高鹽廢水MBR過程中胞外聚合物提取研究

鐘輝，袁野，鐘常明，2

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

在高鹽廢水的處理過程中，膜分離法是目前最高效、適用范圍最廣的工藝技術(shù)[1]，但是，相應(yīng)的膜污染問題也隨之而來[2]。目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)為可溶性微生物產(chǎn)物SMP和胞外聚合物EPS為膜污染的主要原因[3-4]。EPS的提取方法主要分為物理法和化學(xué)法，不同方法在不同的污泥中，提取EPS的成分種類和含量各不相同。近年來，對于含鹽廢水中污泥EPS的提取方式的比較的相關(guān)研究報(bào)道較少，尤其是高鹽下污泥EPS的提取方法尚未定論。因此，本研究采用常見的5種方法，在不同鹽度下提取不同的EPS組分并進(jìn)行分析以期能夠探究高鹽廢水的污泥中EPS適宜的提取方法和組成特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

NaCl、NH4Cl、KH2PO4、NaOH、H2SO4、葡萄糖、37%甲醛、苯酚、無水乙醇、考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清蛋白(BSA)、丙三醇、3，5-二硝基水楊酸(DNS)均為分析純；實(shí)驗(yàn)所用污泥，由污水處理廠的剩余污泥馴化后得到鹽度不同的活性污泥，在MBR中穩(wěn)定培養(yǎng)后，各鹽度下活性污泥對COD的去除均達(dá)到95%以上，污泥具體參數(shù)見表1。

表1 污泥來源和參數(shù)Table 1 Sludge sources and parameters

LP-40低噪聲空氣泵；PX224ZH/E電子天平；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋；DHG-9247A電熱恒溫干燥箱；X5紫外可見分光光度計(jì)；KH20A高速臺式離心機(jī)；F-280三維熒光光譜儀。

1.2 污泥EPS的提取

在各反應(yīng)器的曝氣區(qū)取10 mL混合液于10 mL離心管中，同一批次下，每個反應(yīng)器取12個樣，靜置(4 ℃，30 min)，離心 10 min[4 ℃，2 000 g(6 700 r/min)]，上清液通過0.45 μm濾膜得到SMP，往泥餅中加入由純水配制的0.9% NaCl溶液至10 mL，靜置(4 ℃，1 h)，離心 10 min[4 ℃，5 000 g(10 600 r/min)]，上清液通過0.45 μm濾膜得到LB-EPS，再往泥餅中加入由純水配制的0.9%NaCl溶液至5 mL，振蕩，靜置(4 ℃，1 h)，以同一反應(yīng)器的兩個樣為一組，進(jìn)行離心法、超聲法、加熱法、甲醛法、甲醛+NaOH法，具體操作如下。

①離心法：補(bǔ)充0.9%NaCl溶液至10 mL，4 ℃，6 700 r/min離心20 min(作為對照組)。

②超聲法：補(bǔ)充0.9%NaCl溶液至 10 mL，130 W 超聲10 min。

③加熱法：補(bǔ)充0.9%NaCl溶液至10 mL，70 ℃水浴加熱30 min。

④甲醛法：加入0.2 mL 37%甲醛，補(bǔ)充0.9% NaCl溶液至10 mL。

⑤甲醛+NaOH法：加入0.2 mL 37%甲醛，再加入2 mL NaOH，補(bǔ)充0.9%NaCl溶液至10 mL。

采用上述不同方法處理后，各樣品在8 000 g(18 000 r/min)，4 ℃，離心10 min，上清液通過 0.45 μm 濾膜得到TB-EPS。最后得到各反應(yīng)器的SMP，LB-EPS和TB-EPS，冷藏24 h后進(jìn)行檢測分析。

1.3 EPS成分分析

本研究中，蛋白質(zhì)PN和DNA含量采用紫外吸收法測定[5-6]，多糖PS含量采用苯酚-濃硫酸測定法[7]，提取總量是指蛋白質(zhì)、多糖和DNA質(zhì)量之和，結(jié)果表示為mg/g SS。

1.4 EPS三維熒光及方法分析

利用三維熒光光譜儀對上述SMP、LB-EPS和TB-EPS進(jìn)行測樣，利用MATLAB中drEEM工具箱實(shí)現(xiàn)平行因子分析(PARAFAC)，設(shè)置參數(shù)如下：激發(fā)波長Ex(240～550 nm)，發(fā)射波長Em(240～550 nm)，激發(fā)/發(fā)射間隔5 nm，激發(fā)/發(fā)射狹縫 5 nm，增益倍數(shù)為1。通過origin2021和visio作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合液上清液、SMP、LB-EPS的成分分析

對4組鹽度下活性污泥的SMP和LB-EPS進(jìn)行提取，混合液上清液以及污泥的SMP和LB-EPS中各組分含量見圖1。

圖1 各組混合液上清液、SMP和LB-EPS的組分變化與MLSS的對應(yīng)圖Fig.1 Correspondence diagram between component changesof supernatant，SMP and LB-EPS of each group and MLSSa.混合液上清液；b.SMP；c.LB-EPS

