CN107290320A - 一种测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，涉及一种测定堆肥过程物质演变的方法。本发明为有机废弃物堆肥腐殖酸的演变提供了一种新的表征方法。步骤：一、堆肥样品采集、腐殖酸样品溶液制备；二、三维荧光光谱扫描；三、采用Matlab的DOMFluor工具包对三维荧光光谱数据进行PARAFAC分析；四、采用2DCOS分析PARAFAC结果输出的各采样时间腐殖酸组分的Ex loadings数据，通过2DCOS分析输出腐殖酸各荧光组分在堆肥过程中具体变化情况。本发明方法所需样品量少、可详细得出腐殖酸组分各荧光峰具体变化情况，操作更是容易简单、用时少，且可精细的分析各荧光组分中各荧光峰在堆肥过程中的演变情况。

Description

一种测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法

技术领域

本发明涉及一种堆肥腐殖酸变化表征方法。

背景技术

以堆肥的方式处理有机废弃物，可将废弃物中不稳定的物质经微生物的作用形成具有性质稳定、对农作物无害化的堆肥产品，使废弃物实现资源化。然而，在堆肥过程中细菌主要利用堆肥物料中的有机质转化为腐殖酸类物质，因此，对堆肥过程中腐殖酸类物质的命运的表征就显得十分重要。

由于堆肥过程中物质的变化较为复杂，同时堆肥物料中腐殖酸类物质的组成也不均一。因此，对堆肥过程中腐殖酸类物质演变的表征具有一定难度。目前，表征堆肥物料中腐殖酸的动力学较为先进的方法为EEM-PARAFAC分析方法，可将堆肥中腐殖酸划分为几个组分，通过比较各组分的百分比变化来表征组分在堆肥过程中的变化情况；但该方法缺点在于，EEM-PARAFAC分析出的腐殖酸组分大多含有两个荧光峰，因此仅凭借各组分百分比变化并未能在细节上表征腐殖酸真实的变化情况。

发明内容

本发明为表征堆肥过程中腐殖酸类物质演变表征提供了一种新的更加准确的方法，该方法结合着EEM-PARAFAC分析，使得表征更加准确，同时可以精确到每个荧光物质。

本发明一种基于EEM-PARAFAC/2DCOS的堆肥过程中腐殖酸类物质演变表征方法按以下步骤进行：

一、分别在不同时期获取堆肥含有腐殖酸类物质的水溶液，得到溶解性有机物水溶液；

二、加水调节溶解性有机物水溶液至水溶液中DOC浓度统一，再进行三维荧光光谱扫描，并导出数据；

三、将堆肥中溶解性有机物(DOM)的三维荧光光谱数据粘贴于DOMFluor工具包中的fl.csv文件，进行PARAFAC分析确定腐殖酸荧光组分，并提取各腐殖酸类物质荧光组分Exloadings数据；

四、对不同时期各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据进行2DCOS分析，输出同步与异步结果图谱；

五、解析2DCOS结果图谱，并结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化，可分析出腐殖酸类物质的具体变化情况及关系，即可得出获知堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程。

本发明方法评价结果精准，且可精细到每个荧光峰的变化情况以及各荧光峰在堆肥过程中演变情况，而且所需样品量少，操作更是容易简单、用时少。本发明利用三维荧光光谱结合平行因子分析输出各腐殖酸荧光组分的Ex loadings数据，再采用二维相关光谱表征堆肥过程腐殖酸类物质各组分的演变情况，能够清楚的测定出不同有机废弃物堆肥过程中各种腐殖酸类物质的演变情况。

附图说明

图1为实施例1EEM-PARAFAC分析输出的各时期腐殖酸类物质荧光组分的Exloadings结果图。

图2是实施例1中堆肥腐殖酸类物质各时期荧光组分的Ex loadings数据的二维相关光谱分析结果。

图3是实施例1中堆肥腐殖酸类物质各时期各荧光组分的Ex loadings数据之间的异质二维相关光谱分析结果。

具体实施方式一：本实施方式测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法按以下步骤进行：

一、分别在不同时期获取堆肥含有腐殖酸类物质的水溶液，得到溶解性有机物水溶液；

二、加水调节溶解性有机物水溶液至水溶液中DOC浓度统一，再进行三维荧光光谱扫描，并导出数据；

三、将堆肥中溶解性有机物(DOM)的三维荧光光谱数据粘贴于DOMFluor工具包中的fl.csv文件，进行PARAFAC分析确定腐殖酸荧光组分，并提取各腐殖酸类物质荧光组分Exloadings数据；

四、对不同时期各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据进行2DCOS分析，输出同步与异步结果图谱；

五、解析2DCOS结果图谱，并结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化，可分析出腐殖酸类物质的具体变化情况及关系，即可得出获知堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程；

其中，步骤五中解析2DCOS图谱的规则依据为：

1)同步二维相关光谱结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化进行分析，a、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现正值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；b、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现负值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；

2)异步二维相关光谱中，若交叉峰与同步二维相关光谱相同时，则表明该荧光组分中横坐标所对应的荧光峰的变化要先于纵坐标所对应的荧光峰(视主对角线左上方的交叉峰而言)，否则横坐标所对应的荧光峰的变化后于纵坐标所对应的荧光峰；

