生活垃圾填埋腐殖质电子转移规律研究

发布时间：2020-03-26 03:11

【摘要】：填埋会产生大量的含有腐殖质的矿化垃圾,其可以作为微生物胞外呼吸的电子受体和电子穿梭体,将电子传递给重金属和有机污染物,促进后者的还原和降解,但目前关于填埋场中腐殖质的电子转移能力演变特征及影响机制尚不清楚。针对上述问题,采集不同填埋年限生活垃圾,提取制备分组腐殖质,采用化学、微生物学和电化学方法,研究生活垃圾填埋过程中腐殖质电子转移能力的演变特征。在此基础上,采用现代光谱学技术和化学计量学分析,研究填埋过程中腐殖质内部结构演变特征,探究其对电子转移能力的影响,同时分析外部pH、离子强度、溶解状态和矿物吸附等微环境条件对腐殖质电子转移能力的影响。研究成果拓宽了垃圾填埋场中污染物降解和重金属转化途径的认识,为优化调控垃圾填埋场提供理论基础和科学依据,取得如下成果:(1)通过对填埋腐殖质不同组分电子转移能力的测定,发现腐殖质不同组分均具有氧化和还原能力,能够接收和提供电子。通过传统化学方法测定的微生物还原容量明显强于本底还原容量,可溶性和不溶性腐殖质本底和微生物还原容量分别在43.60~165.88μmol·g(C)~(-1)、158.38~1136.03μmol·g(C)~(-1)和0.37~34.47μmol·g(C)~(-1)、27.13~42.15μmol·g(C)~(-1)范围内。通过新手段电化学方法测定表明可溶性和不溶性腐殖质的电子接收能力和电子供给能力分别在353.67~2097.11μmol·g(C)~(-1)、499.05~1068.67μmol·g(C)~(-1)和0.03~0.51μmol·g(C)~(-1)、0.09~0.66μmol·g(C)~(-1)范围内。胡敏酸电子转移能力随着填埋深度的增加呈明显增加趋势,去矿胡敏酸在填埋浅层中给电子基团占主导,深层吸电子基团占主导,而未去矿胡敏酸给电子基团占主导;而富里酸、胡敏素和腐殖土电子转移能力未存在明显变化趋势,富里酸在填埋浅层中给电子基团占主导,深层吸电子基团占主导,而胡敏素和腐殖土给电子基团占主导。(2)填埋场中腐殖质随着填埋年限的延伸依次发生有机质矿化降解和腐殖化过程。填埋过程中蛋白质等有机组分逐渐被降解,难降解的木质素结构结合小分子氨基酸开启腐殖化过程进而合成腐殖质物质,其芳香性、分子量和亲水性逐渐增强。相关性分析表明,内部化学结构对腐殖质电子转移能力具有显著影响:羟基含量越高、碳水化合物含量越低、分子量越高,越利于给出电子;而羧基含量越高、碳水化合物含量越低、腐殖化程度越高、芳香性越强、分子量越高,越利于得到电子。(3)微环境能够显著影响腐殖质的电子转移能力。pH提高有利于腐殖质电子转移能力的增强,离子强度在c(KCl)=0.2M腐殖质电子转移能力最强,过高或过低的离子强度都不利于腐殖质的电子传递;去矿和溶解后,腐殖质能够暴露出更多的氧化还原官能团,其氧化还原性能和电子转移能力增强。
【图文】：

腐殖质,结构模型,腐殖物质

图 1.1 腐殖质不同组分结构模型Fig. 1.1 The structure of different fractions of humus2.3.2 腐殖质的来源在研究土壤腐殖质的进程中，国内外许多学者已经进行了大量的研究。1826 prengel 第一个综合研究了腐殖物质的起源及其化学本性；1839 年，瑞典研究erzelius 进行了对腐殖物质化学性质的研究，通过实验手段分离出了两种浅黄色腐[18]，并表明腐殖质在自然环境中广泛存在，是一类大分子有机混合物，约占水环解有机质的 50%，土壤有机质的 80%。而对腐殖质特性广泛深入的探究，是从开始，，20 世纪 30 年代，德国科学家 Fuchs 等人进行了褐煤化学及其分离提纯出酸的研究，丰富了对土壤腐殖质的研究进展，对其产生了巨大影响[19]。我国对于质的研究起步较晚，20 世纪 80 年代以后才逐渐进入鼎盛时期。贺瑶琴等人通过乐地区土壤有机质和不同粒径颗粒对土壤负电荷的贡献研究，认为胶体状态的黏

基本结构单元,腐殖质

图 1.2 腐殖质基本结构单元 1.2 The fundamental structural unit of the h原活性化还原活性官能团，进而使其具有微生物处接受电子导致自身被还原电子受体，从而在微环境中实现电。电子传递发生的必要条件是要存性官能团对其氧化还原电势影响很氧化还原功能基团，其中羧基和酚移过程，进而实现醌和氢醌之间的根据先前的研究分组方法[40]，氧化氧化还原基团和两种不同类型的醌
【学位授予单位】：中国环境科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X799.3

【参考文献】