唐建國 | 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物轉(zhuǎn)化機(jī)理及可利用價值揭示 作者：梅曉潔、唐建國、張悅

前言
城鎮(zhèn)污水處理廠污泥穩(wěn)定化處理產(chǎn)物的土地利用的處置方式是解決污泥處理產(chǎn)物出路最重要和最主要的形式，是實現(xiàn)污泥處理產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)循環(huán)利用最重要的途徑。“處置決定處理，處理必須滿足處置要求”，要保證處理產(chǎn)物滿足土地利用的要求，以厭氧消化、好氧發(fā)酵為代表的穩(wěn)定化處理是最匹配和最核心的處理手段，也是國內(nèi)外污泥處理工程廣泛應(yīng)用的工藝。

包括德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN4045）在內(nèi)的多個文獻(xiàn)對污泥穩(wěn)定化處理給出了一致定義，即經(jīng)穩(wěn)定化處理后，污泥中的固體物質(zhì)、產(chǎn)生氣味的物質(zhì)和病原菌得到減少；其內(nèi)涵是處理后的產(chǎn)物不再腐敗發(fā)臭，不腐敗發(fā)臭的根本原因在于微生物對穩(wěn)定化處理后產(chǎn)物的分解作用是緩慢的。已有研究表明，厭氧消化后的沼渣和好氧發(fā)酵產(chǎn)物富含生物腐殖酸，其主要成分為水溶性小分子的富里酸和非水溶性大分子的胡敏酸，這類物質(zhì)也被證實是微生物作用緩慢的物質(zhì)。這類物質(zhì)在自然生態(tài)系統(tǒng)中是重要的有機(jī)碳源，對土壤保水保肥、農(nóng)林作物增產(chǎn)有重要意義。厭氧消化和好氧發(fā)酵（包括產(chǎn)物陳化）不僅是簡單有機(jī)物的降解過程，也是這些穩(wěn)定化物質(zhì)的合成過程。這一穩(wěn)定化過程同時也實現(xiàn)了對產(chǎn)物的滅菌消毒，滿足園林綠化等土地利用方式的基本要求并具有改良土壤的作用，故稱之為“有機(jī)炭土”或“生物炭土”。行業(yè)內(nèi)也逐步認(rèn)識到穩(wěn)定化處理的重要意義和產(chǎn)物重要價值。

但是穩(wěn)定化處理產(chǎn)物中的生物腐殖酸是如何形成的，穩(wěn)定化又是如何衡量的，其產(chǎn)物價值又是如何體現(xiàn)的，國內(nèi)尚無以實際工程為對象的研究�；�于上述問題，本研究以國內(nèi)實際運行的十余座厭氧消化（包括高溫?zé)崴�解厭氧消化、與餐廚協(xié)同厭氧消化）和好氧發(fā)酵工程為對象，開展了污泥穩(wěn)定化處理過程的物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理研究，成果揭示了處理產(chǎn)物的穩(wěn)定化特性和土地資源化利用價值，提出了與穩(wěn)定化產(chǎn)物性質(zhì)相一致的產(chǎn)物穩(wěn)定化水平判定方法，為我國污泥處理采用正確的方法和穩(wěn)定化產(chǎn)物的土地資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

本試驗的污泥樣本來自于全國16座污水處理廠的污泥處理工程，其中，9座采用厭氧消化處理工藝，記為A1～A9，7座采用好氧發(fā)酵處理工藝，記為B1～B7；兩種污泥處理工藝流程及采樣點分布如圖1所示。

1.2.1 樣品的預(yù)處理

各廠各采樣點的樣品先經(jīng)冷凍干燥（-56 ℃，50 Pa）24 h以上，至含水率低于5%，取冷干樣品研磨，過80目（0.2 mm）篩網(wǎng)，棄去篩上物（主要為污泥中的雜質(zhì)或殘余輔料），篩下物收集，依次放入密封袋中并編號，避光干燥保存。

