CN114133302B - 一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法 - Google Patents

一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法。方法包括如下步骤：S1：向堆肥污泥中加入可溶性盐溶液，震荡、超声、离心后固液分离；S2：向S1提取后残余的堆肥污泥中，加入B4O7 2‑，震荡、超声、离心后固液分离；S3：向S2提取后残余的堆肥污泥中，加入P2O7 2‑，震荡、超声、离心后固液分离；S4:向S3提取后残余的堆肥污泥中，加入碱液，将其pH调节至12‑13，震荡、超声、离心后固液分离。本发明充分提取好氧堆肥污泥中的生物活性有机质，通过提取试剂的强弱组分及差异性将好氧堆肥污泥中的活性有机质按照种类及结合形态分为4个组分，提取效率高达60％。

Description

一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法
技术领域
本发明涉及环境处理技术领域，尤其涉及一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法。
背景技术
现有技术中好氧堆肥污泥活性有机质的提取局限于分离单一种类有机质，主要包括蛋白质(包括氨基酸、多肽)和腐殖质(腐殖酸和富里酸)，提取步骤繁琐。例如：申请号为CN201610763600.2的中国专利公开了“一种污泥与秸秆混合堆肥中富里酸XAD树脂分级提取方法”，只局限于富里酸的提取；申请号为CN201810855851.2的中国专利公开了“一种污泥中蛋白质的提取方法及应用”只局限于蛋白质的提取；申请号为CN201010205517.6的中国专利公开了“一种从污泥中提取富含微量元素的腐殖酸液态肥的方法”局限于腐殖酸的提取；申请号为CN201811336733.7的中国专利公开了“一种从有机污泥中提取有机质的方法”没有有效分离各有机质且提取不充分。好氧堆肥污泥中富含各类有机质，而目前还没有一种有效的方法可以同步分离提取各种类活性有机质，从而利用不同种类活性有机质的功效差异性，针对性的为植(作)物生长及调理提供特定功效。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种充分提取好氧堆肥污泥中的活性有机质的好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法。
本发明的一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法，包括如下步骤：
S1：向堆肥污泥中加入可溶性盐溶液，震荡、超声、离心后固液分离，得含有水溶性富里酸和氨基酸的提取液；
S2：向S1提取后残余的堆肥污泥中，加入B4O7 2-，震荡、超声、离心后固液分离，得含有矿物结合态富里酸和水溶性氨基酸的提取液；
S3：向S2提取后残余的堆肥污泥中，加入P2O7 2-，震荡、超声、离心后固液分离，得含有金属结合态腐殖酸的提取液；
S4:向S4提取后残余的堆肥污泥中，加入碱液，将其pH调节至12-13，震荡、超声、离心后固液分离得含有除金属结合态腐殖酸外的其他腐殖酸的提取液。
进一步的，步骤S1～S4步骤均分别重复2～3次，以确保每一组分活性有机质提取完全。
进一步的，步骤S1之前还包括对堆肥污泥进行预处理，预处理的具体过程为：称取一定量堆肥污泥样品，风干样品至干燥，筛分分离体积较大的杂质，然后充分研磨得到堆肥污泥。
进一步的，步骤S1的具体操作为：取一定质量堆肥污泥，加入0.1～0.5mol/L可溶性盐溶液，固液比为1:5，在150～300rmp条件下震荡1～2h，然后超声10～20min，5000～8000rpm离心10～30min后固液分离。
进一步的，步骤S2的具体操作为：加入与步骤S1相同体积的0.1～0.5mol/LNa2B4O7溶液，在150～300rmp条件下震荡1～2h，然后超声10～20min，5000～8000rpm离心10～30min后固液分离。
进一步的，步骤S3的具体操作为：加入与步骤S1相同体积的0.1～0.5mol/LNa4P2O7溶液，在150～300rmp条件下震荡1～2h，然后超声10～20min，5000～8000rpm离心10～30min后固液分离。
进一步的，步骤S4的具体操作为：加入与第一步相同体积的0.1～0.5mol/L NaOH溶液，在150～300rmp条件下震荡1～2h，然后超声10～20min，5000～8000rpm离心10～30min后固液分离。
进一步的，步骤S1～S4中，固液分离后再采用0.45μm滤膜对提取液进行过滤。
进一步的，对步骤S1～S4经过滤膜过滤后的提取液均再使用100～500Da的透析袋脱除多余盐分，进一步浓缩得到各组分液态活性有机质肥料。
