1 引言
三維熒光光譜分析手段由于具有快速、靈敏度高、選擇性高、所需樣品量少和對樣品結(jié)構(gòu)無破壞等特點，近些年來得到了較快的發(fā)展，且已經(jīng)應(yīng)用于食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物工程等多個專業(yè)領(lǐng)域.污水生物處理方法作為現(xiàn)代污水處理工藝的核心，在100多年的發(fā)展過程中對它的積極探索一直沒有停歇，而熒光光譜分析技術(shù)早已被應(yīng)用于污水處理過程中，相關(guān)研究主要集中在污水處理過程中的溶解性有機(jī)污染物(DOM)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP)、腐殖酸(Humic acid)等物質(zhì)的監(jiān)測上.例如，Wang等利用三維熒光光譜法對浸沒式MBR反應(yīng)器內(nèi)的溶解性有機(jī)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三維熒光光譜法能夠有效地監(jiān)測膜污染物的來源及溶解性代謝物質(zhì)(DOM)在膜反應(yīng)器運(yùn)行過程中的作用;Stedmon等利用熒光光譜分析水中的有機(jī)污染物，發(fā)現(xiàn)利用平行因子法分析SMP物質(zhì)的熒光特性可以作為一種快速有效的對水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的手段;陳小娜等利用三維熒光光譜-平行因子技術(shù)對湖泊浮游藻化學(xué)分類學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，三維熒光光譜法能夠有效地監(jiān)測藻類的代謝產(chǎn)物;甘淑釵等利用平行因子分析法對長江水體的SMP進(jìn)行了分析;姚璐璐等則利用熒光區(qū)域積分法進(jìn)行城市污水處理中有機(jī)物去除率的監(jiān)測.這些研究表明，三維熒光光譜分析技術(shù)在微生物代謝產(chǎn)物、環(huán)境監(jiān)測等方面有著較為明顯的優(yōu)點和較為廣闊的應(yīng)用前景.
活性污泥是以細(xì)菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起通過多種物理化學(xué)過程而相互凝聚在一起的微生物聚集體，在這個過程中胞外物質(zhì)發(fā)揮著重大作用，而這些胞外物質(zhì)基本都是在微生物代謝過程中分泌出來的，因此，可將活性污泥絮體的形成理解為一種生物過程.通常情況下研究活性污泥及對其性質(zhì)的評價主要采用污泥形態(tài)、結(jié)構(gòu)、密度、強(qiáng)度等物理性特征，且污水處理調(diào)控也是以這些指標(biāo)作為參考，但這不能反映活性污泥所處生態(tài)環(huán)境對活性污泥微生物的綜合影響，作為污水處理過程的預(yù)警信號也不是特別穩(wěn)定.微生物在代謝過程中會產(chǎn)生多種化合物，如蛋白質(zhì)、輔酶、色素及腐殖酸等，在一定波長的光激發(fā)下會發(fā)出其熒光特征.它們的種類和濃度與微生物反應(yīng)過程、反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)有著密切的聯(lián)系，即這些代謝物質(zhì)的數(shù)量與種類能夠反應(yīng)出微生物所處的生態(tài)環(huán)境.由于所處環(huán)境的各種影響因子不同，導(dǎo)致代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量不同.因此，只要解明代謝產(chǎn)物與微生物生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，就可以以代謝產(chǎn)物為指標(biāo)來調(diào)控活性污泥工藝的運(yùn)行，并且可以避免傳統(tǒng)的僅利用物理性指標(biāo)而忽略微生物絮體形成這一生物過程的本質(zhì).因此，本文通過對不同沉降性能下的微生物代謝產(chǎn)物的熒光特性進(jìn)行分析，通過多種手段解明微生物代謝產(chǎn)物與污泥沉降性能之間的關(guān)系，以期為從微生物代謝產(chǎn)物的角度調(diào)控活性污泥沉淀性能提供理論依據(jù).