1.2.2 有機(jī)質(zhì)的測定

腐殖酸和蛋白質(zhì)的提取與測定：采用焦磷酸鈉堿溶酸析法提取腐殖酸，具體步驟為：稱取0.5g冷干的污泥粉末，置于250mL具塞錐形瓶中，加入100mL焦磷酸鈉與氫氧化鈉混合提取劑（0.1 mol/L Na4P2O7和0.1 mol/L NaOH），室溫下浸提14 h，浸提液為腐殖酸與蛋白質(zhì)的混合液；量取50 mL浸提液，通過酸堿調(diào)節(jié)（用2 M H2SO4調(diào)浸提液pH<3，80 ℃水浴30 min，此時有沉淀析出，室溫下靜置12 h，沉淀用0.45 μm濾膜過濾，濾液為富里酸，濾紙上的沉淀再用0.1 M NaOH重新溶解為胡敏酸），分離出富里酸和胡敏酸，并分別定容至100 mL，最后采用修正后的lowry法測定腐殖酸和蛋白質(zhì)的濃度。

多糖的提取與測定：稱取0.1 g冷干污泥粉末，置于10 mL哈希比色管中，加入5 mL 2.5 M HCl，旋緊瓶蓋，置于哈希消解儀中，100 ℃下消解3 h，冷卻至室溫，加固體碳酸鈉中和液體（約0.6 g），直到泡騰停止；用蒸餾水定容至50 mL，過0.45 μm濾膜，采用蒽酮-硫酸法測定濾液中的多糖濃度。

1.2.3 三維熒光光譜的測定與分析

蛋白質(zhì)類和腐殖酸類物質(zhì)是具有熒光特性的有機(jī)物，三維熒光（3D-EEM）圖譜能定性或半定量地分析這兩類物質(zhì)的相對含量，從而將蛋白質(zhì)的減量和腐殖酸的增量耦合起來。三維熒光圖譜采用三維熒光光譜儀（FluoroMax-4，Horiba，日本）測定。光譜數(shù)據(jù)使用Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖，并使用ImageJ軟件（https://imagej.nih.gov/ij/）對光譜圖進(jìn)行半定量分析。以牛血清蛋白、富里酸和胡敏酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熒光圖譜作為參照，分析樣品出峰位置所代表的熒光物質(zhì)。

對3D-EEM光譜的定性分析通過熒光區(qū)域整合法（Fluorescence Regionalization Integration，F(xiàn)RI）進(jìn)行。早期有學(xué)者將熒光光譜分為5個區(qū)；后續(xù)有研究者將熒光光譜進(jìn)一步劃分為七類熒光區(qū)。在本研究中，參照七類熒光分區(qū)法，將三維熒光圖譜進(jìn)一步歸類為2個區(qū)：復(fù)雜有機(jī)物區(qū)和簡單有機(jī)物區(qū)；復(fù)雜有機(jī)物區(qū)包括類富里酸、類胡敏酸以及腐殖化中間產(chǎn)物，簡單有機(jī)物區(qū)包括類蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)中間代謝產(chǎn)物。

參考Muller等的方法，在FRI法的基礎(chǔ)上，借助Origin和ImageJ軟件對光譜圖進(jìn)行半定量分析。首先，將得到的彩色光譜圖轉(zhuǎn)化為黑白圖，再利用ImageJ軟件讀取各區(qū)域的面積和熒光信號強度。根據(jù)式（1）計算各區(qū)域的熒光值：

