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構無(wú)破壞等特點(diǎn)，近些年來(lái)得到了較快的發(fā)展，且已經(jīng)應用于食品檢測、環(huán)境監測、生物工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域.污水生物處理方法作為現代污水處理工藝的核心，在100多年的發(fā)展過(guò)程中對它的積極探索一直沒(méi)有停歇，而熒光光譜分析技術(shù)早已被應用于污水處理過(guò)程中，相關(guān)研究主要集中在污水處理過(guò)程中的溶解性有機污染物(DOM)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP)、腐殖酸(Humic acid)等物質(zhì)的監測上.例如，Wang等利用三維熒光光譜法對浸沒(méi)式MBR反應器內的溶解性有機物進(jìn)行分析，發(fā)現三維熒光光譜法能夠有效地監測膜污染物的來(lái)源及溶解性代謝物質(zhì)(DOM)在膜反應器運行過(guò)程中的作用;Stedmon等利用熒光光譜分析水中的有機污染物，發(fā)現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(lèi)學(xué)進(jìn)行了研究，結果表明，三維熒光光譜法能夠有效地監測藻類(lèi)的代謝產(chǎn)物;甘淑釵等利用平行因子分析法對長(cháng)江水體的SMP進(jìn)行了分析;姚璐璐等則利用熒光區域積分法進(jìn)行城市污水處理中有機物去除率的監測.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)境監測等方面有著(zhù)較為明顯的優(yōu)點(diǎn)和較為廣闊的應用前景.
活性污泥是以細菌、微型動(dòng)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(guò)多種物理化學(xué)過(guò)程而相互凝聚在一起的微生物聚集體，在這個(gè)過(guò)程中胞外物質(zhì)發(fā)揮著(zhù)重大作用，而這些胞外物質(zhì)基本都是在微生物代謝過(guò)程中分泌出來(lái)的，因此，可將活性污泥絮體的形成理解為一種生物過(guò)程.通常情況下研究活性污泥及對其性質(zhì)的評價(jià)主要采用污泥形態(tài)、結構、密度、強度等物理性特征，且污水處理調控也是以這些指標作為參考，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(guò)程的預警信號也不是特別穩定.微生物在代謝過(guò)程中會(huì )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(cháng)的光激發(fā)下會(huì )發(fā)出其熒光特征.它們的種類(lèi)和濃度與微生物反應過(guò)程、反應器運行狀態(tài)有著(zhù)密切的聯(lián)系，即這些代謝物質(zhì)的數量與種類(lèi)能夠反應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，導致代謝產(chǎn)物的種類(lèi)和數量不同.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)物為指標來(lái)調控活性污泥工藝的運行，并且可以避免傳統的僅利用物理性指標而忽略微生物絮體形成這一生物過(guò)程的本質(zhì).因此，本文通過(guò)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(guò)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)物的角度調控活性污泥沉淀性能提供理論依據.
2 材料及方法
2.1 實(shí)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(chǎng)(氧化溝工藝)、第四污水處理廠(chǎng)(多級A2/O工藝)、鄧家村污水處理廠(chǎng)(A2/O)等實(shí)際污水處理廠(chǎng)，以及實(shí)驗室以人工配水作為基質(zhì)的多個(gè)反應器，分別在污水廠(chǎng)工藝運行的各個(gè)階段及實(shí)驗室反應器的各個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行取樣分析.各反應器的情況詳見(jiàn)文獻.
2.2 實(shí)驗方法
本文利用國家環(huán)保局的標準方法對污泥的沉降性能指標(SVI)進(jìn)行檢測.利用文獻所述的陽(yáng)離子樹(shù)脂交換法對污泥的胞外聚合物(EPS)進(jìn)行提取，該方法簡(jiǎn)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，利用超聲細胞破碎儀以5 W的功率將其破碎處理5 min，接著(zhù)以10000 r · min-1的轉速對其進(jìn)行離心處理，上清液利用0.45 μm 濾膜過(guò)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(shí)添加預先處理好的91973型陽(yáng)離子樹(shù)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離心3次，將最后的上清液利用0.45 μm 濾膜過(guò)濾，即為緊密結合的EPS.