3)二维异质相关光谱的同步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰的处两个物质来源相同；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰处的两个物质来源不同；

4)二维异质相关光谱的异步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在物质变化过程中要先于该交叉峰纵坐标所代表的物质；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在变化过程中要后于该交叉峰纵坐标所代表的物质。

EEM-PARAFAC分析输出的堆肥过程中腐殖酸类物质荧光组分的Ex loadings结果因其各平行因子组分中多数存在两个荧光峰，所以凭借EEM-PARAFAC分析输出的堆肥过程中腐殖酸类物质各荧光组分的变化情况仅能反映出各腐殖酸类物质荧光组分整体变化情况，不足以在细节上表征其变化情况，无法反映实际腐殖酸类物质的演变过程。本实施方式方法利用2DCOS结合EEM-PARAFAC分析输出的荧光组分，对腐殖酸各荧光组分的演变过程进行分析，可得到更多的DOM的演变细节。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中将溶解性有机物水溶液的DOC浓度统一调至10mg/L。其它步骤及参数与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤二中三维荧光光谱的扫描速度为1200nm/min，狭缝宽度设置为5nm。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤三中PARAFAC分析的DOMFluor工具包在Matlab R2013a软件中执行。其它步骤及参数与实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤四中将同一堆肥时间各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据分别粘贴入各自的excel中并按时间顺序排列，再保存为.csv文件。其它步骤及参数与实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤四中2DCOS分析在2D Shige 1.3软件中执行。其它步骤及参数与实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤四中2DCOS分析第一步执行各腐殖酸荧光组分自身的同步二维相关光谱和异步二维相关光谱。其它步骤及参数与实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤四中2DCOS分析第二步执行各荧光组分之间的异质同步二维相关光谱和异质异步二维相关光谱。其它步骤及参数与实施方式七相同。

实施例1

对采自上海松江固废综合处理厂堆肥进行堆肥腐熟过程中的腐殖酸类物质演变进行测定。

一、分别在不同时期获取堆肥含有腐殖酸类物质的水溶液，得到溶解性有机物水溶液；

二、加水调节溶解性有机物水溶液至水溶液中DOC浓度统一调至10mg/L，再进行三维荧光光谱扫描，三维荧光光谱的扫描速度为1200nm/min，狭缝宽度设置为5nm；并导出数据；

三、将堆肥中溶解性有机物(DOM)的三维荧光光谱数据粘贴于DOMFluor工具包中的fl.csv文件，进行PARAFAC分析在Matlab R2013a软件中执行，确定腐殖酸荧光组分，并提取各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据；

四、对不同时期各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据进行2DCOS分析，将同一堆肥时间各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据分别粘贴入各自的excel中并按时间顺序排列，再保存为.csv文件；用2D Shige 1.3软件进行2DCOS分析，第一步执行各腐殖酸荧光组分自身的同步二维相关光谱和异步二维相关光谱；第二步执行各荧光组分之间的异质同步二维相关光谱和异质异步二维相关光谱；并输出同步与异步结果图谱；

五、解析2DCOS结果图谱，并结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化，可分析出腐殖酸类物质的具体变化情况及关系，即可得出获知堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程。

本实施例EEM-PARAFAC分析输出的各时期腐殖酸类物质荧光组分的Ex loadings结果如图1所示。

从EEM-PARAFAC分析输出结果可以看出，在堆肥过程中1-28d腐殖酸类物质分为四个荧光组分，其荧光组分分别为Component C1-4。在堆肥35d以后DOM分为四个荧光组分，其荧光组分分别为Component C2-5。从图1中可以看出，各腐殖酸类物质荧光组分均含有两个或两个以上的荧光峰。各荧光组分中荧光峰对应峰位置以及各荧光峰的命名见表1。各腐殖酸类物质荧光组分二维相关光谱结果如表2所示。

表1

表2

2DCOS分析

提取不同时期各腐殖酸类物质(DOM)荧光组分Ex loadings数据进行2DCOS分析。

2DCOS图谱解析方法如下：

1)同步二维相关光谱结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化进行分析，a、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现正值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；b、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现负值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；

2)异步二维相关光谱中，若交叉峰与同步二维相关光谱相同时，则表明该荧光组分中横坐标所对应的荧光峰的变化要先于纵坐标所对应的荧光峰(视主对角线左上方的交叉峰而言)，否则横坐标所对应的荧光峰的变化后于纵坐标所对应的荧光峰；

3)二维异质相关光谱的同步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰的处两个物质来源相同；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰处的两个物质来源不同；

4)二维异质相关光谱的异步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在物质变化过程中要先于该交叉峰纵坐标所代表的物质；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在变化过程中要后于该交叉峰纵坐标所代表的物质。