Vf(i)=VimageJ(i)×∑2i=1S(i)S(i)（1）

式中S(i)——區(qū)域面積；

       VimageJ(i)——區(qū)域內(nèi)熒光信號強度。

根據(jù)式（2）計算出的值稱為熒光復(fù)雜指數(shù)（Complexity Index, CI），即類腐殖酸與類蛋白熒光值的比值。

CI=Vf(2)Vf(1)（2）

CI指數(shù)反映了復(fù)雜有機(jī)物與簡單有機(jī)物含量的比值，一定程度上反映了物料中易生物降解組分（蛋白質(zhì)類物質(zhì)）的減少和復(fù)雜、穩(wěn)定組分（腐殖質(zhì)類物質(zhì)）的增加。該指數(shù)越大，說明簡單有機(jī)物降解越徹底，有機(jī)物腐殖化程度越高，也說明樣品的化學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定。

9座厭氧消化廠的進(jìn)泥泥質(zhì)及穩(wěn)定化處理產(chǎn)物（消化沼渣）的性質(zhì)見表1。由表1可知，9座廠以蛋白質(zhì)和多糖為代表的有機(jī)物降解率排序為A4>A6>A5>A7>A8>A2>A9>A1>A3，其中A4～A8為高溫?zé)崴��?厭氧消化處理工藝，其有機(jī)物降解率普遍高于傳統(tǒng)工藝，說明高溫?zé)崴�解在提高厭氧消化效率上具有重要意義。根據(jù)我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2016年版）中關(guān)于污泥穩(wěn)定化控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，厭氧消化的有機(jī)物降解率需達(dá)到40%以上。在9座廠中，僅A4～A6達(dá)到這一要求。觀察發(fā)現(xiàn)，這3座廠的進(jìn)泥有機(jī)物含量均高于60%，可見有機(jī)物降解率與進(jìn)泥泥質(zhì)密切相關(guān)；進(jìn)泥有機(jī)物含量越高，有機(jī)物降解率也越高。但在我國南方地區(qū)，有些廠的進(jìn)泥有機(jī)物含量尚不足50%，如A1、A7和A9，實現(xiàn)40%的有機(jī)物降解率就比較困難，即使采用高溫?zé)崴�解預(yù)處理（如A7），有機(jī)物降解率的提升效果也十分有限。數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的減量與工藝有關(guān)，高溫?zé)崴��?厭氧消化處理工藝的蛋白質(zhì)減量明顯高于傳統(tǒng)工藝，這也佐證了高溫?zé)崴�解的重要作用；但是多糖的減量相對不明顯（如A9），采用與餐廚廢棄物協(xié)同厭氧消化，產(chǎn)物中的多糖含量反而增加。所以受厭氧消化工藝和進(jìn)泥泥質(zhì)的差異，采用污泥有機(jī)物降解率作為穩(wěn)定化的指標(biāo)就值得商榷了。

從表1還發(fā)現(xiàn)，厭氧消化不僅是有機(jī)物（蛋白質(zhì)、多糖等）的降解過程，同時也是物質(zhì)的合成過程（腐熟或腐殖化）。經(jīng)厭氧消化處理后，腐殖酸的含量（富里酸與胡敏酸的總和）都有不同程度的增加，除A9外，其余各廠的產(chǎn)物中腐殖酸的含量均有不同程度的提高，提升幅度為24～117 mg/gVS。而A9，因其協(xié)同餐廚廢棄物處理，餐廚廢棄物占比50%，在有限的消化時間（20 d）內(nèi)，有機(jī)物降解地尚不夠徹底，產(chǎn)物中仍有98.1 mg/gVS的蛋白質(zhì)和86.5 mg/gVS的多糖。而腐殖酸的合成原料來源于有機(jī)物降解的中間產(chǎn)物，可見腐殖酸的合成與有機(jī)物的降解是相輔相成的。