进一步的，步骤S1中的可溶性盐溶液包括可溶性硫酸盐或氯化盐，步骤S4中的碱液为NaOH溶液。
发明同步分级提取污泥中的各种类活性有机质，相比于现有技术中提取单一种类活性有机质(蛋白质、腐殖酸、富里酸)和混合提取的技术方案，本发明充分提取好氧堆肥污泥中的活性有机质，通过提取试剂的强弱组分及差异性将好氧堆肥污泥中的生物活性有机质按照种类及结合形态分为4个组分，提取效率高达60％。同时，相比传统方案分别提取单一种类活性有机质，本实施方案同步分级提取各种类活性有机质的思路更加高效，提取步骤可连续且操作简单，所用提取试剂均为价格便宜的工业级无机化学试剂，提取产品作为高附加值液态活性有机质肥料可以促进植(作)物生长发育、提高植(作)物抗逆性及改良土壤品质等多种用途。
附图说明
图1为实施例1的连续分级提取方法的流程图；
图2a为水溶性富里酸及氨基酸与矿物结合态富里酸及氨基酸的3D-EEM图；
图2b为金属结合态腐殖酸与其他腐殖酸的3D-EEM图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，本申请采用四种不同的化学试剂(K2SO4、Na2B4O7、Na4P207和NaOH溶液)从好氧堆肥污泥中分级提取四个组分的活性有机质，分别为(1)富里酸及水溶性氨基酸(溶解性有机质)；(2)矿物结合态富里酸及氨基酸；(3)金属结合态腐殖酸；(4)其他腐殖酸。
(a)预处理：称取一定量好氧堆肥污泥样品，风干样品至干燥，将堆肥样品过100目筛以分离秸秆等体积较大的杂质，然后充分研磨得到堆肥污泥
(b)分级提取：
(1)取一定量堆肥污泥，加入0.1mol/L K2SO4溶液，在200rmp条件下震荡1h，然后超声10min，5000rpm离心10min后固液分离。过0.45μm滤膜，得到水溶性富里酸和氨基酸。
(2)在上一步提取后残余的堆肥污泥中，加入与第一步相同体积的0.1mol/LNa2B4O7溶液，在200rmp条件下震荡1h，然后超声10min，5000rpm离心10min后固液分离。过0.45μm滤膜，得到矿物结合态富里酸和水溶性氨基酸。
(3)在上一步提取后残余的堆肥污泥中，加入与第一步相同体积的0.1mol/LNa4P2O7溶液，在200rmp条件下震荡1h，然后超声10min，5000rpm离心10min后固液分离。过0.45μm滤膜，得到金属结合态腐殖酸。
(4)在上一步提取后残余的堆肥污泥中，加入与第一步相同体积的0.1mol/L NaOH溶液，在200rmp条件下震荡1h，然后超声10min，5000rpm离心10min后固液分离。过0.45μm滤膜，得到其他腐殖酸。
以上四个组分提取步骤均重复2-3次，以确保每一组分活性有机质提取完全。提取完成后，对以上每个组分使用透析袋(100-500Da)脱除多余盐分，进一步浓缩得到各组分液态活性有机质肥料。
实施后的效果
表1四种活性有机质的元素组成
Figure BDA0003361519000000051
四种组分活性有机质的元素组成如表1所示。从四种组分来看，金属结合态C，O，S含量最高(60.91％)，而O含量显著低于其他组分，而其他腐殖酸P元素含量最高。水溶性富里酸(组分1)和氨基酸及矿物结合态富里酸和氨基酸(组分2)元素含量相差不大，组分2中N元素含量略高于组分1，而O元素含量略低于组分1；金属结合态腐殖酸(组分3)和其他腐殖酸(组分4)元素差异较大，组分3具有更高的C，H，S含量，而组分4具有更高的O，N含量。
表2四种活性有机质的分子特征
Figure BDA0003361519000000052
四种组分活性有机质的各种分子特征如表2所示，其中组分1、组分2、组分3和组分4的平均分子量为387.51、378.04、364.96和415.85。组分3和组分4的C/H比明显高于组分1和组分2，组分3具有最高的H/C比，组分4次之；反之，组分1和组分2具有比组分3和组分4更高的O/C，其中组分1O/C比最高，组分2次之。在N，P元素比较中，组分4具有最高的N/C比，而组分3中S/C比最高。AImod为芳香化指数，组分1和组分2的芳香化指数明显高于组分3和组分4；DBE可以用来表征不饱和双键的含量，其中组分1，组分2和组分3的BDE含量较高，而组分3的DBE含量较低。
K2SO4、Na2B4O7和Na4P2O7可以根据有机质与矿物质和金属的结合能力强弱提取不同类型的有机质，其中K2SO4提取溶解性有机质，Na2B4O7提取与矿物质弱结合(分子间作用力，氢键)的有机质，而Na4P2O7提取金属结合态腐殖酸(LOPEZ-SANGIL,L,et al.,2013)；NaOH可以根据腐殖酸溶于强碱的特性提取剩余腐殖酸。图2a和图2b为同步分级提取后对4个组分有机质种类的表征。与三维荧光分区图谱进行比对(CHEN,W,et al.,2003)后发现，K2SO4和Na2B4O7中峰A和峰B分别代表芳香类蛋白质Ⅰ和富里酸类物质的荧光峰；而Na4P2O7和NaOH提取后主要为腐殖酸类物质的荧光峰(峰E和峰D)及微生物代谢副产物(峰C)。
