥腐殖化程度的方法，利用堆肥水溶性有机物的所有荧光信息计算堆肥样品腐殖化程度，能更精确地反映堆肥样品腐殖化水平。为实现上述目的，本发明提供的表征堆肥腐殖化程度的方法，其主要步骤为A)取堆肥样品，加水震荡得到萃取液，离心后取上清液过滤膜，制得堆肥水溶性有机物样品溶液；B)将堆肥水溶性有机物样品溶液中有机碳含量调至0 < DOC < 10mg/L,进行三维荧光光谱测定并将数据导出，按发射波长每一相同间隔取一个点，获得三维荧光光谱矩阵数据；测定时激发波长为200-440nm，发射波长为280_550nm ；C)将获得的三维荧光光谱矩阵数据中，激发波长大于和等于发射波长范围内的数据赋值为0，将200nm <激发波长< 440nm，280nm <发射波长< 380nm范围内的数据进行加和计算，得到类蛋白物质总荧光强度和P ;将200nm <激发波长< 440nm，380nm <发射波长< 550nm范围内的数据进行加和计算，得到类腐殖质物质总荧光强度和H ；堆肥样品腐殖化表征参数值HIX = H/P，根据HIX大小可比较和评价堆肥样品腐殖化的程度。所述的方法，其中，步骤A中的滤膜为O. 45μπι滤膜。 所述的方法，其中，测定时三维荧光光谱的狭缝宽度为5或者10nm，扫描速度为500-1500nm/min,扫描过程中使用290nm的滤光片去除二次瑞利散射。所述的方法，其中，光谱扫描后将数据导出，发射波长每Inm取一个点。本发明具有如下优点I、精确度高。该方法基于堆肥有机物中不同复杂程度的有机物建立堆肥腐殖化表征参数，更加精确表征堆肥腐殖化程度。2、重复高，稳定性好，抗干扰能力强。表征堆肥有机物腐殖化的参数为三维荧光矩阵中类腐殖质物质所有荧光强度的加和与类蛋白物质所有荧光强度的加和之比，个别点出现误差对计算所得的最终腐殖化参数影响不大，分析结果的重复性高，稳定性好。
图I是牛粪堆肥过程两类腐殖化表征参数相关性分析图2是生活垃圾堆肥过程两类腐殖化表征参数相关性分析
具体实施例方式本发明公开了一种基于全部荧光峰信息的有机物腐殖化程度表征方法，其具体操作是采集堆肥样品，采集5-10g堆肥样品，以堆肥干重固液比I : 10(mg/ml)加入去离子水，150rmp震荡12_24h获得萃取液,4°C、IOOOOrpm离心IOmin,将上清液过O. 45 μ m滤膜，制得水溶性有机物。测定水溶性有机物样品的有机碳(DOC)含量并调至O < DOC < 10mg/L后，放入比色皿测定三维荧光光谱，光谱测定时激发波长设为200-440nm，发射波长设定为280-550nm，狭缝宽度均设为5或者10nm，扫描速度为500-1500nm/min，扫描过程中使用290nm的滤光片去除二次瑞利散射，光谱扫描后将数据导出，发射波长每Inm取一个点，获得一个266行X 25列的三维荧光光谱矩阵数据。将所获得的三维荧光光谱矩阵数据中激发波长大于和等于发射波长范围内的数据赋值为0，将200nm <激发波长< 440nm，280nm <发射波长< 380nm范围内的荧光矩阵数据进行加和，得到类蛋白物质总荧光强度和P，将200nm <激发波长< 440nm，380nm <发射波长< 550nm范围内的矩阵数据进行加和，得到类腐殖质物质总荧光强度和H，堆肥有机物腐殖化表征参数HIX = H/P，通过HIX值可以评价堆肥腐殖化程度大小。实施例I采集张家口某堆肥厂牛粪堆肥0、7、14、21、28及41天的样品各Sg，磨碎后各加入80ml去离子水，150rmp震荡16h获得萃取液,4°C、IOOOOrmp离心IOmin获得离心液,将离心液过0. 45 ii m滤膜，获得水溶性有机物样品。测定水溶性有机物样品的DOC并将溶液调至DOC = 7. Omg/L后，放入比色皿测定三维荧光光谱，激发波长设定为200-440nm，发射波长设定为280_550nm，狭缝宽度均设为IOnm,扫描速度为1500nm/min,扫描过程中使用290nm的滤光片去除二次瑞利散射,光谱扫描后将数据导出，发射波长每Inm取一个点，获得一个266行X25列的三维荧光光谱矩阵数据。
将所获得的三维荧光光谱矩阵数据中激发波长大于和等于发射波长的数据赋值为0，将200nm彡激发波长彡440nm，280nm彡发射波长< 380nm范围内的矩阵数据进行加和，得到类蛋白物质总荧光强度和P，将200nm彡激发波长彡440nm, 380nm彡发射波长(550nm范围内的矩阵数据进行加和，得到类腐殖质物质总荧光强度和H，HIX = H/P，计算获得堆肥0、7、14、21、28及41天的腐殖化参数值。固定激发波长为254nm，计算发射波长435-480nm区域范围内积分与300_345nm区域范围内积分的比值，获得已有腐殖化表征参数A4/A1。两类参数值具体如表I所示，相对于已有腐殖化表征参数A4/A1，本发明所测定的腐殖化参数HIX偏小，但结果稳定。