三維熒光光譜是通過(guò)不斷改變激發(fā)波長(cháng)來(lái)獲得一系列熒光發(fā)射光譜，由各個(gè)激發(fā)波長(cháng)下的發(fā)射譜組合在一起就構成了1個(gè)三維的熒光光譜圖.三維熒光光譜法能同時(shí)獲得熒光強度隨激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)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(shí)驗所用的激發(fā)波長(cháng)(λEx)為220~400 nm，發(fā)射波長(cháng)(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.利用文獻所述方法對光譜圖進(jìn)行分區，具體分區方法為：I區為簡(jiǎn)單芳香烴類(lèi)，其激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)分別在220~250 nm和280~300 nm附近;Ⅱ區為芳香族蛋白質(zhì)和酚類(lèi)物質(zhì)，其激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)分別在 280 nm和350 nm附近;Ⅲ區為溶解性微生物代謝產(chǎn)物，其激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)分別在270~290 nm和300~330 nm附近;Ⅳ區為富里酸區，其激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)分別在230~270 nm和380~460 nm附近;Ⅴ區為腐殖酸區，其激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)分別在300~360 nm和410~480 nm附近.一方面采用區域積分法對各分區的結果進(jìn)行分析，另一方面在各區取有代表性的幾個(gè)激發(fā)和發(fā)射波段的峰值作為研究對象，具體選取見(jiàn)表 1.
表 1 各個(gè)區域代表性物質(zhì)的激發(fā)及發(fā)射波長(cháng)
3 實(shí)驗結果
3.1 各區熒光強度積分情況
在熒光分析中，由于有機物分子結構不同及所含官能團的差異，導致其對不同波長(cháng)的熒光響應不同.而活性污泥的微生物種群比較復雜，存在多種營(yíng)養結構的微生物，導致其代謝產(chǎn)物也是多種多樣，因而對于每一種代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析是不現實(shí)的.本文根據微生物代謝產(chǎn)物的不同，對其進(jìn)行分區分析，考察代謝產(chǎn)物熒光特性區域積分與沉降性能的關(guān)系，分區方法如2.2節所述，分析結果如圖 1所示.從圖 1可以看出，不論是哪一個(gè)區域的熒光強度積分，其變化基本都是沒(méi)有規律的，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(huì )在沉降性能較差的情況下出現，而在相同條件下第4區總表現出較高的積分值.
圖 1 各區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(lèi)多樣，代謝方式復雜，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節所述的幾個(gè)代表性波長(cháng)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.緊密結合的胞外物質(zhì)(TB-EPS)及疏松結合的胞外物質(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(cháng)情況下的峰值，都存在隨著(zhù)SVI的增長(cháng)其代謝產(chǎn)物的熒光強度變弱的情況，即伴隨著(zhù)沉降性能的惡化，污泥中絲狀菌的數量增多，其各類(lèi)代謝產(chǎn)物濃度都會(huì )降低.在圖 2和3中均存在一條微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)，在這條曲線(xiàn)以上的部分，微生物代謝產(chǎn)物的熒光強度比較大，且對應著(zhù)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(guò)150 mL · g-1時(shí)即認為發(fā)生污泥膨脹，因而在本研究中將SVI=150 mL · g-1的曲線(xiàn)定義為活性污泥安全操作曲線(xiàn)，可以看出，熒光強度較大的區域全部分布在其左側.在曲線(xiàn)左側污泥的SVI均小于150 mL · g-1，沉降性能良好，在其右側污泥沉降性能較差，且在右側部分的污泥的沉降性能都是比較差的.
圖 2 LB-EPS各物質(zhì)熒光強度與沉降性能的關(guān)系
圖 3 TB-EPS各物質(zhì)熒光強度與沉降性能的關(guān)系
TB-EPS的情況與LB-EPS相似，在每個(gè)區域代表性物質(zhì)的熒光強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(xiàn)左側、微生物代謝特征曲線(xiàn)上方的數據的比例更大.而且與LB-EPS相比，各類(lèi)物質(zhì)在TB-EPS區域的微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)的熒光強度不同.對于類(lèi)蛋白類(lèi)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)下的熒光強度為2000 AU，而LB-EPS中的相應數據約在5000 AU;對于溶解性有機物(SMP)，LB-EPS和TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)上的熒光強度均為3000 AU;而腐殖酸類(lèi)物質(zhì)的兩個(gè)數值分別是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(gè)較為復雜的微生物生態(tài)系統，各類(lèi)微生物都有適合自身生理特征的代謝活動(dòng)，從而會(huì )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)行分析是不現實(shí)的.由于有機物均會(huì )在一定波長(cháng)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，從而將其轉換為含有更加全面和多樣信息的熒光光譜圖，并利用區域積分法對各個(gè)波長(cháng)范圍內的物質(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，不同物質(zhì)對于不同波長(cháng)的吸收和發(fā)射情況不一樣，同時(shí)存在熒光強度峰值疊加或者相互干涉等現象，導致有些信息雖然在熒光譜圖上有表征，但難以區分.本文利用區域積分法對熒光光譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現結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(cháng)下物質(zhì)的熒光強度與沉降性能進(jìn)行分析.