通过对二维相关光谱以及二维异质相关光谱进行读谱结合PARAAFC组分相对含量变化分析，本实施例得出各腐殖酸类物质荧光组分在此堆肥过程中的变化情况为:平行因子组分C1的相对含量在堆肥过程中呈现下降趋势，其组分中荧光峰B1和B2也均呈现下降趋势。平行因子组分C2的相对含量在堆肥过程中呈现下降趋势，其组分中荧光峰T1和T2在堆肥过程中的变化呈现相反的趋势，荧光峰T1下降，荧光峰T2上升。平行因子组分C3的相对含量在堆肥过程中呈现上升趋势，但其组分中荧光峰A1在堆肥过程中变化不明显，荧光峰M1和M2在堆肥过程中的变化呈现相反的趋势，荧光峰M1下降荧光峰M2上升。平行因子组分C4的相对含量在堆肥过程中呈现上升趋势，其组分中荧光峰A2和C在堆肥过程中的变化呈现相反趋势，荧光峰A2下降，荧光峰C上升。平行因子组分C5的相对含量在堆肥过程中呈现上升趋势，其组分中荧光峰L1在堆肥过程前期中逐渐形成，后又有所分解，其降解产生的碎片帮助平行因子荧光峰C形成，平行因子组分C5中荧光峰L2在堆肥过程中上升。荧光组分C1的B1峰在堆肥过程中被降解，其产生的碎片帮助平行因子荧光峰T2、M2、C、L2形成；荧光组分C1的B2峰在堆肥过程中被降解，其产生的碎片帮助平行因子荧光峰M2、C、L2形成；荧光组分C2的T1峰在堆肥过程中被降解，其降解产生的碎片帮助平行因子荧光峰M2、C、L1形成；荧光组分C3的M1峰在堆肥过程中被降解，其降解产生的碎片帮助平行因子荧光峰T2、L1形成；荧光组分C4的A2峰在堆肥过程中被降解，其降解产生的碎片帮助平行因子荧光峰T2、L2形成；荧光组分C5的L1峰在堆肥过程前期中逐渐形成，后又有所分解，其降解产生的碎片帮助平行因子荧光峰C形成。在堆肥过程中，被降解的荧光峰的降解顺序为：M1→B2→B1→A2→T1→L1；被积累形成的荧光峰的形成顺序为：M2→C→T2→L2。明确了堆肥过程中各腐殖酸类物质的演变过程。

Claims (9)

1.一种测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

一、分别在不同时期获取堆肥含有腐殖酸类物质的水溶液，得到溶解性有机物水溶液；

二、加水调节溶解性有机物水溶液至水溶液中DOC浓度统一，再进行三维荧光光谱扫描，并导出数据；

三、将堆肥中溶解性有机物的三维荧光光谱数据粘贴于DOMFluor工具包中的fl.csv文件，进行PARAFAC分析确定腐殖酸荧光组分，并提取各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据；

四、对不同时期各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据进行2DCOS分析，输出同步与异步结果图谱；

五、解析2DCOS结果图谱，并结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化，可分析出腐殖酸类物质的具体变化情况及关系，即可得出获知堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程。

2.根据权利要求1所述的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤二中将溶解性有机物水溶液的DOC浓度统一调至10mg/L。

3.根据权利要求1所述的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤二中三维荧光光谱的扫描速度为1200nm/min，狭缝宽度设置为5nm。

4.根据权利要求1所述的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤三中PARAFAC分析的DOMFluor工具包在Matlab R2013a软件中执行。

5.根据权利要求1所属的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤四中将同一堆肥时间各腐殖酸类物质荧光组分Ex loadings数据分别粘贴入各自的excel中并按时间顺序排列，再保存为.csv文件。

6.根据权利要求1所属的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤四中2DCOS分析在2D Shige 1.3软件中执行。

7.根据权利要求1所属的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤四中2DCOS分析第一步执行各腐殖酸荧光组分自身的同步二维相关光谱和异步二维相关光谱。

8.根据权利要求7所属的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤四中2DCOS分析第二步执行各荧光组分之间的异质同步二维相关光谱和异质异步二维相关光谱。

9.根据权利要求1所述的测定堆肥过程中腐殖酸类物质演变过程的方法，其特征在于步骤五中解析2DCOS图谱的规则依据为：

1)同步二维相关光谱结合PARAFAC荧光组分的相对含量变化进行分析，a、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现正值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；b、若PARAFAC荧光组分的相对含量上升，且二维相关光谱中PARAFAC荧光组分的中各荧光峰的交叉峰呈现负值，表明该荧光组分中各荧光峰均呈现上升趋势；

2)异步二维相关光谱中，若交叉峰与同步二维相关光谱相同时，则表明该荧光组分中横坐标所对应的荧光峰的变化要先于纵坐标所对应的荧光峰，否则横坐标所对应的荧光峰的变化后于纵坐标所对应的荧光峰；

3)二维异质相关光谱的同步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰的处两个物质来源相同；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰处的两个物质来源不同；

4)二维异质相关光谱的异步相关光谱中交叉峰若为正峰，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在物质变化过程中要先于该交叉峰纵坐标所代表的物质；若交叉峰为负值，则表明该交叉峰对应的横坐标所代表的物质在变化过程中要后于该交叉峰纵坐标所代表的物质。