為了維持微生物活性和固體平衡,污水生物處理系統(tǒng)需定期排放剩余污泥.污泥需經(jīng)過濃縮、 穩(wěn)定和脫水等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)減容化和穩(wěn)定化.隨著環(huán)保要求的提高,近年來許多污水處理廠新增污泥深度脫水以將含水率降低至<60%[1].伴隨著含水率的降低,各污泥處理環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生大量污泥水.由于污泥來源、 調(diào)理劑和脫水設(shè)備的差異,污泥水中溶解性有機(jī)物(DOM)濃度和組成變化很大[1, 2].傳統(tǒng)的COD和TOC等指標(biāo)只能反映有機(jī)物總量,尋求恰當(dāng)?shù)谋碚骷夹g(shù)揭示DOM的組分構(gòu)成和降解特性,對污泥水水質(zhì)特性評價及處理技術(shù)開發(fā)具有重要意義.
三維熒光光譜(3D-EEM)法具有前處理簡單、 不破壞樣品結(jié)構(gòu)、 靈敏度高、 選擇性好、 分析速度快等優(yōu)點(diǎn),能同時定性指示多種有機(jī)物的類型與性質(zhì),在污水FDOM(熒光性有機(jī)物)等復(fù)雜多組分混合物分析中具有獨(dú)特優(yōu)勢[3, 4].近年來,3D-EEM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水[4, 5]、 工業(yè)廢水(石化[6, 7]、 中藥[8]等)、 污水處理廠出水[9]、 微生物內(nèi)源代謝產(chǎn)物[10]中FDOM的研究.對于污水中某些不具有熒光效應(yīng)的DOM,傅里葉紅外光譜(FTIR)能夠快速、 簡捷地進(jìn)行宏觀與整體鑒定[8].然而,對于污水處理領(lǐng)域面臨的污泥水共性問題,對其DOM組分構(gòu)成和特性分析的研究卻鮮有報道.污泥在不同處理環(huán)節(jié)中其間隙水、 胞外聚合物(EPS)和胞內(nèi)物質(zhì)所含的熒光類有機(jī)物[3]均會進(jìn)入污泥水DOM中.因此,本研究擬在污泥處理系統(tǒng)各污泥水水質(zhì)特性分析的基礎(chǔ)上,采用3D-EEM和FTIR研究污泥水中DOM組分的強(qiáng)度、 來源及其與COD的內(nèi)在聯(lián)系,以期為污泥水的效應(yīng)評價與處理技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支撐.
1 材料與方法
1.1 樣品采集
實(shí)驗(yàn)所用污泥水和原污水取自上海市白龍港污水處理廠.該廠剩余污泥經(jīng)重力濃縮后加入聚丙烯酰胺(PAM)進(jìn)入離心濃縮機(jī),濃縮后污泥再投加一定量PAM,進(jìn)入離心脫水機(jī)將含水率降至<80%.離心脫水后污泥與竹園、 曲陽等污水廠的脫水污泥采用白龍港廠重力濃縮污泥稀釋至含水率93%,投加CaO (20%)和FeCl3 (8%)調(diào)理后,通過板框壓濾將含水率降至<60%外運(yùn)填埋.本研究中污泥水為重力濃縮、 機(jī)械濃縮、 離心脫水和深度脫水產(chǎn)生的上清液,采用0.45 μm濾膜過濾后用于DOM分析.
1.2 常規(guī)分析指標(biāo)
溶解性COD采用重鉻酸鉀法測定; 多糖(PS)和蛋白質(zhì)(PN)分別采用蒽酮比色法和Lowry法測定; DNA利用UV-2600分光光度計按照紫外吸收法測定; TOC采用Multi N/C 3100測定; 腐殖質(zhì)(HS)采用RF-5301熒光光度計測定310/440 nm下的激發(fā)(Ex)/發(fā)射(Em)波長確定.
1.3 3D-EEM分析
3D-EEM采用RF-5301熒光光度計測定.光源為氙燈,Ex和Em波長狹縫寬度均為5nm. Ex和Em的掃描范圍均為220-500 nm,步長為5 nm,掃描速度為1 000 nm ·min-1.原污水、 重力濃縮和機(jī)械濃縮污泥水用去離子水稀釋5倍,離心脫水和深度脫水污泥水分別稀釋10和50倍.