為闡述厭氧消化過程有機(jī)物向有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化機(jī)理，以A4為例，其采用高溫?zé)崴��?中溫兩級厭氧消化-板框脫水處理工藝，污水處理規(guī)模100萬m3/d。圖2為各采樣點物料中蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸含量的變化規(guī)律。分析可知，污泥經(jīng)過熱水解和厭氧消化后，蛋白質(zhì)從136.3 mg/gVS減少到70.3 mg/gVS，減量64.6%；多糖從62.3 mg/gVS減少到40.4 mg/gVS，減量55.5%，這體現(xiàn)了污泥中有機(jī)物的降解。但是，腐殖酸總量從140.6 mg/gVS增加到253.6 mg/gVS，增量23.8%，這體現(xiàn)了厭氧消化過程中，簡單有機(jī)物向復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。經(jīng)過板框脫水（藥劑調(diào)理）后，消化產(chǎn)物中的有機(jī)物含量略有降低，其中，腐殖酸含量由253.6 mg/gVS降至176.5 mg/gVS。試驗也分析了脫水濾液（取樣點e）中有機(jī)物的含量，檢測出濾液中含有139.2 mg/L的多糖和911.0 mg/L的腐殖酸，結(jié)合水質(zhì)水量計算可知，脫水濾液中的腐殖酸占消化出泥腐殖酸總量的14.2%，可見，板框脫水帶走了沼渣中的水溶性腐殖酸；加之脫水濾液含有大量的腐殖酸和無機(jī)氮（氨氮），證明脫水濾液也具有作為液態(tài)營養(yǎng)液的再利用價值，為厭氧消化沼液的處理及再利用提供了思路。

利用三維熒光圖譜可以定性或半定量地分析蛋白質(zhì)類和腐殖酸類物質(zhì)的相對量，圖3為A4在厭氧消化過程各采樣點的三維熒光圖譜及熒光復(fù)雜指數(shù)分析。與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的光譜圖比對可知，峰A（Ex/Em=335/400）介于牛血清蛋白和富里酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熒光峰的中間位置，在厭氧消化后消失，其代表一類具有熒光特性的蛋白質(zhì)類物質(zhì)；峰B1（Ex/Em=385/（470~475）在富里酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的位置出峰，其代表富里酸類物質(zhì)；峰B2（Ex/Em=425/490）介于富里酸和胡敏酸熒光峰的中間位置，在厭氧消化后出現(xiàn)，代表富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物；峰C（Ex/Em=475/540）在胡敏酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的位置出峰，代表胡敏酸類物質(zhì)。

在明晰了各類熒光峰所代表的物質(zhì)之后，結(jié)合圖3可知：

（1）在進(jìn)泥和熱水解出泥中，樣品中的熒光物質(zhì)主要為蛋白質(zhì)類和富里酸類物質(zhì)，熱水解后富里酸熒光峰（B1）增強，說明熱水解也是富里酸的合成過程。

（2）在消化出泥和脫水沼渣中，類蛋白熒光峰（峰A）消失，類富里酸熒光峰發(fā)生偏移（峰B1→峰B2），同時出現(xiàn)類胡敏酸熒光峰（峰C），說明在厭氧消化過程，類蛋白物質(zhì)被降解，類富里酸物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化、聚合成類相對分子質(zhì)量更大、更復(fù)雜和更穩(wěn)定的胡敏酸物質(zhì)；結(jié)合前述化學(xué)分析，再次證實了厭氧消化過程不僅是簡單有機(jī)物（蛋白質(zhì)）降解的過程，也是復(fù)雜、穩(wěn)定的大分子有機(jī)物（胡敏酸）合成的過程。

