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理化性质和光谱提取的城市固体废弃物（MSW）溶解有机物的特性及其在填埋生物稳定性的影响

Xiao-Song He a,b, Bei-Dou Xi b,uArr;, Zi-Min Wei c, Yong-Hai Jiang b,Chun-Mao Geng c, Yu Yang b, Ying Yuan c, Hong-Liang Liu b

a.北京师范大学环境学院，北京100875

b.中国环境科学研究院水环境系统工程研究所，北京100012

c.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨150030

关键词：

城市固体废物（MSW）

溶解有机物（DOM）

溶解有机碳（DOC）

傅立叶变换红外（FTIR）光谱

激发发射矩阵（EEM）光谱

摘要：为了评价垃圾填埋场固体废弃物（垃圾）的稳定性，采用物理化学和光谱方法对其溶解性有机物进行了提取和表征。结果表明，溶解有机碳浓度、溶解有机碳溶解有机氮的比例，和具体的254 nm处的紫外吸光度在0.383 - 3.502克/公斤的范围内，0.388-3.693和2.700-4.629 L /毫克，分别指示垃圾的稳定性。从傅立叶变换红外光谱的结果表明，挖掘的城市生活垃圾的稳定性，其特征是消失的一些很容易生物降解的化合物；和1635 / 1406的比例从0.979至1.840不等，并高于成熟堆肥。激发下发射矩阵光谱表明主成分挖垃圾包括腐殖物质和垃圾的稳定存在一个峰值波长对280美元/ 420 nm。

Oacute;2010 Elsevier公司保留所有权利

1.简介

垃圾填埋场在世界各地都很常见，因为它们的简单性和可承受能力。在中国，超过80%的城市固体废物（垃圾）产生的垃圾用填埋场（Lou 等人，2009，2010）处理。垃圾填埋场是一个复杂的生物系统，被认为是能够稳定的固体废物和垃圾，生物稳定时可生物降解有机物（Shalini 等人.，2010）。固体废物的生物稳定性评价是重要的，因为它具有长期的排放潜力，相关的环境影响评价是垃圾填埋场的主要问题（科苏和拉格，2008）。

生物稳定性决定了生物降解有机物的生物降解程度。评价生物稳定性应能代表实际的点数值达到分解方法；测量方法是用一个已提出的公认的价值尺度进行（Shalini et al.，2010）各种参数的生物稳定性评价。有氧呼吸活性和产甲烷潜力已经被欧洲国家作为参数；然而，这些指标的测量是复杂和耗时的（shao et al.，2009）。生物化学和物理指标，如碳/氮比，总有机碳，和挥发性固体（VS），历史上被提出使用是由于它们的简单性和负担能力（Valencia等，2009）。然而，当非生物降解的挥发性材料如塑料等在城市生活垃圾中出现，从参数结果可能过高的估计了可生物降解的有机物含量（Barrena et al.，2009）。

垃圾填埋场由一个非均匀混合物组成。。然而，用Montejo等人的报告（2010）显示，78.2%的城市生活垃圾堆肥由堆肥组成的有机物。因此，对有机物的研究有助于评价性的填埋场的稳定性。同时，有机材料的生物化学转化主要发生在水溶性期。发生在溶解有机物（DOM）变化的研究在评估其稳定性上是有用的（Said-Pullicino et al.，2007）。几个物理化学和光谱参数，如溶解有机碳（DOC），溶解有机碳比溶解有机氮（DOC/DON），具体的紫外线在254 nm处的吸光度（SUVA254），傅里叶变换红外（FTIR），三维荧光激发发射矩阵（EEM）谱，已被应用于表征DOM的组成和评价其稳定性。DOC已经被大量研究者视为稳定过程相关的参数（Bernal 等人.，1998；Said-Pullicino 等人.，2006；Zmora-nahum等人.，2005）。在堆肥过程中，DOC的内容始终减少，达到最低时，堆肥已经成熟。DOC/DON的比率是一个最容易的生物活性参数，可以用来定义有机材料稳定性的材料和工艺（Chanyasak and Kubota, 1981; Said-Pullicino 等人., 2007）。然而，上述两参数只能代表DOM总数量。关于DOC的内容与DOC/DON的比值，SUVA₂₅₄和FTIR对DOM的结构特性的详细信息（例如，芳香性，分子量，和官能团），它可以在分子水平上鉴别有机材料的稳定性。荧光EEM可以提供在一个选定的光谱范围，DOM的荧光特性总体视图，因此，它已被广泛用于结构鉴定和固体废物稳定评估（(Marhuenda-Egea 等人, 2007; Yu e等人, 2010）。然而，在DOM组成的研究主要集中在堆肥的有机材料；DOM的结构特点与实际填埋废物及其影响填埋场生物稳定性仍不清楚。