從3.2節的實(shí)驗結果可知，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(gè)區域，這些區域的分界為活性污泥安全運行曲線(xiàn)和微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn).圖 3中的第1個(gè)區域為活性污泥微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)以上、污泥安全運行曲線(xiàn)以右的區域，可以看到，這個(gè)區域內沒(méi)有數據點(diǎn)，也即污泥沉降性能非常差的時(shí)候其代謝產(chǎn)物不可能會(huì )很高;與此相鄰的第2個(gè)區域內，分布著(zhù)熒光強度大于微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)、SVI小于150 mL · g-1的所有的數據點(diǎn)，可以看到，所有熒光強度高于微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)的點(diǎn)都分布在這個(gè)區域內，這說(shuō)明在活性污泥沉降性能良好的情況下會(huì )產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物，同時(shí)可以通過(guò)較高的代謝產(chǎn)物熒光強度值來(lái)推測污泥具有較好的沉降性能.熒光強度小于微生物代謝曲線(xiàn)的所有點(diǎn)都分布在圖 3的第3和第4區域，在這兩個(gè)區域內包含著(zhù)所有可能的SVI，因此，無(wú)法通過(guò)較低的熒光強度來(lái)判斷活性污泥的沉降性能.以上情況充分說(shuō)明，在活性污泥工藝的運行過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)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(xiàn)時(shí)，整個(gè)反應器的污泥沉降性能是比較好的;但當熒光強度小于狀態(tài)曲線(xiàn)值時(shí)，就需要引起警惕，以免進(jìn)入污泥膨脹期.
活性污泥系統中微生物種群復雜，數量眾多，代謝產(chǎn)物的種類(lèi)、濃度隨著(zhù)污泥狀態(tài)和污泥組成的不同而不同，因而可以看到，本文研究結果中各類(lèi)物質(zhì)之間的差別是比較大的;另外，由于各類(lèi)物質(zhì)與細胞膜的結合程度不同，在LB-EPS、TB-EPS上的分布都存在較大的差別.同時(shí)也觀(guān)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(guò)程中產(chǎn)生的脂肪類(lèi)蛋白質(zhì)、酚類(lèi)物質(zhì)及溶解性代謝產(chǎn)物(SMP)等雜環(huán)區的物質(zhì)較之于腐殖酸來(lái)說(shuō)多一點(diǎn)，同時(shí)由于分子結構、主要官能團的差異，導致在一定激發(fā)和發(fā)射波長(cháng)情況下的差異比較大.另外可以發(fā)現，同一類(lèi)物質(zhì)在LB-EPS、TB-EPS的微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)所對應的熒光強度值之間的差值較大，這說(shuō)明微生物的代謝產(chǎn)物在細胞外的結合是比較有規律的，從宏觀(guān)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.
活性污泥所表現出來(lái)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出來(lái)的.這些生態(tài)因子，諸如pH、溫度、溶解氧等在微生物生長(cháng)過(guò)程中的作用很活躍，能夠強烈影響其代謝方式，從而對微生物的代謝產(chǎn)物的種類(lèi)和數量形成較為明顯的影響.因此，我們可以通過(guò)調控微生物代謝產(chǎn)物濃度的手段來(lái)調控污泥沉降性能.在對圖 4中的幾個(gè)區域進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現，每個(gè)區域都有可能存在絲狀菌，只是在第4個(gè)區域中絲狀菌為優(yōu)勢種群，在區域3中有時(shí)候絲狀菌比較多，有時(shí)候卻很少.因此，可以通過(guò)微生物代謝調控的手段將其控制在微生物代謝狀態(tài)曲線(xiàn)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(shí)際經(jīng)驗中，有些情況下即使溶解氧不足，如污泥微膨脹，污泥依然表現出良好的沉降性能.這說(shuō)明活性污泥生長(cháng)過(guò)程是多個(gè)生態(tài)因子共同作用的結果，如果一種因子發(fā)生變化，可以通過(guò)對其它因子的改變或者調節，使得最早改變的因子對系統帶來(lái)的負效應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(dòng)的變化，反應到代謝產(chǎn)物上就是數量和種類(lèi)發(fā)生了變化，這就使得利用代謝產(chǎn)物去調控活性污泥過(guò)程成為可能，也即可以實(shí)現以微生物代謝產(chǎn)物為指標來(lái)進(jìn)行活性污泥工藝的調控.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 4 熒光強度與污泥沉降性能關(guān)系模式
5 結論
代謝產(chǎn)物熒光特性與污泥沉降性能之間存在一定的內在聯(lián)系.沉降性能良好的活性污泥伴隨著(zhù)較高的代謝產(chǎn)物熒光強度，因此，可以通過(guò)代謝產(chǎn)物的熒光強度來(lái)判斷污泥的沉降性能.在此基礎上建立了代謝產(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控目標，通過(guò)運用調控微生物的生態(tài)環(huán)境等手段來(lái)實(shí)現這一目標，從而建立從微生物代謝角度來(lái)調控絮體結構的新方法.
