CN102928378A - 一种评价堆肥过程物质转化效率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种评价堆肥过程物质转化效率的方法，其主要步骤为：A)样品采集与水溶性有机物提取；B)水溶性有机物含量测定与浓度调整；C)特征紫外和荧光光谱参数测定；D)相似性分析；E)堆肥物质转化效率评价。本发明分析简单，技术要求低，评价所需时间短，能精确比较不同堆肥时日物质转化效率大小。
Description
技术领域
本发明属于固体废物处理与资源化技术领域，具体涉及一种通过不同堆肥时段水溶性有机物结构的相似性比较来评价堆肥物质转化效率的方法。
背景技术
堆肥是有机固体废弃物一种重要的资源化处理手段，在堆肥过程中，有机物发生矿化和腐殖化，生成二氧化碳和水，以及形成腐殖质类物质，最终达到稳定。堆肥工艺参数如温度、含水率、通气量、翻堆频率等，是影响堆肥物质转化效率的重要因素。堆肥过程物质转化效率的高低直接影响着堆肥成本：堆肥过程有机物转化效率高，腐熟周期短，不但能节省堆肥场地，还能降低堆肥所需动力成本；反之，堆肥过程有机质转化效率低，不仅会增加堆肥厂土建成本，还会增加单位堆肥产品的动力消耗成本。
在堆肥过程中，有机物发生降解，产生二氧化碳和水，形成腐殖质类物质，因此，可以通过堆肥材料体积和质量的减少速率、二氧化碳的生成量速率、氧气消耗量速率以及腐殖化合成速率来评价堆肥物质转化效率，但这些方法或测定过程复杂，或不能从微观结构精确揭示堆肥物质转化效率，无法为改善堆肥工艺提供精确的指导。
堆肥是一个有机物演化的过程，随着堆肥的进行，有机质不断发生降解和腐殖化，其相似性不断变差。因此，在间隔相同的两个堆肥时间里，有机质的相似性越高，表明堆肥物质转化效率越低，而有机质的相似性越差，表明堆肥物质转化效率越高。
堆肥过程有机物只有溶于水后，微生物才能利用，水溶性有机物(DOM)组成比固相有机物更能有效反映堆肥物质演化过程，因此，可以通过堆肥水溶性有机物结构变化来判断堆肥物质转化效率。现代光谱技术，如紫外-可见吸收光谱、红外光谱及荧光光谱，能够用来研究堆肥有机物组成，从微观揭示堆肥有机物结构特征。另一方面，多元统计分析如聚类分析，能够从统计学上揭示不同样品的相似性，因此，当把现代光谱技术和聚类分析结合起来，就可以比较不同堆肥时段有机物的相似性，进而判断堆肥物质转化效率。
发明内容
本发明的内容在于提供一种评价堆肥过程物质转化效率的方法，通过不同时日堆肥样品中水溶性有机物结构相似性的比较来评价堆肥过程物质转化效率。
为了实现上述目的，本发明提供的评价堆肥过程物质转化效率的方法，主要步骤为：
A)样品采集与水溶性有机物提取：堆肥过程中，以一定间隔时日采集堆肥样品，在堆肥样品中加水，震荡离心后取上清液过滤，制得水溶性有机物；
B)水溶性有机物含量测定：测定水溶性有机物中的碳浓度；
C)特征紫外和荧光光谱参数测定：
(1)测定水溶性有机物在254nm下的紫外吸收值，将其除以水溶性有机物中的碳浓度，得单位浓度水溶性有机物的特征紫外吸收值SUVA254；
(2)测定水溶性有机物在253nm和203nm下的紫外吸收值，计算其比值E253/E203；
(3)扫描水溶性有机物在254nm激发波长下的荧光发射光谱，计算发射光谱中435-480nm范围内的荧光积分面积与300-345nm范围内的荧光积分面积的比值A4/A1；
(4)扫描水溶性有机物样品一定波长差下250-600nm范围内的同步荧光光谱，计算250-308、308-363、363-600范围内各自荧光积分面积占总面积的比分比，记为PLR、FLR及HLR；
D)相似性分析：以不同堆肥时日样品的SUVA254、E253/E203、A4/A1、PLR、FLR及HLR为参数，进行变量聚类分析；
E)堆肥物质转化效率评价：在聚类分析中，相同时间间隔堆肥样品的距离值越大，则堆肥物质转化效率越高；反之，相同时间间隔样品的距离值越小，堆肥物质转化效率越低。
所述的方法中，步骤A中在堆肥样品中加水比例是堆肥干重固液比1g∶10ml。
所述的方法中，步骤A中加入的水是双蒸水。
所述的方法中，步骤A中的上清液过滤是采用0.45μ滤膜进行过滤。
所述的方法中，步骤B是将堆肥样品中水溶性有机物的碳浓度调至小于10mg/L后进行测定。
所述的方法中，步骤C中的第4步中所指的一定波长差为30nm。
所述的方法中，步骤D中的变量聚类分析是采用在统计软件SPSS上进行；聚类方法采用组间连接法，距离度量采用欧几里德距离的平方。
本发明具有如下优点：
(1)分析简单，技术要求低，评价所需时间短。样品采集完毕后，后续提取和分析过程简单，所需时间短，整个评价过程24小时内即可完成。