本文旨在探讨从各种分析方法挖掘填埋废物中提取的DOM的结构特点。此外，应当基于其特征评估填埋废物的生物稳定性。

2.方法

2.1.垃圾填埋场的样品

七个样品从设在北京的中国阿苏卫垃圾填埋场的实验室收集。垃圾填埋场的细胞开始运作于1995年，主要用于市政固体废物，直到2003年关闭。他的的填埋单元于2009年9月13日，被挖掘出来，和0-2闭合，2-4，4-6，6-8，8收集废物-10，10-12和12-14米层。从垃圾填埋细胞中得到的废料是手动排序以除去金属，塑料，玻璃和石头。残余样品研磨并过筛。颗粒小于2毫米的小直径被用于分析。

2.2.DOM的提取

样品四十克，用200毫升去离子化水提取（1:5的比例）；在水平摇床室温下摇动24小时。然后将萃取物在10,000rpm下离心10分钟，并通过0.45流明膜过滤器过滤。滤液分为两部分：一部分是冻干的，另一部分是被保存在黑暗中在4°C酸水洗烘干的琥珀色玻璃瓶。

2.3.傅里叶变换红外光谱

FTIR光谱从所得粒料按1毫克冻干的DOM和使用的Nicolet的Nexus670 FTIR分光光度计（Nicolet公司，麦迪逊，USA），在减压下300毫克干燥光谱级溴化钾的混合记录。该光谱记录在为4000-400厘米Agrave;1范围2 cmAgrave;1分辨率的范围内，并且在每个采集进行64次扫描。

2.4.分析DOM

紫外-可见光谱和荧光性分析之前，由 Analytik Jena Multi N / C 2100 tocanalyzer测定各样品的DOC（Analytik Jena, Jena，德国）。所有样品的浓度调整同样使他们彼此相媲美，避免紫外吸光度和荧光性分析内滤效应。DON的浓度被确定为 Said-Pullicino等人。（2007）。

2.5.紫外-可见光谱

在250-400 nm波长范围内，紫外-可见光谱与岛津紫外-1700分光光度计（岛津，京都，日本）被执行。在k = 254 nm处测定SUVA254值然后在l毫克Agrave;1米Agrave;1单位报道。(Shao et al., 2009).

2.6.荧光光谱

荧光光谱法是在一个清晰的脸的石英比色皿。利用珀金埃尔默采用LS-55型荧光性分光光度计（Perkin Elmer，新泽西，美国）。狭缝宽度为5 nm的激发和发射单色器，扫描速度为1200 nm，1 minAgrave;。随后扫描发射光谱从280到520 nm激发波长5 nm，从200增加到440 nm获得三维光谱。图形处理与Origin 8软件进行（OriginLab，洛杉矶，美国）。

2.7.多元统计分析

SPSS 16版统计软件（SPSS国际，芝加哥，美国）是用来进行层次聚类分析（HCA）。HCA对用病区的方法是使用的平方欧几里德距离作为所有数据进行的相似性度量。

3.结果与讨论

3.1DOC

微生物在水中溶解时只利用有机物质。随着DOM DOC含量降低（即生物降解的化合物越来越少），垃圾填埋场的废物变得更加稳定。从开采废物中提取DOC的浓度在表1中的2-4米深，样品的DOC含量3.502g/kg，而样品的其余全部低于1.000g/kg.Bernal et al. (1998)报道说，成熟的堆肥的有机碳含量几乎为4克/千克。因此，本研究结果表明，从垃圾填埋场固体废物的处理就DOC而言是稳定的。

DOC含量垂直分布紊乱；与其他人相比2-4米层样本数明显较高。一般情况下，垃圾填埋场的环境，如含水量和有机物，在实际的垃圾填埋场是异构的。因此，DOC含量垂直分布在受垃圾填埋场的年龄，垃圾质量，滞水表和渗透的影响。最有可能的是，在2-4米层有机质含量高。在这一层中观察到了高浓度的DOC。

3.2DOC/DON比率

虽然总有机碳占总有机硝基比率（TOC /TON）已被广泛用作堆肥稳定性的一个指标（Chanyasak and Kubota, 1981; Pascual et al., 1997），DOC / DON比率似乎代表这一特点更充分充分。对于微生物转化，DOC和DON都是最敏感，因此，在有机碳和氮的总浓度下，DOC/DON比更负责垃圾的稳定性。该研究由Said-Pullicino等报告。

