基于響應(yīng)曲面法的電化學(xué)污泥優(yōu)化處理及溶胞效應(yīng)研究*

吳世璋，薛霄，王行梁，王官，邵甜，戚明旸，鄭興，楊鶴云，張耀中，李曉良**

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710065；2. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710048)

近年來，剩余污泥的產(chǎn)量隨著各類污水處理量 提升而持續(xù)增長，由于剩余污泥產(chǎn)量較大、含水率高[1-2]，污泥的脫水減量已成為目前重大環(huán)境問題之一[3]。近年來，電化學(xué)法處理污泥受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。電化學(xué)過程中產(chǎn)生各種強(qiáng)的氧化性自由基，可破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，改善脫水性能，氧化分解胞外聚合物(EPS)，釋放出與胞內(nèi)物質(zhì)，并對胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)一步礦化，從而達(dá)到污泥脫水減量的目的[5]。相比于其他傳統(tǒng)污泥減量技術(shù)(如厭氧消化、代謝解偶聯(lián)、微生物強(qiáng)化等)，電化學(xué)法具有清潔高效、操作簡單、靈活可控等優(yōu)點(diǎn)[6]。

在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)運(yùn)行參數(shù)是影響污泥脫水減量的關(guān)鍵因素，主要包括外施電壓、電極間距、反應(yīng)時(shí)間等[7-9]。外施電壓決定電化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度，電壓較低時(shí)，電極表面產(chǎn)生自由基的速率過慢，反應(yīng)時(shí)間會(huì)因此延長[10]，而電壓過高時(shí)，又會(huì)加析氧副反應(yīng)程度，能耗增加。電極間距過大會(huì)減弱電場效應(yīng)，使得脫水效果變差，間距過小時(shí)則容易造成電極短路、腐蝕加劇[11]。反應(yīng)時(shí)間直接影響著污泥的處理程度，時(shí)間過短不能充分地進(jìn)行反應(yīng)，時(shí)間過長則使得過多電量以熱能形式散失，增加處理成本[12]。因此，電化學(xué)運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)的確定對污泥處理較為重要。響應(yīng)曲面法可獲得因素與響應(yīng)值之間的預(yù)測模型，在污泥脫水調(diào)理的研究中有所應(yīng)用[13-14]，但在電化學(xué)法處理污泥過程中的參數(shù)優(yōu)化研究還較少。

筆者以污泥濃度為評價(jià)指標(biāo)，考察外施電壓、電極間距和反應(yīng)時(shí)間對污泥濃度MLSS(ρ，下同)的影響，運(yùn)用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立污泥濃度預(yù)測模型，優(yōu)化電化學(xué)法污泥處理的運(yùn)行參數(shù)，并對電化學(xué)處理過程中污泥細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)以及上清液中的DNA濃度進(jìn)行表征與分析，研究了電化學(xué)污泥處理過程中的溶胞效應(yīng)。此外，還以大腸桿菌(E.coli)細(xì)胞作為受試生物，結(jié)合毒理基因組學(xué)法對電化學(xué)處理過程中污泥上清液的毒性水平及作用機(jī)制進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而為該電化學(xué)污泥處理工藝提供風(fēng)險(xiǎn)控制依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與材料

二苯胺、氯化鈉、冰醋酸、濃硫酸，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水由實(shí)驗(yàn)室級超純水器(UPD-II-10T，西安優(yōu)普儀器設(shè)備有限公司)制備；Ti/Sb-SnO2/RuO2陽極(網(wǎng)狀)，陜西寶雞市祺鑫鈦業(yè)有限公司。所用剩余污泥取自西安市某污水處理廠，污泥基本性質(zhì)見表1。

表1 污泥試樣基本性質(zhì)

DPS-3005D型直流穩(wěn)壓電源，深圳市兆信電子儀器設(shè)備有限公司；79-1型電磁加熱攪拌器，江蘇金壇市中大儀器廠；101-1B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；Ti-E型倒置熒光顯微鏡，日本尼康公司。