1.4 平行因子法分析
將扣除空白影響的20個原污水和污泥水樣品的熒光矩陣組合成三維數(shù)據(jù)矩陣.該數(shù)據(jù)矩陣使用包括Nway toolbox ver 3.1在內(nèi)的DOMFluor工具箱在MATLAB R2007a上進(jìn)行PARAFAC處理.采用折半分析和隨機(jī)初始化確定最優(yōu)組分?jǐn)?shù),通過殘差分析檢驗(yàn)PARAFAC模型的有效性,并確定各熒光峰位置和強(qiáng)度(Fmax).
1.5 FTIR分析
紅外光譜掃描采用FTIR-8400S型島津傅里葉變換紅外光譜儀.水樣注入蒸發(fā)皿中,溶入適量溴化鉀晶體后,于干燥器中干燥.干燥后樣品添加適量溴化鉀混合壓片,檢測時測定范圍為4 000-400 cm-1.
2 結(jié)果與討論 2.1 污泥水水質(zhì)特性分析
表 1反映了原污水和各污泥水DOM組分的大小,其中DOM指標(biāo)變化趨勢相同,均為深度脫水>離心脫水>原污水>機(jī)械濃縮>重力濃縮.各污泥水DOM成分和含量的差異與有機(jī)物在污泥中的分布密切相關(guān).活性污泥是由上清液、 凝膠層EPS、 松散結(jié)合態(tài)EPS (LB-EPS)、 緊密結(jié)合態(tài)EPS (TB-EPS)和細(xì)胞相構(gòu)成的動態(tài)多層結(jié)構(gòu)[3].在活性污泥中,PN和PS主要分布于內(nèi)層的細(xì)胞相和TB-EPS中,僅有少量PN分布于外層,而PS在外層的分布要高于PN[11].
表 1 原污水和污泥水DOM組分濃度 /mg ·L-1
重力濃縮利用自然沉降分離污泥中的間隙水,污泥水DOM主要來源于污水生物處理后上清液中的惰性物質(zhì)及少量污泥厭氧水解產(chǎn)生的有機(jī)物.機(jī)械濃縮則是污泥調(diào)理后再離心造成部分凝膠層EPS剝離,因此其污泥水DOM略高于重力濃縮.離心脫水則是加入調(diào)理劑后高速離心,造成部分結(jié)合態(tài)EPS剝離,其污泥水DOM明顯高于機(jī)械濃縮.從PS和PN含量來看,離心脫水污泥水為機(jī)械濃縮的6.6和5.6倍,而后者僅為重力濃縮的1.9和2.1倍,這也證明PS和PN主要分布于污泥內(nèi)層.深度脫水過程中,CaO和FeCl3的加入會破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu),導(dǎo)致大量EPS和胞內(nèi)物質(zhì)溶出[12].因此,其污泥水DOM含量非常高,主要成分為PN和HS,并含有較高濃度的DNA和PS.
2.2 污泥水的三維熒光光譜分析
原污水及污泥水的3D-EEM如圖 1所示.從中可知,重力濃縮、 機(jī)械濃縮和離心脫水污泥水FDOM的熒光峰位置與原污水基本一致,包括A (255/450-460 nm)、 B(225-235/350 nm)和T(280-290/350-360 nm) 3個主要熒光峰,還存在C(315-335/420-440 nm)和D(225-230/295-305 nm)兩個熒光強(qiáng)度較低的峰.深度脫水污泥水的熒光組分與其它污泥水和原污水存在明顯差異.除峰B(230/375 nm)位置相近外,另2個主要熒光峰C1(320/385 nm)和T2(285/365 nm)則存在一定程度上的藍(lán)移與紅移.在280/310 nm(峰T1)和225/305 nm(峰D)處則存在兩個熒光強(qiáng)度較低的峰. 在深度脫水污泥水中,短波長腐殖酸峰A消失,這可能是其與Fe3+絡(luò)合形成沉淀猝滅所致[13].
圖 1 原污水和污泥水DOM的典型EEM圖
2.3 熒光光譜的平行因子分析
為了深入研究FDOM的組成變化和熒光特性,采用PARAFAC解析原污水及各污泥水的3D-EEM,結(jié)果見圖 2.由圖 2(a)可知,當(dāng)組分?jǐn)?shù)為6時,其殘差和明顯小于組分?jǐn)?shù)為5時,但與7組分模型的殘差和較為接近,故認(rèn)為6組分模型已經(jīng)能夠充分反映各樣品的熒光信息[14].因此,原污水及各污泥水的EEM圖譜可采用6組分模型分析.6個主要熒光組分[位置如圖 2(b)]包括3個類蛋白質(zhì)(C1、 C4、 C6)和3個類腐殖酸組分(C2、 C3、 C5).