（3）在脫水濾液中，熒光物質(zhì)（峰B3）主要為腐殖化中間產(chǎn)物。

熒光復(fù)雜指數(shù)可表征物料中類蛋白物質(zhì)和類腐殖酸物質(zhì)的相對含量，將蛋白質(zhì)的減量和腐殖酸的增量耦合在一起。從表1計算結(jié)果來看，采用熱水解的廠蛋白質(zhì)降解較徹底，產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量低于100 mg/gVS、腐殖酸含量高于150 mg/gVS（增量大于60 mg/gVS），如A4～A6和A8，CI指數(shù)均在5.0以上；而未采用熱水解的廠蛋白質(zhì)降解不徹底，腐殖酸增量不明顯（增量20~50 mg/gVS），如A1～A3，產(chǎn)物的CI指數(shù)增幅也不大；餐廚廢棄物協(xié)同處理，但未采用熱水解則蛋白質(zhì)降解不徹底，腐殖酸無增量（如A9），CI指數(shù)幾乎不變。此外，值得注意的是，A7雖然采用了熱水解工藝，腐殖酸也增量了33 mg/gVS，但產(chǎn)物的CI指數(shù)仍很低（CI=1.0），分析發(fā)現(xiàn)，A7的進(jìn)泥有機(jī)物含量在所有廠中最低，僅為40.3%。由此可見，用厭氧消化工藝處理有機(jī)物含量低的市政污泥，處理效率較低，穩(wěn)定化程度有限。

為分析厭氧消化過程CI指數(shù)的變化規(guī)律，以A4為例，測定各采樣點的CI指數(shù)繪于圖3f。分析可知，熱水解前后，CI指數(shù)變化不大；厭氧消化后，CI指數(shù)顯著增加（CI=7.45），板框脫水后，液態(tài)腐殖酸隨脫水液帶走，CI指數(shù)降至5.36。這與化學(xué)分析和熒光分析結(jié)果相吻合，也進(jìn)一步證實了CI指數(shù)受物料中蛋白質(zhì)含量和腐殖酸含量的雙重影響，將物質(zhì)的降解與合成耦合在一起，可作為厭氧消化穩(wěn)定化程度的判定標(biāo)準(zhǔn)之一。

7座好氧發(fā)酵廠的進(jìn)泥泥質(zhì)和最終發(fā)酵產(chǎn)物的性質(zhì)見表2。由表2可知，各廠的有機(jī)物降解率差異較大，這主要是由于好氧發(fā)酵過程加入大量輔料，如蘑菇渣、稻殼、木屑等，造成發(fā)酵產(chǎn)物的有機(jī)物含量高于進(jìn)泥，也說明采用有機(jī)物降解率≥50%來衡量好氧發(fā)酵產(chǎn)物的穩(wěn)定化是不合適的。從蛋白質(zhì)的減量來看，好氧發(fā)酵過程蛋白質(zhì)的減量明顯高于厭氧消化，且產(chǎn)物中蛋白質(zhì)的殘余量也更低，產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)含量均低于50 mg/gVS；再看多糖的降解，由于輔料的主要成分是多糖（纖維素類物質(zhì)），所以產(chǎn)物中多糖的減量不明顯，甚至比進(jìn)泥還高，這也是好氧發(fā)酵有機(jī)物降解率存在缺陷的根本原因所在。同樣的，試驗結(jié)果顯示好氧發(fā)酵同樣作為穩(wěn)定化方式，不僅是有機(jī)物的降解過程，也是有機(jī)質(zhì)的合成過程。除廠B2和B3外，好氧發(fā)酵后腐殖酸均有顯著增加，且產(chǎn)物中的腐殖酸含量均高于200 mg/gVS。而廠B2和B3，因進(jìn)泥有機(jī)物含量較低，低于40%，且添加了大量輔料以維持一定的碳氮比，發(fā)酵過程輔料釋放有機(jī)物（以多糖的形式），導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物的有機(jī)物含量高于進(jìn)泥，腐殖酸的相對含量也下降了。