1.2 污泥處理與分析

采用電化學(xué)試驗(yàn)裝置對污泥進(jìn)行處理。電解槽為1000 mL燒杯，以Ti/Sb-SnO2/RuO2與Ti分別作為陽極與陰極，極板尺寸為7 cm×14 cm。兩電極分別連接在直流穩(wěn)壓電源輸出端，電化學(xué)處理過程中使用恒溫磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為200 r/min。采用恒重法測定污泥濃度，采用電子掃描顯微鏡和熒光顯微鏡對電解前后污泥細(xì)胞形態(tài)與活/死細(xì)胞占比進(jìn)行觀察，探究污泥溶胞效應(yīng)。

1.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對污泥電化學(xué)反應(yīng)過程中的電壓、電極間距和反應(yīng)時(shí)間等3個(gè)參數(shù)進(jìn)行考察，分析各因素對污泥濃度去除效果的影響，確定各因素最優(yōu)范圍；各試驗(yàn)參數(shù)均選取離散試驗(yàn)點(diǎn)，通過樣本間接研究連續(xù)參數(shù)區(qū)間內(nèi)污泥處理效果，單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照三因素三水平進(jìn)行耦合試驗(yàn)，對因素的響應(yīng)行為進(jìn)行表征，3個(gè)因素分別為電壓(X1)、電極間距(X2)、反應(yīng)時(shí)間(X3)，預(yù)測響應(yīng)值(Y)為污泥濃度。該模型擬合的二次多項(xiàng)式方程見式(1)。

式中：Y——預(yù)測響應(yīng)值；

Xi，Xj——分別為因素編碼值；

β0——偏移項(xiàng)；

βi——線性偏移系數(shù)；

βii——二階偏移系數(shù)；

βij——交互作用系數(shù)。

采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平見表3。其中X1=(ε1-20)/5，X2=(ε2-3)/2，X3=(ε3-1)/0.5。

表3 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平

1.5 污泥上清液毒理分析

對電化學(xué)處理過程中的污泥上清液進(jìn)行毒理基因組學(xué)測試[15-17]，采用114種帶有不同生理功能的啟動(dòng)子的E.coli K12 MG1655(含低拷貝質(zhì)粒、卡納抗性基因及綠色熒光標(biāo)記基因的大腸桿菌細(xì)胞)微陣列進(jìn)行試樣毒性評價(jià)。操作步驟為：在384孔板中將細(xì)胞培養(yǎng)至指數(shù)生長階段(光密度0.1～0.3)后，加入測試試樣，使用微孔板讀數(shù)器測定其光密度(OD)及熒光強(qiáng)度(GFP)，每5 min讀一次，共計(jì)2 h。對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析，量化測試試樣的毒性水平，采用轉(zhuǎn)錄效應(yīng)水平值(TELI)作為量化的指標(biāo)，定性、定量分析環(huán)境污染物的毒性效應(yīng)水平以及毒性機(jī)制，具體步驟可參考文獻(xiàn)[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥濃度去除效果單因素試驗(yàn)分析

電壓、電極間距、反應(yīng)時(shí)間對污泥濃度去除效果的影響見圖1。

由圖1可見：隨著電壓的增加以及反應(yīng)時(shí)間的延長，MLSS呈整體下降趨勢。當(dāng)電壓控制在15～25 V時(shí)，MLSS的去除率可達(dá)到15%～25%，具有較好的污泥減量效果，因此電壓優(yōu)選15～25 V。

反應(yīng)時(shí)間由1.5 h延長到2.5 h時(shí)，MLSS去除率由16.68%提升到24.88%，但反應(yīng)時(shí)間延長會(huì)使大部分的電能以熱能的形式被消耗，因此以處理時(shí)間1.5 h 為上限，反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選0.5～1.5 h。

電極間距對污泥濃度的影響與前兩者對污泥濃度的影響不同，當(dāng)電極間距為1～2 cm時(shí)，MLSS隨著電極間距的增大而下降(污泥減量效果提升)，當(dāng)電極間距為3～5 cm時(shí)，MLSS則隨著電極間距的增大先升高后下降(污泥減量效果變差)，這可能是由于1 cm的間距過短，使得污泥吸附在電極板上阻礙了電催化反應(yīng)[19]。為了進(jìn)一步研究電極間距影響，電極間距優(yōu)選1～5 cm。

2.2 污泥濃度預(yù)測模型構(gòu)建

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4，采用Design-Expert軟件，求得式(2)中的各項(xiàng)系數(shù)，得出污泥濃度的回歸方程模型，其中A代表電壓，B代表電極間距，C代表反應(yīng)時(shí)間。

