CN109758782A - 一种快捷提取堆肥水溶性有机物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种快捷提取堆肥水溶性有机物的方法,包括:将堆肥样品冷冻干燥后粉碎得到堆肥样品粉末;在一容器内将所述堆肥样品粉末与水混合均匀得到混合液;在所述容器内通入氮气后密封,将所述容器置于恒温振荡器中进行振荡;将振荡后的所述混合液进行离心处理,得到包含堆肥水溶性有机物的上清液。本发明所提取的堆肥水溶性有机物的量、结构和组分与一般方法提取出的堆肥水溶性有机物相同,却大大缩短了提取时间,产物达到较高纯度。本发明所述方法操作简单,对仪器设备要求低,提取过程友好、快捷,具有非常好的可推广性和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种快捷提取堆肥水溶性有机物的方法。
背景技术
堆肥是一个生物转化有机质的过程,有机质一部分被降解为二氧化碳和水,另一部分转化为腐殖质。堆肥主要分为三个阶段:升温期、高温期和腐熟期。在堆肥的升温期,微生物优先分解易被降解的脂肪、糖类和蛋白质等有机物,并获得能量和营养物维持自身生长发育,随着反应的进行堆体温度逐渐升高进入高温阶段。在堆肥高温阶段,易降解有机质被降解完毕,难降解有机质开始被降解,同时开始形成腐殖质。当堆体有机质减少,不足维持微生物的生长,堆肥温度开始降低,进入腐熟阶段。在堆肥腐熟阶段主要是腐殖质形成和堆肥稳定化过程。
由于堆肥过程中大部分反应发生在固-液交界面,因此堆肥水溶性有机物是堆肥有机质中最活跃的部分,也是微生物最容易接触反应的有机质。所以提取堆肥水溶性有机物研究其变化能反映堆肥有机质的转化进程和堆肥稳定性。目前提取堆肥水溶性有机物主要是常温下用纯水提取,该方法提取时间较长,不能及时反应堆肥过程中有机质的变化和堆肥稳定化程度。因此,寻找一种方法,既能够快速地提取堆肥水溶性有机物,又不破坏堆肥水溶性有机物结构和组分,从而快捷提取纯化堆肥水溶性有机物是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快捷提取与纯化堆肥水溶性有机物的方法,缩短堆肥水溶性有机物的提取时间,以期为研究堆肥水溶性有机物的来源、组分和结构提供技术支撑。
为实现本发明的目的,本发明提供一种快捷提取堆肥水溶性有机物的方法,其步骤包括:
将堆肥样品冷冻干燥后粉碎得到堆肥样品粉末;
在一容器内将所述堆肥样品粉末与热水混合均匀得到混合液;
在所述容器内通入氮气后密封,将所述容器置于恒温振荡器中进行振荡;
将振荡后的所述混合液进行离心处理,得到包含堆肥水溶性有机物的上清液。
在一些实施例中,所述堆肥样品选自污泥堆肥、生活垃圾堆肥和畜禽养殖粪便堆肥中的一种或多种,例如市政污泥堆肥、猪粪堆肥等。采集深度为20~30cm,例如24cm、26cm、28cm等。
在一些实施例中,将堆肥样品进行冷冻干燥时,温度为-50℃以下,例如-54℃以下,干燥时间为24-120h,例如36h、48h、60h、72h、84h、96h、10gh等。冷冻干燥的次数可以为一次或多次,直至含水率低于0.1w/w%。然后通过粉碎或研磨等方式将冻干后的堆肥样品研磨至50-200目过筛,例如80目、100目、120目、140目、160目等,优选为100目。(黄色标记的数值表示扩大了范围以扩大保护范围,请确认是否必要和是否合理,可在此基础上进一步修改,实施例中的具体数值需在此范围内有所变化)
在一些实施例中,热水与堆肥样品粉末的混合比例为5ml∶1g-20ml∶1g,例如10ml∶1g、15ml∶1g,热水的温度为55-65℃,例如56℃、57℃、58℃、59℃、60℃、62℃等,并且优选超纯水。
在一些实施例中,通入氮气的时间为10-30min,例如15min、20min、25min等,恒温振荡器的温度为55-65为℃,例如56℃、57℃、58℃、59℃、60℃、62℃等,振荡速率为200-250r/min,例如210r/min、220r/min、230r/min、240r/min等,振荡时间为2-5h,例如3h、3.5h、4h等。
在一些实施例中,离心温度为0-10℃,例如2℃、4℃、6℃、8℃等,离心速率为8000-12000r/min,例如9000r/min、10000r/min、11000r/min等,离心时间为8-15min,例如10min、12min、15min等。
在一些实施例中,所述方法还包括将堆肥水溶性有机物纯化的步骤,包括:利用微滤膜过滤所述上清液,并收集滤液;将所述滤液进行冷冻干燥得到堆肥水溶性有机物固体。
在一些实施例中,所述微滤膜的孔径为0.3-0.5μm,例如0.35μm、0.4μm、0.45μm等。
在一些实施例中,将所述滤液进行冷冻干燥时,温度为-50℃以下,例如-54℃以下,干燥时间为24-120h,例如36h、48h、60h、72h、84h、96h、108h等。冷冻干燥的次数可以为一次或多次,直至含水率低于0.1w/w%。
与现有技术相比,本发明的方法不仅能够便捷快速地提取堆肥水溶性有机物,而且能够保持堆肥水溶性有机物的性质不被破坏,从而缩短堆肥水溶性有机物提取时间,并且本发明的产物能够达到较高纯度。
另外,本发明方法操作简单,对仪器设备要求低,提取过程友好、快捷,具有非常好的可推广性和应用价值。
附图说明
图1A-图1C为一般方法提取堆肥水溶性有机物和本发明方法提取堆肥水溶性有机物的紫外-可见光谱图。
图2为一般方法提取堆肥水溶性有机物和本发明方法提取堆肥水溶性有机物的三维荧光光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一些实施例中,堆肥样品为市政污泥堆肥、生活垃圾堆肥和猪粪堆肥共3种堆肥样品,采集深度均为20~30cm;
采集堆肥样品后需要进行预处理,具体步骤为:首先,将不同物料堆肥样品在-54℃以下真空干燥至含水率低于0.1%;然后将堆肥样品用玛瑙研钵研磨100目,过筛;最后收集过筛样品,备用。
将上述预处理后的堆肥样品分别按照本发明的方法和常规方法进行水溶性有机物,参见以下的实施例和对比例。
实施例1