通过该实施方案提取好氧堆肥污泥中活性有机质具有良好的产率。采用提取前后TSS值计算该提取方法的提取率，TSS测定方法为设置烘箱温度105℃，24h后称固体重量。通过总有机碳仪(岛津，日本)测试四个组分的总有机碳(TOC)值，由此推算每个组分的相对含量。
实施例2
由表3所示，加入0.05mol/L提取剂能从10g好氧堆肥污泥中能提取出4.2g左右活性有机质，水溶性富里酸和氨基酸、矿物结合态富里酸和氨基酸、金属结合态腐殖酸及其他腐殖酸分别为0.54g，0.50g，1.00g，2.05g，提取率达到42％左右。
表3该申请实施方案加入0.05mol/L提取剂的活性有机质提取效率
Figure BDA0003361519000000061
实施例3
由表4所示，加入0.1mol/L提取剂能从10g好氧堆肥污泥中能提取出5.4g左右活性有机质，水溶性富里酸和氨基酸、矿物结合态富里酸和氨基酸、金属结合态腐殖酸及其他腐殖酸分别为0.54g，0.75g，1.39g，2.68g，提取率达到54％左右。
表4该申请实施方案加入0.1mol/L提取剂的活性有机质提取效率
Figure BDA0003361519000000071
实施例4
由表5所示，提取剂浓度提高到0.5mol/L后从10g好氧堆肥污泥中能提取出6.0g左右活性有机质，水溶性富里酸和氨基酸、矿物结合态富里酸和氨基酸、金属结合态腐殖酸及其他腐殖酸分别为0.85g，0.78g，1.57g,2.83g，提取率达到60％。
表5该申请实施方案加入0.5mol/L提取剂的活性有机质提取效率
Figure BDA0003361519000000072
由此可见，提取剂浓度在0.1mol/L前提高浓度对提取效率影响较大，提取剂的浓度达到0.1mol/L后增加提取剂浓度对提取效率的增加不明显。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：向堆肥污泥中加入可溶性硫酸盐溶液，震荡、超声、离心后固液分离，得含有水溶性富里酸和氨基酸的提取液；
S2：向S1提取后残余的堆肥污泥中，加入B4O7 2-，震荡、超声、离心后固液分离，得含有矿物结合态富里酸和氨基酸的提取液；
S3：向S2提取后残余的堆肥污泥中，加入P2O7 2-，震荡、超声、离心后固液分离，得含有金属结合态腐殖酸的提取液；
S4: 向S3提取后残余的堆肥污泥中，加入NaOH溶液，将其pH调节至12-13，震荡、超声、离心后固液分离得含有除金属结合态腐殖酸外的其他腐殖酸的提取液；
步骤S1的具体操作为：取一定质量堆肥污泥，加入0.1~0.5mol/L 可溶性硫酸盐溶液，固液比为1:5，在150~300rmp条件下震荡1~2h，然后超声10~20min，5000~8000rpm离心10~30min后固液分离；
步骤S2的具体操作为：加入与步骤S1相同体积的0.1~0.5mol/L Na2B4O7溶液，在150~300rmp条件下震荡1~2h，然后超声10~20min，5000~8000rpm离心10~30min后固液分离；
步骤S3的具体操作为：加入与步骤S1相同体积的0.1~0.5mol/L Na4P2O7溶液，在150~300rmp条件下震荡1~2h，然后超声10~20min，5000~8000rpm离心10~30min后固液分离；
步骤S4的具体操作为：加入与第一步相同体积的0.1~0.5mol/L NaOH溶液，在150~300rmp条件下震荡1~2h，然后超声10~20min，5000~8000rpm离心10~30min后固液分离。
2.如权利要求1所述的一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法，其特征在于：步骤S1之前还包括对堆肥污泥进行预处理，预处理的具体过程为：称取一定量堆肥污泥样品，风干样品至干燥，使用100目筛分出体积较大的杂质，然后充分研磨过筛堆肥污泥样品。
3.如权利要求1或2任一项所述的一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法，其特征在于：步骤S1~S4中，固液分离后再采用0.45μm滤膜对提取液进行过滤。
4.如权利要求3所述的一种好氧堆肥污泥中生物活性有机质的连续分级提取方法，其特征在于：对步骤S1~S4经过滤膜过滤后的提取液均再使用100~500 Da的透析袋脱除多余盐分，进一步浓缩得到各组分液态活性有机质肥料。
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