2 材料及方法
2.1 實驗材料
為了使得到的樣品具有廣泛性，本文所用的不同沉降性能的污泥分別取自西安市第三污水處理廠(氧化溝工藝)、第四污水處理廠(多級A2/O工藝)、鄧家村污水處理廠(A2/O)等實際污水處理廠，以及實驗室以人工配水作為基質(zhì)的多個反應(yīng)器，分別在污水廠工藝運(yùn)行的各個階段及實驗室反應(yīng)器的各個狀態(tài)下進(jìn)行取樣分析.各反應(yīng)器的情況詳見文獻(xiàn).
2.2 實驗方法
本文利用國家環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)方法對污泥的沉降性能指標(biāo)(SVI)進(jìn)行檢測.利用文獻(xiàn)所述的陽離子樹脂交換法對污泥的胞外聚合物(EPS)進(jìn)行提取，該方法簡述如下：首先利用磷酸緩沖鹽溶液(PBS)對污泥進(jìn)行清洗以去除污泥中的雜質(zhì)，再加入一定量的PBS，利用超聲細(xì)胞破碎儀以5 W的功率將其破碎處理5 min，接著以10000 r · min-1的轉(zhuǎn)速對其進(jìn)行離心處理，上清液利用0.45 μm 濾膜過濾，即為提取的疏松EPS.在離心后的污泥中加入一定量的PBS，同時添加預(yù)先處理好的91973型陽離子樹脂，以恒定的速率電磁攪拌以上污泥2 h，然后收集吸取液，對其進(jìn)行離心取上清液后繼續(xù)離心3次，將最后的上清液利用0.45 μm 濾膜過濾，即為緊密結(jié)合的EPS.
三維熒光光譜是通過不斷改變激發(fā)波長來獲得一系列熒光發(fā)射光譜，由各個激發(fā)波長下的發(fā)射譜組合在一起就構(gòu)成了1個三維的熒光光譜圖.三維熒光光譜法能同時獲得熒光強(qiáng)度隨激發(fā)波長和發(fā)射波長變化的關(guān)系，對于每一種熒光物質(zhì)，都有其特有的三維熒光光譜信息.本文利用分光光度計(日本分光FP6500)對全文所述提取的EPS物質(zhì)進(jìn)行光譜掃描.實驗所用的激發(fā)波長(λEx)為220~400 nm，發(fā)射波長(λEm)為280~550 nm，激發(fā)光與發(fā)射光的寬度分別為5 nm、2 nm，掃描速度為2000 nm · min-1.利用文獻(xiàn)所述方法對光譜圖進(jìn)行分區(qū)，具體分區(qū)方法為：I區(qū)為簡單芳香烴類，其激發(fā)波長和發(fā)射波長分別在220~250 nm和280~300 nm附近;Ⅱ區(qū)為芳香族蛋白質(zhì)和酚類物質(zhì)，其激發(fā)波長和發(fā)射波長分別在 280 nm和350 nm附近;Ⅲ區(qū)為溶解性微生物代謝產(chǎn)物，其激發(fā)波長和發(fā)射波長分別在270~290 nm和300~330 nm附近;Ⅳ區(qū)為富里酸區(qū)，其激發(fā)波長和發(fā)射波長分別在230~270 nm和380~460 nm附近;Ⅴ區(qū)為腐殖酸區(qū)，其激發(fā)波長和發(fā)射波長分別在300~360 nm和410~480 nm附近.一方面采用區(qū)域積分法對各分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行分析，另一方面在各區(qū)取有代表性的幾個激發(fā)和發(fā)射波段的峰值作為研究對象，具體選取見表 1.