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后污泥堆肥样品20g放入250ml玻璃锥形瓶中,取200ml超纯水水浴加热至60℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在60℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气15min,在此条件下以250r/min转速振荡4h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至4个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心10min,用锥形瓶收集上清液,再用50ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例1
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后污泥堆肥样品20g放入250ml玻璃锥形瓶中,取200ml超纯水倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入振荡器以250r/min转速振荡24h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至4个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心15min,用锥形瓶收集上清液,再用50ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
实施例2
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后生活垃圾堆肥样品10g放入250ml玻璃锥形瓶中,取100ml超纯水水浴加热至57℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在57℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气12min,在此条件下以250r/min转速振荡3.5h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至2个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心10min,用锥形瓶收集上清液,再用20ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例2
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后生活垃圾堆肥样品10g放入250ml玻璃锥形瓶中,取100ml超纯水倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入振荡器以250r/min转速振荡24h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至2个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心15min,用锥形瓶收集上清液,再用20ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
实施例3
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后猪粪堆肥样品5g放入250ml玻璃锥形瓶中,取50ml超纯水水浴加热至55℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在55℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气10min,在此条件下以200r/min转速振荡3h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至2个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下10000r/min转速下离心12min,用锥形瓶收集上清液,再用20m1注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例3
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后猪粪堆肥样品5g放入250ml玻璃锥形瓶中,取50ml超纯水倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入振荡器以250r/min转速振荡24h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至2个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下10000r/min转速下离心12min,用锥形瓶收集上清液,再用20ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例4
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后污泥堆肥样品20g放入250ml玻璃锥形瓶中,取200ml超纯水水浴加热至40℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在60℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气15min,在此条件下以250r/min转速振荡4h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至4个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心10min,用锥形瓶收集上清液,再用50ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例5
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后污泥堆肥样品20g放入250ml玻璃锥形瓶中,取200ml超纯水水浴加热至80℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在60℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气15min,在此条件下以250r/min转速振荡4h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至4个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心10min,用锥形瓶收集上清液,再用50ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