為分析好氧發(fā)酵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化機(jī)理，以廠B4為例，其污泥處理工藝規(guī)模600t/d，采用蘑菇渣作輔料，混合比例為回料∶原泥∶輔料=2∶1∶0.2，一次倉發(fā)酵14d，二次倉發(fā)酵20d，共計34d（冬季），部分發(fā)酵產(chǎn)物再陳化1個月。表3為各采樣點物料中蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸含量的變化。分析可知，發(fā)酵過程蛋白質(zhì)減量顯著，多糖減量明顯但不徹底，陳化產(chǎn)物中仍含有64.5 mg/gVS的多糖，這主要是由于輔料（蘑菇渣）的加入，引入的多糖（以纖維素為主）所致。從腐殖酸總量上來看，經(jīng)過發(fā)酵和陳化后，腐殖酸增量28.0%。從腐殖酸組分上來看，原泥中的腐殖酸以富里酸為主（125.5 mg/gVS），經(jīng)過與輔料和回料的調(diào)理后，混料的腐殖酸總量增加，這主要是輔料和回料中腐殖酸的貢獻(xiàn)。經(jīng)過一次發(fā)酵，蛋白質(zhì)含量顯著下降，富里酸含量顯著增加，說明這一階段是蛋白質(zhì)的降解過程，也是富里酸的合成過程；經(jīng)過二次發(fā)酵，蛋白質(zhì)有略微地下降，富里酸幾乎無增長，胡敏酸開始累積，說明二次發(fā)酵階段是富里酸向胡敏酸的轉(zhuǎn)化過程，即腐殖化過程；在后續(xù)長時間的陳化過程，胡敏酸大量累積，也證明好氧發(fā)酵需要足夠長的時間來保證發(fā)酵效果。胡敏酸作為非水溶性的大分子腐殖酸，比富里酸的化學(xué)穩(wěn)定性更好，在土壤中不易擴(kuò)散和遷移，對土壤的保水保肥具有重要意義。

同樣，采用熒光光譜法分析廠B4在好氧發(fā)酵過程物質(zhì)的降解與合成機(jī)理，測定得到的光譜圖見圖4。

與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的圖譜比對可得各熒光峰所代表的物質(zhì)，并結(jié)合化學(xué)分析可知：

（1）污泥經(jīng)過一次發(fā)酵后，類蛋白熒光峰（峰A）消失，腐殖化中間產(chǎn)物的熒光峰發(fā)生偏移（B1→B2），說明在一次發(fā)酵過程，類蛋白物質(zhì)被降解，并轉(zhuǎn)化為腐殖化中間產(chǎn)物（富里酸）。

（2）二次發(fā)酵后，富里酸（峰B2）含量減少，胡敏酸（峰C）含量增加，說明二次發(fā)酵是有機(jī)物腐殖化的過程，但產(chǎn)物中仍有大量中間產(chǎn)物（峰B2），說明

在有限的發(fā)酵時間內(nèi)，腐殖化程度尚不完全。

（3）在陳化過程，胡敏酸含量顯著增加，可見陳化過程促進(jìn)了富里酸向胡敏酸的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了有機(jī)物的腐殖化。經(jīng)過長時間的陳化后，僅剩下類胡敏酸熒光峰（見圖4e），說明好氧發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過一段時間的陳化，對進(jìn)一步加強腐殖化過程是非常有必要的。

從各個廠的CI指數(shù)來看（見表2），除廠B2和B3外，其余各廠的CI指數(shù)均在5.0以上。由于多糖不具有熒光特性，而CI指數(shù)耦合了蛋白質(zhì)和腐殖酸的相對含量，因此該指數(shù)的使用可避免外加碳源而導(dǎo)致降解率不準(zhǔn)確的問題，從而準(zhǔn)確、有效地判斷發(fā)酵產(chǎn)物的穩(wěn)定化水平。

為分析好氧發(fā)酵過程CI指數(shù)的變化規(guī)律，以廠B4為例，測定各采樣點的CI指數(shù)如圖4f。分析可知，經(jīng)過兩次發(fā)酵后，CI指數(shù)顯著增加（CI=10.6），陳化后，CI指數(shù)激增至69.3。由此可見，無論是厭氧消化，還是好氧發(fā)酵，這一指數(shù)綜合反映了物質(zhì)的降解與合成，可用于污泥處理產(chǎn)物穩(wěn)定化程度的判定。