表 1 各個區(qū)域代表性物質(zhì)的激發(fā)及發(fā)射波長
3 實驗結(jié)果
3.1 各區(qū)熒光強(qiáng)度積分情況
在熒光分析中，由于有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)不同及所含官能團(tuán)的差異，導(dǎo)致其對不同波長的熒光響應(yīng)不同.而活性污泥的微生物種群比較復(fù)雜，存在多種營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的微生物，導(dǎo)致其代謝產(chǎn)物也是多種多樣，因而對于每一種代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析是不現(xiàn)實的.本文根據(jù)微生物代謝產(chǎn)物的不同，對其進(jìn)行分區(qū)分析，考察代謝產(chǎn)物熒光特性區(qū)域積分與沉降性能的關(guān)系，分區(qū)方法如2.2節(jié)所述，分析結(jié)果如圖 1所示.從圖 1可以看出，不論是哪一個區(qū)域的熒光強(qiáng)度積分，其變化基本都是沒有規(guī)律的，代謝產(chǎn)物積分值較大的情況下既有可能是沉降性能好的條件，也會在沉降性能較差的情況下出現(xiàn)，而在相同條件下第4區(qū)總表現(xiàn)出較高的積分值.
圖 1 各區(qū)域積分值與沉降性能的關(guān)系
3.2 各物質(zhì)熒光特性與沉降性能的關(guān)系
由于活性污泥微生物種類多樣，代謝方式復(fù)雜，對各種代謝產(chǎn)物一一進(jìn)行分析難度較大，因此，本研究選取典型的代謝產(chǎn)物(表 1)，對2.2節(jié)所述的幾個代表性波長波段下的熒光特性與污泥沉降性能的關(guān)系進(jìn)行了分析.緊密結(jié)合的胞外物質(zhì)(TB-EPS)及疏松結(jié)合的胞外物質(zhì)(LB-EPS)與沉降性能的關(guān)系分別如圖 2和圖 3所示.可以看出，不論是哪一種波長情況下的峰值，都存在隨著SVI的增長其代謝產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度變?nèi)醯那闆r，即伴隨著沉降性能的惡化，污泥中絲狀菌的數(shù)量增多，其各類代謝產(chǎn)物濃度都會降低.在圖 2和3中均存在一條微生物代謝狀態(tài)曲線，在這條曲線以上的部分，微生物代謝產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度比較大，且對應(yīng)著較低的SVI值，即沉降性能良好.通常情況下，活性污泥中SVI值超過150 mL · g-1時即認(rèn)為發(fā)生污泥膨脹，因而在本研究中將SVI=150 mL · g-1的曲線定義為活性污泥安全操作曲線，可以看出，熒光強(qiáng)度較大的區(qū)域全部分布在其左側(cè).在曲線左側(cè)污泥的SVI均小于150 mL · g-1，沉降性能良好，在其右側(cè)污泥沉降性能較差，且在右側(cè)部分的污泥的沉降性能都是比較差的.
圖 2 LB-EPS各物質(zhì)熒光強(qiáng)度與沉降性能的關(guān)系
圖 3 TB-EPS各物質(zhì)熒光強(qiáng)度與沉降性能的關(guān)系
TB-EPS的情況與LB-EPS相似，在每個區(qū)域代表性物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與污泥沉降性能也顯示出如上所述的變化趨勢.不同的是，TB-EPS中分布在活性污泥安全操作曲線左側(cè)、微生物代謝特征曲線上方的數(shù)據(jù)的比例更大.而且與LB-EPS相比，各類物質(zhì)在TB-EPS區(qū)域的微生物代謝狀態(tài)曲線的熒光強(qiáng)度不同.對于類蛋白類物質(zhì)來說，TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線下的熒光強(qiáng)度為2000 AU，而LB-EPS中的相應(yīng)數(shù)據(jù)約在5000 AU;對于溶解性有機(jī)物(SMP)，LB-EPS和TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線上的熒光強(qiáng)度均為3000 AU;而腐殖酸類物質(zhì)的兩個數(shù)值分別是260、440 AU;富里酸則分別為260、400 AU.
