城鎮(zhèn)污水處理工藝中溶解性微生物產(chǎn)物的光譜學(xué)特性

孟倩倩，李明潤，丁祥偉，閆 濤，魏 東,2

(1. 濟南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 2500222； 2. 安徽國禎環(huán)保節(jié)能科技股份有限公司，安徽 合肥 230088)

活性污泥法是利用微生物的新陳代謝功能，將污水中的污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使水質(zhì)得到凈化，已成為目前城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理的主要手段之一[1]。污水處理廠常用的工藝和方法主要是厭氧/缺氧/好氧(A2/O)工藝、氧化溝工藝和間歇式活性污泥法(sequencing batch reacter，SBR)、生物膜法等。其中A2/O工藝具有較好的同步脫氮除磷的功能，是目前我國城鎮(zhèn)污水處理項目建設(shè)中的主要工藝[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，在廢水生化處理過程中，出水中除了含有進水中的底物以及生物降解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物外，溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial products，SMP)是出水有機物的重要組分。SMP是指微生物正常代謝活動及衰亡過程中所釋放出的溶解性有機物[3]，其組成較為復(fù)雜，目前已知的成分包括富里酸、腐殖質(zhì)、多糖、核酸、蛋白質(zhì)等[4]。由于SMP中的某些組分不易甚至難以生物降解[1]，同時SMP分子結(jié)構(gòu)容易發(fā)生電子誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)，與生物分子作用后毒性增強，對污泥具有生物毒性[5]，而且SMP是廢水生物處理出水的有機物的主要成分，提高了出水有機物含量，影響出水水質(zhì)，因此對廢水的生物處理及其尾水的深度處理效果產(chǎn)生不利的影響。

近年來，SMP的光譜學(xué)表征手段引起了人們的廣泛關(guān)注，常用的表征方法有熒光光譜法、紫外-可見光譜法、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)法和核磁共振法等。其中熒光光譜技術(shù)中的三維熒光光譜(3D-EEM)技術(shù)不會破壞樣品的結(jié)構(gòu)，且靈敏度較高，選擇性較好[6]，能夠?qū)λ杏袡C物的指紋性特征進行識別[7]。Wang等[8]使用三維熒光光譜評價了壓力作用下SMP的產(chǎn)生釋放情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在激發(fā)波長、發(fā)射波長分別為230、330 nm處出現(xiàn)了微生物產(chǎn)物熒光峰。此外，F(xiàn)TIR法也被廣泛地應(yīng)用于研究有機物的組成結(jié)構(gòu)與官能團性質(zhì)。李磊等[9]運用 FTIR技術(shù)分析了養(yǎng)豬場廢水室內(nèi)處理過程中溶解性有機物的化學(xué)組分，鑒別了有機物的腐殖化程度和生物優(yōu)先利用性。

本文中選取某污水處理廠A2/O工藝作為研究對象，利用3D-EEM、FTIR、分子量(molecular weight，MW)分布測定等手段，分析廢水處理過程SMP的產(chǎn)生情況及光譜學(xué)特性，為今后水中SMP的控制研究提供參考。

1 實驗

1.1 取樣地點

以某城鎮(zhèn)污水處理廠A2/O工藝為研究對象，其采用“進水—粗格柵—細格柵—A2/O(曝氣階段采用移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)工藝)—二沉池—混凝沉淀—濾布濾池—最終出水”的處理工藝流程。在水處理工藝沿程設(shè)置11處采樣點，分別為進水1處、厭氧段2處、缺氧段3處、好氧段4處、二沉池1處，對所取水樣進行水質(zhì)、熒光光譜特性、FTIR表征及分子量測定，分析水處理沿程SMP的產(chǎn)生特性。

1.2 試劑與儀器

實驗用試劑包括： 磷酸，天津市大茂化學(xué)試劑廠； 4-氨基苯磺酰胺、N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽，國藥集團化學(xué)試劑有限公司； 酒石酸鉀鈉，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司； 鹽酸，山東萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠； 氨基磺酸，天津市北聯(lián)精細化學(xué)品開發(fā)有限公司。以上試劑均為分析純。

實驗用儀器主要包括：TU-1901型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；LS-55型熒光光度計，美國PerkinElmer公司；FTS-165型紅外光譜分析儀，美國Perkin Elmer公司；1260型凝膠色譜分析儀，美國安捷倫科技公司。

1.3 分析方法

1.3.1 水質(zhì)測定方法

1.3.2 3D-EEM

3D-EEM的測定參數(shù)設(shè)置如下： 激發(fā)波長為200～400 nm，增量為10 nm； 發(fā)射波長為280～550 nm，增量為0.5 nm，掃描速度為1 200 nm/min。

1.3.3 FTIR

采用FTIR儀對樣品進行測試，測試前，SMP水樣置于冷凍干燥機中，在-60 ℃溫度下冷凍干燥48 h。

1.3.4 MW分布測定

MW分布是SMP的一項重要研究內(nèi)容[10]，本文中使用凝膠色譜柱進行分子量測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 A2/O水質(zhì)分析

圖1 城鎮(zhèn)污水處理工藝中水質(zhì)的沿程變化

2.2 3D-EEM

圖2所示為城鎮(zhèn)污水處理A2/O工藝中各個階段水樣中SMP的3D-EEM。由圖可以看出，SMP的圖譜中有3個主要的峰： 出現(xiàn)于激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為230、350 nm處的特征峰與芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)有關(guān)，在激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為240、440～450 nm處的特征峰與富里酸類物質(zhì)的存在有關(guān)，出現(xiàn)于激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為330、430 nm處的特征峰與腐殖酸類物質(zhì)有關(guān)[11]。