總結(jié)厭氧消化和好氧發(fā)酵過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，引用土壤學(xué)普遍認(rèn)同的腐殖酸多酚合成理論來解釋污泥穩(wěn)定化過程有機(jī)質(zhì)合成的過程機(jī)理，用傳統(tǒng)的厭氧兩階段理論和好氧三羧酸循環(huán)理論解釋有機(jī)物的降解過程。如圖5所示，在一定的條件下（有氧、無氧、適宜溫度等），污泥中的有機(jī)物（游離的碳水化合物）以及細(xì)菌細(xì)胞裂解釋放到胞外的有機(jī)物（蛋白質(zhì)、多糖等）在微生物和氧化酶的作用下，一部分有機(jī)物經(jīng)過好氧的三羧酸循環(huán)或厭氧的兩階段（水解酸化和產(chǎn)甲烷），逐步分解為小分子有機(jī)物（丙酮酸、氨基酸等），再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3（或NH+4）、CH4等無機(jī)小分子物質(zhì)；另一部分有機(jī)物先轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，如多酚、醌類（丙酮酸的前驅(qū)物）、氨基化合物等，再在微生物和酶的作用下，與含氮化合物聚合成富里酸，這一過程主要發(fā)生在厭氧消化的熱水解階段和好氧發(fā)酵的一次發(fā)酵階段；接著，生成的富里酸進(jìn)一步聚合，并逐步生成胡敏酸，胡敏酸進(jìn)一步聚合形成腐黑物；這一過程主要發(fā)生在厭氧消化的消化階段和好氧發(fā)酵的二次發(fā)酵和陳化階段。至此，完成了有機(jī)物的降解與腐殖酸類物質(zhì)的合成。其中，有機(jī)物的降解過程相對較快，腐殖酸的合成過程相對緩慢，特別是經(jīng)過長時間的陳化過程，胡敏酸和腐黑物才緩慢形成。

污泥穩(wěn)定化產(chǎn)物（目前廣泛稱之為有機(jī)炭土、生物炭土）因富含有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、微量營養(yǎng)元素、多種氨基酸和酶類等，被認(rèn)為有重要的土地利用潛力。其中，腐殖酸是一種富含多種活性含氧官能團(tuán)的大分子有機(jī)物，是土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑、改良劑、重金屬的固定劑、微量元素的溶解劑和植物養(yǎng)料的“倉庫”。其膠體性能能改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤吸水量增大，透氣性增強，孔隙度和持水量增加，有助于提高土壤的保水、保肥能力。同時，腐殖酸還含有多種活性含氧官能團(tuán)，鹽基交換容量大，能夠吸附土壤中的可溶性鹽，阻礙有害陽離子進(jìn)入植物體內(nèi)，降低土壤鹽濃度和酸堿度，起到改良鹽堿土壤的作用。腐殖酸的活性官能團(tuán)也能與重金屬離子、放射性核素以及芳香化合物等物質(zhì)發(fā)生吸附、離子交換、氧化還原、絡(luò)合鰲合等各種物理化學(xué)反應(yīng)，對轉(zhuǎn)化和降解污染物、凈化土壤環(huán)境起重要作用。腐殖酸還能與中、微量元素發(fā)生螯合反應(yīng)，生成溶解性好、可被植物吸收和利用的螯合物，從而有利于植物對其吸收和利用。此外，腐殖酸能激活土壤酶從而加速微生物的生長，加快有機(jī)氮的礦化速度，減少氮的流失；其活性含氧官能團(tuán)可促使天然磷礦石的分解，增加可溶性磷，活化土壤中的難溶性磷，也能夠吸收和儲存鉀離子，防止鉀離子在沙土及淋溶性強的土壤中隨水流失。