4 討論
活性污泥是由多種微生物組成的一個較為復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物都有適合自身生理特征的代謝活動，從而會產(chǎn)生多種多樣的代謝產(chǎn)物，因此，對于各種代謝產(chǎn)物一一進(jìn)行分析是不現(xiàn)實的.由于有機(jī)物均會在一定波長光的激發(fā)下產(chǎn)生特定的熒光特征，因而可以利用具有廣譜性的熒光光譜法獲得代謝產(chǎn)物中所有物質(zhì)的熒光信息，從而將其轉(zhuǎn)換為含有更加全面和多樣信息的熒光光譜圖，并利用區(qū)域積分法對各個波長范圍內(nèi)的物質(zhì)信息進(jìn)行分析，這是對熒光物質(zhì)進(jìn)行分析的有效手段.然而有研究發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對于不同波長的吸收和發(fā)射情況不一樣，同時存在熒光強(qiáng)度峰值疊加或者相互干涉等現(xiàn)象，導(dǎo)致有些信息雖然在熒光譜圖上有表征，但難以區(qū)分.本文利用區(qū)域積分法對熒光光譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與沉降性能之間的關(guān)系就不是很明顯，可能就是由上述原因造成的.因此，選取代表性波長下物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與沉降性能進(jìn)行分析.
從3.2節(jié)的實驗結(jié)果可知，利用代表性波段在三維熒光光譜中的峰值可以表征污泥的沉降性能，且在一定的范圍內(nèi)具有較好的相關(guān)性.就代謝產(chǎn)物與沉淀性能之間的相互關(guān)系而言，可分為4個區(qū)域，這些區(qū)域的分界為活性污泥安全運(yùn)行曲線和微生物代謝狀態(tài)曲線.圖 3中的第1個區(qū)域為活性污泥微生物代謝狀態(tài)曲線以上、污泥安全運(yùn)行曲線以右的區(qū)域，可以看到，這個區(qū)域內(nèi)沒有數(shù)據(jù)點，也即污泥沉降性能非常差的時候其代謝產(chǎn)物不可能會很高;與此相鄰的第2個區(qū)域內(nèi)，分布著熒光強(qiáng)度大于微生物代謝狀態(tài)曲線、SVI小于150 mL · g-1的所有的數(shù)據(jù)點，可以看到，所有熒光強(qiáng)度高于微生物代謝狀態(tài)曲線的點都分布在這個區(qū)域內(nèi)，這說明在活性污泥沉降性能良好的情況下會產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物，同時可以通過較高的代謝產(chǎn)物熒光強(qiáng)度值來推測污泥具有較好的沉降性能.熒光強(qiáng)度小于微生物代謝曲線的所有點都分布在圖 3的第3和第4區(qū)域，在這兩個區(qū)域內(nèi)包含著所有可能的SVI，因此，無法通過較低的熒光強(qiáng)度來判斷活性污泥的沉降性能.以上情況充分說明，在活性污泥工藝的運(yùn)行過程中，可以實時地檢測活性污泥代謝產(chǎn)物的熒光特性，若熒光特性大于微生物代謝狀態(tài)曲線時，整個反應(yīng)器的污泥沉降性能是比較好的;但當(dāng)熒光強(qiáng)度小于狀態(tài)曲線值時，就需要引起警惕，以免進(jìn)入污泥膨脹期.