表4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

污泥濃度模型的方差分析結(jié)果見表5。

由表5可見：R2=0.9767；=0.9468；0.7886；信噪比18.482(＞4)。該模型的F=32.67，P＜0.05，表明模型顯著性較強(qiáng)。由各因素F值和P值可以看出，各因素的顯著性影響程度順序由大至小為：電壓，反應(yīng)時(shí)間，電極間距。

表5 污泥濃度回歸方程模型的方差分析

污泥濃度模型校正決定系數(shù)R2adj=0.9468，信噪比18.482＞4，表明可以解釋94.68%的響應(yīng)變化[20]。該模型決定系數(shù)R2=0.9767，表明模型擬合度良好，可進(jìn)行預(yù)測。

各因素對污泥濃度影響的響應(yīng)曲面見圖2。各因素對污泥濃度的影響反映在曲面坡度上，坡度越大則影響越大；等高線形狀及密度反映因素間交互作用的強(qiáng)弱，越趨于橢圓、越密集，因素間的交互作用則越強(qiáng)[21-22]。

由圖2可見：各因素的顯著性影響程度由大至小的排序?yàn)椋弘妷?、反?yīng)時(shí)間、電極間距，與表5中的方差分析結(jié)論一致，且污泥濃度與反應(yīng)時(shí)間、電壓、電極間距均有顯著的交互作用。

2.3 最優(yōu)條件確定及模型驗(yàn)證

為獲得電化學(xué)法處理污泥的最優(yōu)反應(yīng)條件，利用Design Expert軟件的優(yōu)化功能，設(shè)定各因素約束條件，求解約束條件下的最低污泥濃度，設(shè)定條件見表6。

表6 影響因素和影響量的優(yōu)化

由表6可見：在約束條件下，利用模型求解得到的污泥濃度最低為8.818 g/L，最優(yōu)條件為：電極間距2 cm，電壓20 V，反應(yīng)時(shí)間1 h。為了進(jìn)行驗(yàn)證，在上述條件下進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)，得到的平均污泥濃度為8.852 g/L，與模型得到的預(yù)測值偏差為0.58%，表明該模型可真實(shí)反映各因素對污泥濃度的影響[23]。

2.4 污泥在電化學(xué)過程中的溶胞效應(yīng)

經(jīng)過電化學(xué)法處理后污泥濃度可顯著降低。有報(bào)道稱電化學(xué)處理污泥是將污泥細(xì)胞溶解，釋放胞內(nèi)物質(zhì)，并進(jìn)一步對胞內(nèi)物質(zhì)氧化分解[24-25]。隨著電壓升高、處理時(shí)間的延長，陽極表面產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性自由基逐漸增多[26-28]，對污泥的溶胞效果逐漸加強(qiáng)。分別利用電子掃描顯微鏡和倒置熒光顯微鏡(預(yù)先進(jìn)行污泥細(xì)胞染色)觀察電化學(xué)處理前后的污泥，結(jié)果見圖3。

由圖3(a)及圖3(b)可見：未經(jīng)電化學(xué)處理前，污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，顆粒飽滿；經(jīng)過電化學(xué)處理后，污泥絮體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，呈現(xiàn)絮團(tuán)狀[29]。

由圖3(c)及圖3(d)可見：熒光綠色表達(dá)為活細(xì)胞分布情況，熒光紅色表達(dá)為死細(xì)胞分布情況。污泥經(jīng)電化學(xué)處理后，熒光綠色表達(dá)顯著下降，而熒光紅色表達(dá)顯著增強(qiáng)，該結(jié)果表明此時(shí)污泥中死細(xì)胞占比上升，電化學(xué)處理使得污泥中的細(xì)胞大量死亡[30]。

遺傳物質(zhì)DNA一般存在于細(xì)胞核內(nèi)，溶胞時(shí)，DNA會(huì)隨著胞內(nèi)物質(zhì)一同釋放，進(jìn)入污泥上清液中。該研究對污泥上清液中DNA濃度變化進(jìn)行檢測分析，進(jìn)一步驗(yàn)證電化學(xué)溶胞效應(yīng)，結(jié)果見圖4。