表1

从垃圾填埋场的挖掘提取DOM组分的各种参数。

深度 (m) DOCa (g kgAgrave;1) DOC/DONb SUVA254c (L mgAgrave;1 mAgrave;1) 1635/1406d Ipeak3/Ipeak1e

0-2 0.476 0.388 2.914 0.979 1.501

2-4 3.502 1.848 4.629 1.275 1.590

4-6 0.544 3.693 3.129 1.118 2.827

6-8 0.843 3.651 4.071 1.010 2.971

8-10 0.383 0.516 2.700 1.841 1.625

10-12 0.703 0.660 3.771 1.433 1.266

12-14 0.564 3.481 3.900 1.824 2.235

a.溶解有机碳含量的DOM。DOC/DON的比例。

b.含量

c.在254纳米每克的特定的紫外吸收。

d.红外光谱峰在1635和1406之间的比率

e.强度比3和1峰之间的荧光光谱。

（2007）已经表明，在堆肥过程中的DOC/DON的比例持续下降，并当堆肥成熟时达到了6.7的最终值时。实际填埋场出土样品的DOC/DON比在0.388～3.693之间，均显著低于Said-Pullicino等人提出的阈值。（2007）作为成熟堆肥的参考价值。因此，在这项研究中的垃圾填埋场废物，可以认为是稳定和成熟的。

当一个有机废物在填埋场中分解，由于碳损失变为二氧化碳和甲烷，DOC降低。与DOC含量相比，DON含量在过程中缓慢的减少，观察到DOC/DON比率显著降低。当比率低于一定值时，由于不当的营养微生物活性受到限制.因此，DOC/DON的比例决定在垃圾填埋场中的微生物降解有机废物的残留物的稳定性.

与DOC含量相似，DOC / DON 的比率也是无序的垂直分布。然而，在4-6和6 - 8 m深度样本的比率是相似的。更可能的是，液体输送和交换发生4-6和6-8米的深度之间。

3.3.紫外-可见光谱

所有的样品表现出的吸收特征了减少随着紫外-可见光谱波长的增加（图中未示出）。然而，由于酚类芳烃，双或更多环的苯甲酸和多环芳烃P-PAtilde;电子跃迁发生在紫外区域 (Peuravuori and Pihlaja, 1997),对DOM的组成，吸收光谱分析可以提供一些有用的信息。

根据Chin 等。（1997）、芳香和DOM分子量的程度与紫外强相关（250-280 nm）的摩尔吸光系数，他们可以使用可靠的摩尔吸光系数在250 - 280纳米测量。SUVA254值可以揭示在DOM芳香结构的相对含量。Shao等人。（2009）报道，垃圾的稳定化过程中DOM显著增加SUVA254值；保持稳定在3升毫克/米时，城市生活垃圾是稳定的。所有七个样品的SUVA254值范围从2.700到4.629毫克/立方米，表明固体废弃物填埋场开挖稳定。根据之前的研究(Gauthier 等人., 1987; Chin 等人., 1994, 1997),SUVA254值的增加表明更高程度的芳香和分子量。因此，芳香度和从开采的废弃物中提取的DOM分子量大于不稳定或不成熟的垃圾。这可能对生物降解有机物的生物降解起到重要的作用。值得注意的是，微生物不利用芳香性和分子量的程度高的有机分子。

填埋年限随填埋深度的增加而增加。然而，目前的研究发现SUVA254值的变化不一样（表1）。Huo等人。（2008）报告说，随着垃圾填埋年龄的增加，芳香族碳含量的增加。然而，是霍等人获得的样本。（2008）来自不同的垃圾填埋场，样品间没有渗滤液输送和交换的差异。在这项研究中，从不同深度的单一样本填埋场获得的垃圾填埋场样品。因此，渗滤液运输交换达到了我们的研究的预期。

3.4。红外光谱

所有七个样品的红外光谱在每一个主吸收带和肩膀的位置是非常相似的（图中没有显示）。所有的光谱在3408厘米的氢键OH基团的醇、酚和有机酸，以及氢键NAH组具有很强的波段；2021厘米的C @C”拉伸C@C @C振动；1635厘米，主要为C @ C伸缩芳香环的振动；1406厘米的氧化钙不对称伸缩，OAH变形和羧基氧化钙变形；1114厘米氧化钙碳水化合物如多糖和芳香醚的拉伸(Abouelwafa等人, 2008; Garciacute;a-Gil 等人., 2008; Droussi等人.

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