活性污泥系統(tǒng)中微生物種群復(fù)雜，數(shù)量眾多，代謝產(chǎn)物的種類、濃度隨著污泥狀態(tài)和污泥組成的不同而不同，因而可以看到，本文研究結(jié)果中各類物質(zhì)之間的差別是比較大的;另外，由于各類物質(zhì)與細(xì)胞膜的結(jié)合程度不同，在LB-EPS、TB-EPS上的分布都存在較大的差別.同時也觀察到，不同物質(zhì)在同一沉降性能狀況下的污泥差別是比較明顯的，活性污泥微生物代謝過程中產(chǎn)生的脂肪類蛋白質(zhì)、酚類物質(zhì)及溶解性代謝產(chǎn)物(SMP)等雜環(huán)區(qū)的物質(zhì)較之于腐殖酸來說多一點，同時由于分子結(jié)構(gòu)、主要官能團(tuán)的差異，導(dǎo)致在一定激發(fā)和發(fā)射波長情況下的差異比較大.另外可以發(fā)現(xiàn)，同一類物質(zhì)在LB-EPS、TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線所對應(yīng)的熒光強(qiáng)度值之間的差值較大，這說明微生物的代謝產(chǎn)物在細(xì)胞外的結(jié)合是比較有規(guī)律的，從宏觀上看，LB-EPS和TB-EPS中物質(zhì)的變化趨勢及其總和的變化趨勢是一致的.
活性污泥所表現(xiàn)出來的狀態(tài)是由其所處的微生物生態(tài)環(huán)境決定的，每一種生態(tài)因子對于活性污泥微生物的影響都是與其它因子共同作用表現(xiàn)出來的.這些生態(tài)因子，諸如pH、溫度、溶解氧等在微生物生長過程中的作用很活躍，能夠強(qiáng)烈影響其代謝方式，從而對微生物的代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量形成較為明顯的影響.因此，我們可以通過調(diào)控微生物代謝產(chǎn)物濃度的手段來調(diào)控污泥沉降性能.在對圖 4中的幾個區(qū)域進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)，每個區(qū)域都有可能存在絲狀菌，只是在第4個區(qū)域中絲狀菌為優(yōu)勢種群，在區(qū)域3中有時候絲狀菌比較多，有時候卻很少.因此，可以通過微生物代謝調(diào)控的手段將其控制在微生物代謝狀態(tài)曲線以上.眾所周知，溶解氧匱乏的條件下是有利于絲狀菌滋生且易于發(fā)生膨脹的，可是在實際經(jīng)驗中，有些情況下即使溶解氧不足，如污泥微膨脹，污泥依然表現(xiàn)出良好的沉降性能.這說明活性污泥生長過程是多個生態(tài)因子共同作用的結(jié)果，如果一種因子發(fā)生變化，可以通過對其它因子的改變或者調(diào)節(jié)，使得最早改變的因子對系統(tǒng)帶來的負(fù)效應(yīng)降低到最小甚至消失.而作為活性污泥的主體及污染物去除的承擔(dān)者，微生物對環(huán)境條件的改變是比較敏感的，溶解氧、溫度、進(jìn)水基質(zhì)、pH等條件的變化都可能引起代謝活動的變化，反應(yīng)到代謝產(chǎn)物上就是數(shù)量和種類發(fā)生了變化，這就使得利用代謝產(chǎn)物去調(diào)控活性污泥過程成為可能，也即可以實現(xiàn)以微生物代謝產(chǎn)物為指標(biāo)來進(jìn)行活性污泥工藝的調(diào)控.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 4 熒光強(qiáng)度與污泥沉降性能關(guān)系模式
5 結(jié)論
代謝產(chǎn)物熒光特性與污泥沉降性能之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系.沉降性能良好的活性污泥伴隨著較高的代謝產(chǎn)物熒光強(qiáng)度，因此，可以通過代謝產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度來判斷污泥的沉降性能.在此基礎(chǔ)上建立了代謝產(chǎn)物與污泥沉淀性能的關(guān)系圖，這對于從代謝角度調(diào)控污泥沉淀性能提供了新的思路，即以微生物代謝產(chǎn)物的熒光特性作為調(diào)控目標(biāo)，通過運(yùn)用調(diào)控微生物的生態(tài)環(huán)境等手段來實現(xiàn)這一目標(biāo)，從而建立從微生物代謝角度來調(diào)控絮體結(jié)構(gòu)的新方法.