腐殖酸按其在環(huán)境中的形態(tài)又分為富里酸和胡敏酸，富里酸是一類水溶性的小分子腐殖酸，胡敏酸是一類非水溶性的大分子腐殖酸，富里酸在土壤中有較好的擴(kuò)散性和滲透性，可被植物直接吸收利用，而胡敏酸化學(xué)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，因其是非水溶性有機(jī)質(zhì)，在土壤中的遷移性較差，也不能被植物直接吸收利用，但在固定、儲存營養(yǎng)元素、改善土壤肥力等方面發(fā)揮著重要功能。另一方面，在全球碳循環(huán)中，腐殖酸是動植物、微生物殘體回歸自然生態(tài)系統(tǒng)的中間介質(zhì)，是能量交換的載體，也是化石能源（煤、石油、天然氣）形成的前驅(qū)物。污泥穩(wěn)定化過程是模仿自然過程，用工程化手段實現(xiàn)了微生物殘體、有機(jī)物向腐殖酸的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了腐殖酸在地球化學(xué)中的碳循環(huán)。污泥穩(wěn)定化產(chǎn)物的土地利用，不僅是有益物質(zhì)再利用如此簡單的意義，更多的還在于對全球資源能源的可持續(xù)發(fā)展以及地球生物化學(xué)物質(zhì)循環(huán)的重要意義。

本文以全國16座污泥處理工程實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了厭氧消化和好氧發(fā)酵過程物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機(jī)理，揭示和評價了產(chǎn)物的資源化利用潛力和價值。歸納總結(jié)如下：

（1）污泥的穩(wěn)定化處理過程（厭氧消化、好氧發(fā)酵）不僅是簡單有機(jī)物（蛋白質(zhì)、多糖等）降解的過程，也是復(fù)雜、穩(wěn)定的大分子有機(jī)質(zhì)（富里酸、胡敏酸等）合成的過程。穩(wěn)定化產(chǎn)物的價值不僅在于其富含氮磷等營養(yǎng)元素，更大的意義在于穩(wěn)定化過程形成的富里酸和胡敏酸，這類物質(zhì)對土壤保水保肥、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少重金屬的環(huán)境影響、凈化土壤起著重要作用，也是微生物殘體回歸自然生態(tài)系統(tǒng)的中間介質(zhì)，是化石能源形成的前驅(qū)物。腐殖酸化學(xué)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，微生物對其作用緩慢，所以不易腐敗發(fā)臭，是環(huán)境中可長期存在的有機(jī)質(zhì)。

（2）我國采用有機(jī)物降解率來評價穩(wěn)定化程度，存在一定的缺陷；腐殖酸的合成不僅體現(xiàn)了產(chǎn)物的有益價值，也證實了可用于污泥穩(wěn)定化程度的評價；因此，將物質(zhì)的合成與降解結(jié)合起來，是準(zhǔn)確評價污泥穩(wěn)定化處理效果的真正內(nèi)涵。本文提出用腐殖酸總量和熒光復(fù)雜指數(shù)來判斷污泥處理產(chǎn)物的穩(wěn)定化程度。其中，熒光復(fù)雜指數(shù)反映了物料中易生物降解組分（蛋白質(zhì)類物質(zhì)）的減少和復(fù)雜、穩(wěn)定組分（腐殖質(zhì)類物質(zhì)）的增加。該指數(shù)越大，說明簡單有機(jī)物降解地越徹底，腐殖化程度越高。該指數(shù)綜合了物質(zhì)的合成與降解，適用范圍廣（不同工藝的厭氧消化和好氧發(fā)酵），且能有效避免進(jìn)泥泥質(zhì)差異對穩(wěn)定化程度判斷的影響。

（3）本文在研究厭氧消化、好氧發(fā)酵物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，揭示了其穩(wěn)定化處理產(chǎn)物的構(gòu)成、在土壤中的作用發(fā)揮方式、對土壤改良和植物生長的積極意義，相關(guān)研究為我國污泥處理產(chǎn)物的土地資源化利用提供重要的科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和工程使用價值。