(2)能精确比较不同堆肥时日物质转化效率大小。由于在聚类分析所得图中，不同时日样品的相似性的大小可以数值表示出来，因此能精确判断不同堆肥阶段物质转化效率。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是生活垃圾堆肥过程不同时日有机质相似性分析；
图3是牛粪堆肥过程不同时日有机质相似性分析。
具体实施方式
本发明的技术方案如下：
(A)样品采集与水溶性有机物提取：堆肥过程中，以一定间隔时日采集堆肥样品，采集完后以固液比1(堆肥干重，g)∶10(双蒸水，ml)加双蒸水震荡4-10小时，离心后取上清液过0.45μ滤膜，制得水溶性有机物。
(B)水溶性有机物含量测定与浓度调整：测定堆肥水溶性有机物的碳浓度(DOC)，为避免因为碳浓度过高影响光谱测定结果，先将碳浓度调至小于10mg/L再进行紫外和荧光光谱参数的测定。
(C)特征紫外和荧光光谱参数测定：测定堆肥水溶性有机物在254nm下的紫外吸收值，并除以其DOC，得单位浓度水溶性有机物的特征紫外吸收值SUVA254；测定堆肥水溶性有机物在253nm和203nm下的紫外吸收值，计算其比值E253/E203。扫描水溶性有机物在254nm激发波长下的荧光发射光谱，计算发射光谱中435-480nm范围内的荧光积分面积与300-345nm范围内的荧光积分面积的比值A4/A1。扫描水溶性有机物样品一定波长差下250-600nm范围内的同步荧光光谱，计算250-308nm、308-363nm、363-600nm范围内各自荧光积分面积占总面积的比分比，记为PLR、FLR及HLR。
(D)相似性分析：以不同堆肥时日样品的SUVA254、E253/E203、A4/A1、PLR、FLR及HLR为参数，在SPSS上进行变量聚类分析。聚类方法采用组间连接法，距离度量采用欧几里德距离的平方。
(E)堆肥物质转化效率评价：在聚类分析图中，相同时间间隔堆肥样品的距离值越大，则堆肥物质转化效率越高；反之，相同时间间隔样品的距离值越小，堆肥转化效率越低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
实施例1
如图1所示，首先是堆肥样品采集与水溶性有机物提取。在北京一生活垃圾堆肥厂中，采集堆肥原料、堆肥7、14、21及51日的样品，分别标记为0d、7d、14d、21d、51d，以堆肥干重固液比1∶10(g/ml)往样品中加双蒸水，震荡8小时，离心后取上清液过0.45μ滤膜，制得堆肥水溶性有机物。
水溶性有机物含量测定与浓度调整：测定堆肥水溶性有机物的碳浓度(DOC)，将所有堆肥样品水溶性有机物的碳浓度均调至7.0mg/L后，进行特征紫外和荧光光谱参数测定。
特征紫外和荧光光谱参数测定：测定水溶性有机物在254nm下的紫外吸收值，并除以其DOC浓度，得单位浓度水溶性有机物的紫外吸收值SUVA254；测定堆肥水溶性有机物在253和203nm下的紫外吸收值，计算其比值E253/E203。扫描水溶性有机物在254nm激发波长下的荧光发射光谱，计算发射光谱中435-480nm范围内的荧光积分面积与300-345nm范围内的荧光积分面积的比值A4/A1。扫描水溶性有机物样品30nm波长差下250-600nm范围内的同步荧光光谱，计算250-308nm、308-363nm、363-600nm范围内各自荧光积分面积占总面积的比分比，记为PLR、FLR及HLR，具体数值见表1。
相似性分析：以不同堆肥时日的SUVA254、E253/E203、A4/A1、PLR、FLR及HLR值为参数，在统计软件SPSS16.0上进行变量聚类分析。聚类方法采用组间连接法，距离度量采用欧几里德距离的平方。
堆肥物质转化效率评价：如图2所示，堆肥起始0天和7天样品的相似性最小，显示在堆肥前7天物质转化效率最高，而堆肥的7天和14天有机质相似性最高，显示这一阶段有机物转化效率最低。堆肥的14天和21天有机物相似性居第二，显示这一阶段有机质转化效率也较低。堆肥的21天和51天有机质相似性较差，显示经过30天的堆肥，有机质发生了较大变化。在相同的堆肥时间内，堆肥起始7天物质转化效率最高，这与堆肥起始时大部分为易降解有机质，易发生降解导致堆肥效率较高有关，堆肥的7-14天正处于高温期，堆肥温度很高，微生物活动受到抑制，导致堆肥效率很低，而在堆肥的14-21天，易降解有机质大部分被降解，主要发生难降解有机物的腐殖化过程，导致堆肥效率也较低。堆肥的21和51天虽然有机质相似性性较差，但与这一时段时间间隔长(30天)有关。
实施例2