(a)5-7組分模型的殘差分析; (b) PARAFAC組分的3D-EEM等高線圖 2 原污水和污泥水樣品的PARAFAC分析
組分C1(275/355 nm)屬于類色氨酸物質(zhì),主要為游離或結(jié)合的蛋白質(zhì)或氨基酸,可用以指示完整的蛋白質(zhì)[4, 15].組分C2在Ex 250 nm和340 nm,Em 440 nm處有兩個熒光峰,分別為短波長和長波長類腐殖酸物質(zhì)[3, 16]; 組分C3(320/380 nm)屬于長波長海洋類腐殖酸,通常來源于污水或農(nóng)業(yè)廢棄物等人為源[16, 17]; 組分C4(235/350 nm)屬于芳香族類蛋白質(zhì)物質(zhì)[18]; 組分C5 (250/465 nm)主要為含高分子量和芳香族陸生性類腐殖酸[5, 19]; 組分C6(275/305 nm)為類酪氨酸物質(zhì),通常與微生物產(chǎn)物相關(guān)[15, 20, 21].
原污水和污泥水中不同組分熒光峰的Fmax如圖 3所示.從中可知,原污水中類蛋白質(zhì)組分的Fmax均高于類腐殖酸組分.與原污水相比,重力濃縮污泥水除組分C4的Fmax相當(dāng)外,其它組分均不同程度下降,這是因?yàn)槲鬯写蟛糠钟袡C(jī)物在生 物處理系統(tǒng)中降解,而重力濃縮過程DOM釋放量不大.相較于重力濃縮,機(jī)械濃縮污泥水中各熒光組分Fmax均有所上升,且類腐殖酸組分的上升幅度(34.3%)明顯高于類蛋白質(zhì)(20.7%).離心脫水污泥水中各熒光組分Fmax均明顯高于污泥濃縮.與機(jī)械濃縮相比,離心脫水污泥水中類色氨酸組分含量明顯增加,且類蛋白質(zhì)組分Fmax的上升幅度(112.6%)明顯高于類腐殖酸(63.5%).機(jī)械濃縮較低的離心力通常只能分離外層EPS,而高轉(zhuǎn)速的離心脫水可分離內(nèi)層的TB-EPS,造成大量蛋白質(zhì)進(jìn)入污泥水中[11].
圖 3 原污水和污泥水的熒光組分強(qiáng)度
與離心脫水相比,深度脫水通過堿性條件下污泥溶胞造成大量胞內(nèi)物質(zhì)釋放進(jìn)入污泥水中,組分C1、 C3和C6的Fmax均大幅度升高,而組分C2、 C4和C5的Fmax則低于離心脫水.在深度脫水污泥水的6個熒光組分中,類腐殖酸組分C3的Fmax較離心脫水升高幅度最大,達(dá)15.63倍.這是因?yàn)槲挥?15-325/380-390 nm處的類腐殖酸物質(zhì)是結(jié)合態(tài)EPS的主要熒光組分[22].深度脫水污泥水中類色氨酸組分C1和類酪氨酸組分C6的Fmax較離心脫水分別上升0.65和7.30倍.這是由于雖然類色氨酸物質(zhì)是污泥內(nèi)層TB-EPS和細(xì)胞相中類蛋白質(zhì)熒光組分的主要成分[3],但污泥溶胞產(chǎn)物DOM卻多為類酪氨酸物質(zhì)[23].熒光組分C1、 C3和C6的大幅度升高證明深度脫水過程中存在大量結(jié)合態(tài)EPS的解離與細(xì)胞溶解.
2.4 熒光組分強(qiáng)度與COD的相關(guān)性分析
在離心脫水和深度脫水污泥水中,大量內(nèi)層EPS和胞內(nèi)物質(zhì)會進(jìn)入液相,因此其FDOM含量明顯高于濃縮污泥水,且成分更為復(fù)雜.而重力和機(jī)械濃縮污泥水FDOM主要來自污泥上清液和外層EPS,對其熒光組分和SCOD進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果如圖 4所示.結(jié)果表明,所有類腐殖酸熒光組分均與SCOD在P<0.01水平上正顯著相關(guān),而類蛋白質(zhì)組分中僅C4在P<0.05水平上與SCOD正顯著相關(guān),組分C1和C6與SCOD不相關(guān).這說明濃縮污泥水中SCOD主要來自于類腐殖酸組分的貢獻(xiàn),類蛋白質(zhì)組分對其影響不大.這也與蛋白質(zhì)在污泥外層EPS中分布比例很低的結(jié)論相吻合[11].