由圖1可知，四組鹽度下提取的SMP和LB-EPS中都含有蛋白質(zhì)、DNA和多糖，含量從大到小依次為蛋白質(zhì)>多糖>DNA，說明在高鹽環(huán)境中蛋白質(zhì)依舊是活性污泥胞外聚合物的主要成分，此結(jié)果與Tang的研究相一致[8]。本實(shí)驗(yàn)中，SMP經(jīng)過0.45 μm濾膜后，A1的組分總量最低，其次是A3、A4、A2，含量分別為5.92，29.57，56.03，132.34 mg/g SS。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對四個反應(yīng)器中過濾后的上清液進(jìn)行組分測定A1、A2、A3、A4，含量分別為123.59，109.75，43.0，45.88 mg/g SS，其中，蛋白質(zhì)組分含量分別為110.02，57.97，27.89，27.48 mg/g SS，蛋白質(zhì)含量與鹽度呈正相關(guān)，多糖含量在A2中達(dá)到最大值，在A1中為最小值。經(jīng)過濾膜處理后，A1中SMP的蛋白質(zhì)含量驟降說明蛋白質(zhì)以某種大分子形式存在，大量蛋白質(zhì)被濾膜截留使得A1的SMP和LB-EPS的蛋白質(zhì)含量低。Krisna等[9]認(rèn)為這是高鹽度下蛋白質(zhì)的鹽析作用所導(dǎo)致。DNA的含量決定細(xì)胞的破碎程度[10-11]，混合液上清液的A1中DNA含量相對較高，說明在高鹽下，部分微生物容易破碎。LB-EPS經(jīng)過0.45 μm濾膜后，A3的組分總量最低，其次是A1、A2、A4，含量分別為3.22，7.48，7.69，8.76 mg/g SS。A1中的DNA含量比其它的鹽度的DNA含量相對較多，說明在SMP去除后，胞外聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加脆弱，胞內(nèi)DNA在離心作用下釋放出來。各鹽度下組分含量差異較小，說明在去除SMP后，各鹽度下污泥處于同一比較水平[12]，此時(shí)，EPS的差異性通過成分含量和成分種類得以體現(xiàn)。

2.2 不同污泥不同提取方法TB-EPS的差異

由圖2可知，采用5種提取方法對不同鹽度污泥的提取效果總體如下：甲醛+NaOH>甲醛>加熱>超聲>離心。5種方法的TB-EPS的平均提取量分別為208.03，67.85，48.55，3.29，3.22 mg/g SS。超聲法的總提取效率略高于對照組，表明超聲法提取不同鹽度的TB-EPS效果與離心法相比無明顯差異，這與王淑瑩等[13]研究結(jié)果相一致。甲醛法對多糖的平均提取量為 63.9 mg/g SS，占總平均提取量的94.2%，表明甲醛能夠有效提取EPS中的多糖物質(zhì)。加熱法對污泥的EPS提取效率適中，但由于DNA占比相對較大，細(xì)胞破裂嚴(yán)重，不宜作為分析指標(biāo)[11]。甲醛+NaOH法是通過甲醛保護(hù)多糖的降解同時(shí)利用NaOH使污泥pH升高，增加帶電EPS分子間的斥力，從而提高EPS提取效率[13]。在四組鹽度下，甲醛+NaOH法的提取效率都遠(yuǎn)高于其他提取方法。說明甲醛+NaOH法更適合提取含鹽污泥的ESP。此外，由圖2中可以看出，在A4鹽度的提取量最高，達(dá)到414.61 mg/g SS，在鹽度A3組中，TB-EPS的提取含量為最低水平，這與王子超等[14]發(fā)現(xiàn)TB-EPS的蛋白質(zhì)和多糖會隨鹽度增加而增加的研究結(jié)果并不一致。分析原因可能是本實(shí)驗(yàn)中的污泥取自不同的污水處理廠以及后期馴化的條件不同所導(dǎo)致。

圖2 不同鹽度下不同提取方法的組分比較Fig.2 Component comparison of different extractionmethods under different salinity1.離心(對照)；2.超聲；3.加熱；4.甲醛；5.甲醛+2 mL NaOH

2.3 SMP、LB-EPS、TB-EPS的三維熒光分析

在經(jīng)過1.2節(jié)處理后，對四類污泥提取的SMP、LB-EPS和TB-EPS進(jìn)行三維熒光分析，分析的數(shù)據(jù)通過Matlab去除瑞利散射和拉曼散射[15]和空白后進(jìn)行平行因子分析并得到圖3和圖4。根據(jù)Chen[16]對三維熒光光譜物質(zhì)的劃分。