在河北某牛粪堆肥厂采集堆肥0、7、14、21及28日的样品，分别标记为0d、7d、14d、21d、28d，以堆肥干重固液比1∶10(g/ml)往样品中加双蒸水，震荡10小时，离心后取上清液过0.45μ滤膜，制得堆肥水溶性有机物。
水溶性有机物含量测定与浓度调整。测定堆肥水溶性有机物碳浓度(DOC)，将所有堆肥样品水溶性有机物的浓度均调至6.0mg/L后，进行特征紫外和荧光光谱参数测定。
特征紫外和荧光光谱参数测定。测定水溶性有机物在254nm下的紫外吸收值，并除以其DOC浓度，得单位浓度水溶性有机物的紫外吸收值SUVA254；测定堆肥水溶性有机物在253和203nm下的紫外吸收值，计算其比值E253/E203。扫描水溶性有机物在254nm激发波长下的荧光发射光谱，计算发射光谱中435-480nm范围内的荧光积分面积与300-345nm范围内的荧光积分面积的比值A4/A1。扫描水溶性有机物样品30nm波长差下250-600nm范围内的同步荧光光谱，计算250-308、308-363、363-600nm范围内各自荧光积分面积占总面积的比分比，记为PLR、FLR及HLR，具体数值见表1。
相似性分析：以不同堆肥时日的SUVA254、E253/E203、A4/A1、PLR、FLR及HLR值为参数，在SPSS16.0上进行变量聚类分析。聚类方法采用组间连接法，距离度量采用欧几里德距离的平方。
堆肥物质转化效率评价。如图3所示，堆肥起始0天和7天样品的相似性最小，显示在堆肥前7天物质转化效率最高，而堆肥的7和14天以及21和28天有机质相似性最高，显示这一阶段有机质转化效率最低。在相同的堆肥时间内，堆肥起始7天物质转化效率最高，这与堆肥起始时大部分为易降解有机质，易发生降解导致堆肥效率较高有关，堆肥的7-14天正处于高温期，堆肥温度很高，微生物活动受到抑制，导致堆肥效率很低，而在堆肥的21-28天，易降解有机质大部分被降解，主要发生难降解有机物的腐殖化过程，导致堆肥效率也较低。
表1 生活垃圾堆肥过程特征紫外与荧光光谱参数变化
表2 牛粪堆肥过程特征紫外与荧光光谱参数变化
Claims (7)
1.一种评价堆肥过程物质转化效率的方法，其主要步骤为：
A)样品采集与水溶性有机物提取：堆肥过程中，以一定间隔时日采集堆肥样品，在堆肥样品中加水，震荡离心后取上清液过滤，制得水溶性有机物；
B)水溶性有机物含量测定：测定水溶性有机物中的碳浓度；
C)特征紫外和荧光光谱参数测定：
(1)测定水溶性有机物在254nm下的紫外吸收值，将其除以水溶性有机物中的碳浓度，得单位浓度水溶性有机物的特征紫外吸收值SUVA254；
(2)测定水溶性有机物在253nm和203nm下的紫外吸收值，计算其比值E253/E203；
(3)扫描水溶性有机物在254nm激发波长下的荧光发射光谱，计算发射光谱中435-480nm范围内的荧光积分面积与300-345nm范围内的荧光积分面积的比值A4/A1；
(4)扫描水溶性有机物样品一定波长差下250-600nm范围内的同步荧光光谱，计算250-308、308-363、363-600范围内各自荧光积分面积占总面积的比分比，记为PLR、FLR及HLR；
D)相似性分析：以不同堆肥时日样品的SUVA254、E253/E203、A4/A1、PLR、FLR及HLR为参数，进行变量聚类分析；
E)堆肥物质转化效率评价：在聚类分析中，相同时间间隔堆肥样品的距离值越大，则堆肥物质转化效率越高；反之，相同时间间隔样品的距离值越小，堆肥物质转化效率越低。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A中在堆肥样品中加水比例是堆肥干重固液比1g∶10ml。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤A中加入的水是双蒸水。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤A中的上清液过滤是采用0.45μ滤膜进行过滤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤B是将样品中的水溶性有机物的碳浓度调至小于10mg/L后进行测定。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C)中的第4步中所指的一定波长差为30nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤D)中的变量聚类分析是采用统计软件SPSS进行；聚类方法采用组间连接法，距离度量采用欧几里德距离的平方。
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