由于通过A4/A1值表征有机质腐殖化参数未考虑到发射波长大于254nm以上的复杂有机物的荧光信息，当样品腐殖化程度很高时可能出现误差，而本发明所建立的表征参数弥补了上述缺陷，因此本发明计算所得的参数比已有方法计算所得参数更精确。图I为两种不同表征方法所测定的腐殖化参数的相关性分析，可以看出，两种方法所测的腐殖化表征参数达到了显著性相关(R = O. 961，P<0.01)，显示本方法表征腐殖化程度是完全可行的。实施例2采集北京阿苏卫生活垃圾堆肥厂堆肥0、7、14、21及41天样品10，磨碎后加入IOOml去离子水，150rmp震荡16h获得萃取液,IOOOOrmp离心IOmin获得离心液,将离心液过0. 45 ii m滤膜制得水溶性有机物样品。测定水溶性有机物样品的有机碳DOC含量并调至DOC = 6. Omg/L后，放入比色皿测定三维荧光光谱，激发波长设定为200-440nm，发射波长设定为280_550nm，狭缝宽度激发波长为IOnm,发射波长为IOnm,扫描速度为1500nm/min,扫描过程中使用290nm的滤光片去除二次瑞利散射，光谱扫描后将数据导出，发射波长每Inm取一个点，获得一个266行X 25列的三维荧光光谱矩阵数据。将所获得的三维荧光光谱矩阵数据中激发波长大于和等于发射波长的数据赋值为0，将200nm彡激发波长彡440nm, 280nm彡发射波长< 380nm范围内的矩阵数据进行加和，得到类蛋白物质总荧光强度和P，将200nm彡激发波长彡440nm, 380nm彡发射波长(550nm范围内的矩阵数据进行加和，得到类腐殖质物质总荧光强度和H，计算所得堆肥O、7、14、21及51天的腐殖化表征HIX参数如表2所示。固定激发波长为254nm，计算发射波长435-480nm波长范围内积分与300_345nm范围内积分的比值，获得传统腐殖化表征参数A4/Al如表2所示。相对于传统腐殖化表征参数A4/A1，本发明所测定的腐殖化表征参数偏小但结果稳定，随着堆肥时间延长呈稳定上升态势，由于通过A4/A1值表征有机质腐殖化参数，当有机物中在254nm下未出现荧光峰时会出现较大误差，而本研究所建立的方法不会出现上述问题。图2为两种不同方法所测定的腐殖化参数的相关性分析，可以看出，两种方法所测的腐殖化参数达到了显著行相关(R = O. 990, P < O. 01)，显示本研究方法表征堆肥腐殖化程度是可行的。表I :牛粪堆肥过程腐殖化程度变化
权利要求
1.一种表征堆肥腐殖化程度的方法，其主要步骤为 A)取堆肥样品，加水震荡得到萃取液，离心后取上清液过滤膜，制得堆肥水溶性有机物样品溶液； B)将堆肥水溶性有机物样品溶液中有机碳含量调至O< DOC < 10mg/L，进行三维荧光光谱测定并将数据导出，按发射波长每一相同间隔取一个点，获得三维荧光光谱矩阵数据； 测定时激发波长为200-440nm，发射波长为280_550nm ； C)将获得的三维荧光光谱矩阵数据中，激发波长大于和等于发射波长的数据赋值为O； 将200nm≤激发波长≤440nm, 280nm≤发射波长< 380nm的数据进行加和计算，得到类蛋白物质总荧光强度和P; 将200nm≤激发波长≤440nm, 380nm≤发射波长≤550nm的数据进行加和计算,得到类腐殖质物质总荧光强度和H ； 堆肥样品腐殖化表征参数值HIX = H/P，根据HIX大小可比较和评价堆肥样品腐殖化的程度。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，步骤A中的滤膜为O.45 μ m滤膜。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，测定时三维荧光光谱的狭缝宽度为5或者10nm，扫描速度为500-1500nm/min，扫描过程中使用290nm的滤光片去除二次瑞利散射。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，光谱扫描后将数据导出，发射波长每Inm取一个点。
全文摘要
一种表征堆肥腐殖化程度的方法取堆肥样品，加水震荡得到萃取液，离心后取上清液过滤膜，制得堆肥水溶性有机物样品溶液；将堆肥水溶性有机物样品溶液进行三维荧光光谱测定并将数据导出，按发射波长每一相同间隔取一个点，获得三维荧光光谱矩阵数据；将三维荧光光谱矩阵数据中激发波长大于和等于发射波长的数据赋值为0，将200nm≤激发波长≤440nm，280nm≤发射波长＜380nm范围内的数据进行加和计算，得到类蛋白物质总荧光强度和P；将200nm≤激发波长≤440nm，380nm≤发射波长≤550nm范围内的数据进行加和计算，得到类腐殖质物质总荧光强度和H；根据H/P值大小可比较和评价堆肥样品腐殖化的程度。
文档编号G01N21/64GK102636466SQ201210072658
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者何小松, 姜永海, 安达, 席北斗, 杨昱, 白顺果 申请人:中国环境科学研究院