圖3 不同鹽度下SMP和LB-EPS的EEM

由圖3可知，4種污泥提取的SMP中都存在類胡敏酸(Ex/Em，290/360，460 nm)[16]和類富里酸(Ex/Em=260～280 nm/450～464 nm)[17]，在A4中類胡敏酸熒光強(qiáng)度最低，這與安瑩等[4]研究相符，類胡敏酸和類富里酸受鹽度沖擊影響。但在本實(shí)驗(yàn)中它們并沒有呈正相關(guān)趨勢，分析原因可能是高鹽度下，蛋白質(zhì)的鹽析作用產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀在經(jīng)過濾膜時(shí)被截留[18]。A3的SMP組分中幾乎沒有可溶性微生物副產(chǎn)物(Ex/Em=250～280 nm/300～350 nm)[17]，而LB-EPS中卻存在，熒光強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于其它組，該熒光區(qū)域范圍(Ex/Em=320～370 nm/410～460 nm)屬于類腐殖酸[19]，結(jié)合圖1b，這也證實(shí)了蛋白質(zhì)、多糖和腐殖酸是SMP的主要成分[20]。在LB-EPS中，4種鹽度的污泥都含有類胡敏酸、類富里酸以及類色氨酸(Ex/Em=275～296 nm/340～380 nm)[21]，且類色氨酸的熒光強(qiáng)度與鹽度呈正相關(guān)，類富里酸和類胡敏酸的熒光強(qiáng)度與鹽度呈負(fù)相關(guān)，這與安瑩[4]的研究相一致。

由圖4可知，在除甲醛法外的其他4種TB-EPS提取方法中，A1提取的TB-EPS幾乎具有最強(qiáng)的熒光峰。說明高鹽下TB-EPS的提取效果更好。離心法和加熱法中A1的熒光峰最強(qiáng)，兩種提取方法都有類蛋白質(zhì)(Ex/Em=275～285/346～368 nm)和類胡敏酸，類蛋白質(zhì)熒光峰中心位置存在偏差，加熱法在Ex/Em=285～295/350 nm，離心法在Ex/Em=275/310 nm，原因分析可能是蛋白質(zhì)受熱后發(fā)生變性，物質(zhì)的特征峰發(fā)生偏移。用甲醛+NaOH法提取的物質(zhì)在Ex/Em=310～315/380～400 nm處存在獨(dú)有的熒光峰，屬于類腐殖酸。李歡等[22]也提出了堿破解可促使污泥中腐殖酸溶出的結(jié)論。堿溶過程所產(chǎn)生的物質(zhì)主要為大分子物質(zhì)，造成大分子物質(zhì)可能在過0.45 nm濾膜時(shí)被截留，同時(shí)鹽度也影響著顆粒粒徑，這就使得甲醛+NaOH法提取的類腐殖酸熒光強(qiáng)度沒有明顯隨鹽度變化的現(xiàn)象。但總體來說高鹽下污泥TB-EPS中存在的類腐殖酸含量更高。甲醛法與離心法對比下可發(fā)現(xiàn)，甲醛雖然作為一種萃取劑[23]，但對溶解性有機(jī)物DOM的提取似乎存在某種保護(hù)機(jī)制，尤其是在高鹽環(huán)境下，其原因尚未可知。

圖4 不同鹽度不同提取方法TB-EPS的EEMFig.4 The EEMs of TB-EPS with different salinityand different extraction methods

2.4 平行因子分析

對2.3節(jié)得到的三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行平行因子分析，在拆半分析驗(yàn)證中[24]，發(fā)現(xiàn)只有加熱法提取的TB-EPS中存在2組組分，見圖5，組分1的熒光峰為350/450 nm，組分2的熒光峰為280/355 nm。根據(jù)Chen[16]的分類對應(yīng)組分分別是類胡敏酸和類蛋白質(zhì)。平行因子分析說明加熱法存在共同組分，為EPS分析提供兩種新的提取分析方式，通過組分熒光強(qiáng)度的比較，可以對比不同鹽度污泥TB-EPS的提取效果。還可結(jié)合其他影響因素進(jìn)行后續(xù)分析。

圖5 加熱法和甲醛法對應(yīng)共同組分的EEM和波長圖Fig.5 The EEMs and wavelength diagrams of commoncomponents corresponding to heating and formaldehyde

3 結(jié)論

(1)本研究中，SMP提取總量：A2>A4>A3>A1，LB-EPS提取總量：A4>A2>A1>A3，但在A1、A2的上清液中測出蛋白質(zhì)含量分別為 110.02 mg/g SS 和57.97 mg/g SS。說明要探究高鹽下污泥的特性，還需考慮混合液中的組分。

(2)5種方法提取TB-EPS的排列如下：甲醛+NaOH法>甲醛法>加熱法>超聲法>離心法。同時(shí)甲醛能夠有效提取EPS 中的多糖。高鹽環(huán)境下污泥EPS的多糖含量要低于低鹽環(huán)境。

(3)在三維熒光分析中，四組鹽度污泥的LB-EPS都含有類胡敏酸、類富里酸以及類色氨酸，且類色氨酸的熒光強(qiáng)度與鹽度呈正相關(guān)，類富里酸和類胡敏酸的熒光強(qiáng)度與鹽度呈負(fù)相關(guān)。甲醛+NaOH法能夠提取類腐殖酸物質(zhì)。

(4)在平行因子分析中，加熱法和甲醛法各存在2組組分，這為污泥的TB-EPS比較提供兩種途徑。