由圖4可見：污泥上清液中DNA含量隨電壓升高以及電解時(shí)間的延長而上升。當(dāng)電壓為5，l0 V時(shí)，上清液中DNA濃度增長較為緩慢，這是由于電壓過低時(shí)，電極產(chǎn)生自由基的速率緩慢，污泥溶胞效果較差。當(dāng)電壓繼續(xù)升高至15，20 V時(shí)，污泥上清液DNA濃度達(dá)到較高水平，分別為38.19，57.66 μg/mL，表明電化學(xué)處理過程中的電壓參數(shù)對污泥破壁與溶胞具有顯著影響，與上述響應(yīng)曲面分析結(jié)論一致。

2.5 電化學(xué)處理過程中污泥上清液的毒理分析

電化學(xué)處理污泥過程中會(huì)引起反應(yīng)體系中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，與體系中的無機(jī)離子相互反應(yīng)生成毒性更大的中間體。為考察電化學(xué)污泥處理過程中可能產(chǎn)生的毒性效應(yīng)，基于毒理基因組學(xué)的大腸桿菌細(xì)胞微陣列測試法對電解過程中污泥上清液進(jìn)行了毒性機(jī)制評價(jià)，結(jié)果見圖5。

由圖5(a)可見：電解過程中污泥上清液的TELITotal值隨反應(yīng)時(shí)間延長而升高，并在2 h電解條件下達(dá)到最高值7.19(通常定義測試目標(biāo)物的TELITotal值大于1.5時(shí)毒性水平顯著[31])，表明污泥在電化學(xué)處理過程中產(chǎn)生了毒性更高的中間體，因此對于電化學(xué)處理后污泥上清液的利用與處置需要特別注意。

由圖5(b)可見：對114種功能基因的應(yīng)激表達(dá)譜圖進(jìn)行分析，結(jié)果表明電化學(xué)處理過程中污泥上清液更大程度地誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激與蛋白應(yīng)激，膜應(yīng)激、一般應(yīng)激的相關(guān)基因在測試試樣暴露下表達(dá)較溫和，DNA損傷程度則隨時(shí)間延長而加劇并在2 h時(shí)達(dá)到最高值。對比114種基因在試樣暴露下的表達(dá)變化情況發(fā)現(xiàn)，隨時(shí)間延長，最初的較易恢復(fù)的氧化應(yīng)激與蛋白應(yīng)激逐漸轉(zhuǎn)化為不可恢復(fù)的DNA損傷應(yīng)激，表明污泥上清液毒性隨電解時(shí)間延長而逐漸增大，該結(jié)果與上述研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1)電化學(xué)法可實(shí)現(xiàn)對剩余污泥的脫水減量，響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)表明電極間距、電壓、反應(yīng)時(shí)間三者具有顯著的交互作用。在約束條件下對響應(yīng)曲面模型求解得到的電化學(xué)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)為電極間距2 cm，電壓20 V，反應(yīng)時(shí)間1 h。

2)基于響應(yīng)曲面優(yōu)化法建立了電化學(xué)處理過程中的污泥濃度預(yù)測模型，模型決定系數(shù)為0.9767，擬合度良好，可對不同電化學(xué)運(yùn)行參數(shù)下的污泥濃度進(jìn)行預(yù)測。對模型求解得到的污泥濃度最低為8.818 g/L，最優(yōu)條件為電極間距2 cm，電壓20 V，反應(yīng)時(shí)間1 h。

3)電化學(xué)處理污泥使其絮體結(jié)構(gòu)與微生物細(xì)胞被破壞，污泥中的活細(xì)胞占比下降，同時(shí)污泥上清液的DNA溶出量隨電壓增大而增大，驗(yàn)證了電化學(xué)對污泥細(xì)胞的破壁溶胞效應(yīng)。

4)毒理基因組學(xué)測試表明：電化學(xué)污泥處理過程中污泥上清液毒性水平呈現(xiàn)增大趨勢，其中造成的細(xì)胞氧化應(yīng)激與蛋白質(zhì)應(yīng)激最為強(qiáng)烈，隨電解時(shí)間的延長，較易恢復(fù)的細(xì)胞氧化應(yīng)激與蛋白應(yīng)激向不可恢復(fù)的DNA損傷應(yīng)激轉(zhuǎn)化。