圖 4 濃縮污泥水熒光組分與COD相關(guān)關(guān)系
2.5 污泥水的紅外光譜分析
原污水和污泥水DOM的FTIR光譜如圖 5所示.從中可知,原污水和濃縮污泥水中存在類似的特征峰: 3 450-3 400 cm-1處為O—H或N—H的伸縮振動[24],2 926-2 918 cm-1和2 854-2 849 cm-1處的窄峰分別為—CH2—的不對稱和對稱伸縮振動,2 361-2 341 cm-1處則是叁鍵和累積雙鍵類物質(zhì)吸收區(qū)[6],1 637-1 629 cm-1處則為雙鍵的伸縮振動,1 120-1 111 cm-1處為多糖中C—O—C的伸縮振動[8],619 cm-1處的峰則屬于富里酸頻段[25].與原污水和重力濃縮污泥水相比,機(jī)械濃縮污泥水在1 735 cm-1和1 458 cm-1處新出現(xiàn)的峰為羧酸和苯環(huán)骨架振動的特征峰[26].
圖 5 原污水和污泥水DOM的FTIR光譜圖
離心脫水污泥水在1 107 cm-1和1 188 cm-1出現(xiàn)兩個與多糖中C—O—C的伸縮振動密切相關(guān)的峰[26],且吸收峰強(qiáng)度較濃縮污泥水顯著增強(qiáng),說明脫水過程中EPS外層的PS大量釋放.離心脫水污泥水在HS頻段的峰明顯加強(qiáng),且出現(xiàn)了與苯環(huán)的伸縮振動及其對位取代相關(guān)的新峰673 cm-1和842 cm-1,這與污泥水中HS含量及熒光性類腐殖酸組分Fmax上升相吻合.深度脫水污泥水中2 926-2 848 cm-1、 1 735 cm-1和619 cm-1處的峰消失,這與強(qiáng)堿性條件下羧酸、 富里酸(CH2)基團(tuán)的消失密切相關(guān)[25, 26].深度脫水污泥水在538 cm-1處出現(xiàn)的新峰則是鐵與DOM形成的Fe—O鍵伸縮振動所致[27],與其3D-EEM中熒光峰A的猝滅相吻合.深度脫水污泥水在1 640-1 407 cm-1蛋白質(zhì)肽鍵頻段的峰[25]明顯加強(qiáng),1 465 cm-1和1 548 cm-1是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)所特有的峰[28],這與深度脫水污泥水中蛋白質(zhì)含量及熒光性類蛋白質(zhì)組分Fmax的上升相吻合.與其它污泥水的尖峰相比,深度脫水污泥水3 400 cm-1處的吸收峰轉(zhuǎn)化為鈍峰,這可能是鈣或鐵與蛋白質(zhì)絡(luò)合造成光譜變化[8].具體參見污水寶商城資料或http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 采用EEM-PARAFAC將污泥水中的DOM劃分為6個熒光組分,類蛋白質(zhì)C1(275/355 nm)、 C4(235/350 nm)和C6(275/305 nm),及類腐殖酸C2(250,340/440 nm)、 C3(320/380 nm)和C5(250/465 nm).
(2) 濃縮和離心脫水污泥水DOM的熒光峰位置與原污水基本一致,而深度脫水污泥水則存在顯著差異.兩種濃縮污泥水中SCOD與所有類腐殖酸均正顯著相關(guān)(P<0.01).離心脫水污泥水中,類色氨酸組分C1、 C4和腐殖酸組分C5含量明顯上升.由于大量結(jié)合態(tài)EPS和胞內(nèi)物質(zhì)的溶解,深度脫水污泥水中類腐殖酸組分C3和類酪氨酸組分C6分別較離心脫水升高15.63和7.30倍.
(3) FTIR分析表明,與濃縮污泥水相比,離心脫水污泥水中PS和HS吸收峰增強(qiáng),而深度脫水污泥水中PN大量釋放,金屬離子會與腐殖酸和蛋白質(zhì)絡(luò)合引起DOM結(jié)構(gòu)變化.（來源及作者：上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 牛天浩 周振 胡大龍 魏海娟 李晶 竇微笑 葛紅花）