对比例6
1)堆肥水溶性有机物提取:称预处理后污泥堆肥样品20g放入250ml玻璃锥形瓶中,取200ml超纯水水浴加热至60℃后倒入250ml玻璃锥形瓶混匀,混合液放入恒温水浴振荡器中并控制温度维持在60℃,用氮吹仪往装有混合液的锥形瓶中通氮气5min,在此条件下以250r/min转速振荡4h;
2)堆肥水溶性有机物纯化:将混合液分装至4个50ml聚四氟乙烯离心管中,在4℃下11000r/min转速下离心10min,用锥形瓶收集上清液,再用50ml注射器抽取上清液过0.45μm滤膜,用聚四氟乙烯瓶收集滤液,滤液是提取出的堆肥水溶性有机物,冻干处理,得到固体粉末,即为纯化的堆肥水溶性有机物。
表1实施例和对比例中的DOC浓度
编号 | 实施例 | 对比例 |
1 | 1192±50(mg/L) | 1129±40(mg/L) |
2 | 896±20(mg/L) | 952±20(mg/L) |
3 | 1038±40(mg/L) | 1105±40(mg/L) |
4 | - | 525±40(mg/L) |
5 | - | 1228±50(mg/L) |
6 | - | 755±40(mg/L) |
结果分析:将上述滤液经过总有机碳(TOC)分析仪测定其可溶性有机碳(DOC)浓度,结果如表1所示。结果表明,采用本发明所述方法的实施例1-3与采用一般方法的对比例1-3提取堆肥水溶性有机物的DOC浓度无显著差异,说明本方法提取的堆肥水溶性有机物的量与一般方法提取的量相同。对比例4-6表明,将本发明所述方法中的水温或通氮气时间改变后,DOC浓度与实施例1或对比例1存在较为明显的差异,说明本发明通过优化实验条件确保了良好的提取效果。
将实施例1-3纯化后的堆肥水溶性有机物用超纯水稀释至DOC=10mg/L,进行紫外-可见光光谱扫描,对比例1-3提取堆肥水溶性物也同样处理,紫外-可见光光谱如图1A-图1C所示,两者无明显区别,这表明本方法提取的堆肥水溶性有机物与一般方法提取的水溶性有机物结构相同。
将实施例1-3纯化后的堆肥水溶性有机物用超纯水稀释至DOC=5mg/L扫描其三维荧光光谱,对比例1-6提取的堆肥水溶性有机物也按照同样处理,结果如图2所示,实施例1-3和对比例1-3的荧光光谱图类似,而将本发明所述方法中的水温或通氮气时间改变后,对比例4-6的荧光光谱图与实施例1相比出现较为明显的差异,说明本方法提取纯化的堆肥水溶性有机物与一般方法提取的堆肥水溶性有机物组分相同,这表明本发明提取纯化出的堆肥水溶性有机物的量、结构和组分与一般方法提取出的堆肥水溶性有机物相同,同时本发明可以明显缩短堆肥水溶性有机物提取时间,所需的时间减少20h以上,因此,显著提高了提取效率。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快捷提取堆肥水溶性有机物的方法,其特征在于,包括:
将堆肥样品冷冻干燥后粉碎得到堆肥样品粉末;
在一容器内将所述堆肥样品粉末与热水混合均匀得到混合液;
在所述容器内通入氮气后密封,将所述容器置于恒温振荡器中进行振荡;
将振荡后的所述混合液进行离心处理,得到包含堆肥水溶性有机物的上清液。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述堆肥样品选自污泥堆肥、生活垃圾堆肥和畜禽养殖粪便堆肥中的一种或多种,采集深度为20~30cm,例如24cm、26cm或28cm。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,将堆肥样品进行冷冻干燥时,温度为-50℃以下,干燥时间为24-120h,例如36h、48h、60h、72h、84h、96h或108h,冷冻干燥的次数为一次或多次,直至含水率低于0.1w/w%。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述堆肥样品粉末的规格为50-200目过筛,例如80目、100目、120目、140目或160目。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述热水与堆肥样品粉末的混合比例为5ml∶1g-20ml∶1g,例如10ml∶1g、15ml∶1g,所述热水的温度为55-65℃,例如56℃、57℃、58℃、59℃、60℃或62℃,所述热水优选超纯水。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,通入氮气的时间为10-30min,例如15min、20min或25min,恒温振荡器的温度为55-65为℃,例如56℃、57℃、58℃、59℃、60℃或62℃,振荡速率为200-250r/min,振荡时间为2-5h,例如3h、3.5h、4h。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,离心温度为0-10℃,例如2℃、4℃、6℃或8℃,离心速率为8000-12000r/min,例如9000r/min、10000r/min或11000r/min,离心时间为8-15min,例如10min、12min或15min。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述方法还包括将堆肥水溶性有机物纯化的步骤,包括:利用微滤膜过滤所述上清液,并收集滤液;将所述滤液进行冷冻干燥得到堆肥水溶性有机物固体。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述微滤膜的孔径为0.3-0.5μm,例如0.35μm、0.4μm、0.45μm。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,将所述滤液进行冷冻干燥时,温度为-50℃以下,干燥时间为24-120h,例如36h、48h、60h、72h、84h、96h或108h,冷冻干燥的次数为一次或多次,直至含水率低于0.1w/w%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190517 |