由圖2(a)、(b)中可以看出，在2個厭氧池SMP水樣中3個特征峰沒有明顯變化，圖2(c)—(i)顯示，在缺氧池和好氧池水樣中3個峰發(fā)生了明顯的變化。在缺氧池水樣中，芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)的相對熒光強度從150.94增大到177.91，這可能與在缺氧池1中添加液體碳源有關(guān)。此外，芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)的相對熒光強度在好氧池1—4的出水中從150.01減小到124.30，可能是類蛋白類物質(zhì)在好氧條件下很容易發(fā)生生物降解所致[12]。同時，腐殖酸類物質(zhì)的相對熒光強度在好氧池1—4出水中無明顯變化。之前也有相關(guān)文獻[13]報道認為，腐殖酸類物質(zhì)很難進行生物降解。富里類酸物質(zhì)的相對熒光強度從153.35先增大到180.25后再減小到160.09，表明在缺氧池水樣中SMP所含富里類酸物質(zhì)先得到富集，然后很快被降解，具有很好的降解性能。由于沒有明顯的微生物代謝行為，二沉池水樣(圖2(j))中上述3類物質(zhì)的熒光強度和位置與好氧池出水中的相比變化不大。

(a)厭氧池1進水(b)厭氧池2出水(c)缺氧池1(d)缺氧池2(e)缺氧池3(f)好氧池1

2.3 FTIR

圖3 城鎮(zhèn)污水處理不同階段水樣中溶解性微生物產(chǎn)物的紅外光譜

利用FTIR對厭氧池2、缺氧池3和好氧池4出水中的SMP進行分析，可以表征A2/O工藝不同階段SMP的官能團變化，如圖3所示。由圖可以看出，不同階段水樣中SMP的官能團組成相似，并且變化很小。3 351～3 369 cm-1左右的吸收峰與多糖的O—H基團和蛋白質(zhì)的氨基有關(guān)[14]，同時發(fā)現(xiàn)缺氧池中該峰消失，說明在缺氧環(huán)境下SMP中的多糖和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。1 640 cm-1的吸收峰歸因于蛋白質(zhì)中C—O鍵和C—N鍵的拉伸振動，好氧池中的蛋白質(zhì)吸收峰的酰胺Ⅱ基團從1 646 cm-1移動至1 639 cm-1，這可能與大分子被分解成小片段有關(guān)[15]。1 404～1 410 cm-1附近的吸收峰與甲基中C—H鍵的變形振動有關(guān)[16]。1 102～1 133 cm-1處的吸收峰歸屬于多糖的對稱C—O基團或C—O—C基團的伸縮振動。860 cm-1處的吸收峰證明C—H基團的存在，表明好氧池、缺氧池和厭氧池中均有碳水化合物的存在。

2.4 分子量分布

通過高效凝膠過濾色譜來測定不同分子量物質(zhì)在波長為254 nm時的吸光度，進而得到A2/O工藝中不同階段水樣中SMP的分子量分布，如圖4所示。

圖4 城鎮(zhèn)污水處理不同階段水樣中溶解性微生物產(chǎn)物的分子量分布

在城鎮(zhèn)污水處理A2/O工藝中，SMP的分子量主要分布在小分子區(qū)域(0～1 000 Da)[17]，分別為80、320、620、900 Da，分子量為80 Da的物質(zhì)主要是小分子的氨基酸，其在進水中的含量明顯要低于處理過程中的，原因是在污水處理過程中，氨基酸類物質(zhì)被大量釋放，其含量隨著反應(yīng)的進行也逐漸降低，說明氨基酸類物質(zhì)被微生物降解。分子量為320、620、900 Da的物質(zhì)含量變化不明顯，這部分物質(zhì)大都是蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的小分子有機酸和氨基酸類物質(zhì)[18]。由于有機酸和含氮化合物含量相對較低，微生物的生命活動不活躍，對蛋白質(zhì)類物質(zhì)的利用不充分，因此其降解產(chǎn)物變化不明顯。

3 結(jié)論

本文中利用3D-EEM技術(shù)和FTIR法對城鎮(zhèn)污水處理A2/O工藝不同階段水樣中的SMP進行測定，并結(jié)合高效凝膠過濾色譜的分子量分布測定及水質(zhì)檢測結(jié)果對SMP進行分析，得出如下結(jié)論：

2)3D-EEM結(jié)果顯示，SMP主要成分為芳香族蛋白類物質(zhì)、富里酸類物質(zhì)及腐殖酸類物質(zhì)，這些物質(zhì)的相對熒光強度隨著運行參數(shù)的改變而發(fā)生變化。

3)FTIR分析表明，在厭氧池2、缺氧池3及好氧池4出水中，SMP存在相似的官能團(蛋白質(zhì)、多糖和碳水化合物)，且在缺氧階段的SMP中的多糖和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

4)分子量分布測定結(jié)果表明： SMP的分子量主要分布在小分子區(qū)域(0～1 000 Da)，分子量為80 Da的物質(zhì)的含量在進水中明顯要低于處理過程中的濃度，小分子有機酸和氨基酸的濃度沿程變化較小。