餐饮废水MBR处理过程中DOM的三维荧光光谱分析何磊

中国环境科学2011,31(2)：225~232ChinaEnvironmentalScience餐饮废水MBR处理过程中DOM的三维荧光光谱分析何磊,王志伟*,吴志超(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要：采用三维荧光(EEM)光谱技术,对膜-生物反应器(MBR)处理餐饮废水过程中的各种溶解性有机物(DOM)进行分析,并对比研究不同水质和容积负荷下DOM的EEM光谱的迁移变化特性和DOM中荧光物质对膜污染速率的影响.结果表明,各种DOM的荧光物质中,蛋白质类物质所占的比重最大,且溶解性微生物代谢产物(SMP)和附着型胞外聚合物(EPS)中的蛋白质类荧光物质对膜污染速率的影响最大,而紧密附着胞外聚合物(TB-EPS)中蛋白质类荧光物质强度与膜污染速率呈强烈的负相关性.腐殖酸溯源表明DOM中的腐殖酸以微生物代谢产生的带有荧光基团的腐殖酸类为主.关键词：膜-生物反应器；餐饮废水；溶解性有机物；三维荧光光谱中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)02-0225-08Excitation-emissionmatrixfluorescencespectraanalysisofdissolvedorganicmatterinMBRusedforrestaurantwastewatertreatment.HELei,WANGZhi-wei*,WUZhi-chao(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(2)：225~232Abstract：Throughexcitation-emissionmatrix(EEM)fluorescencespectraanalysis,thecharacteristicsofdissolvedorganicmatter(DOM)intheprocessofmembranebioreactorusedforrestaurantwastewatertreatmentwerestudied.Meanwhile,theinfluenceofrawwaterqualityandvolumetricloadingonmigrationfeaturesofDOMandtheimpactoffluorescentsubstancesonmembranefoulingratewerestudied.ProteinsubstanceshadthelargestpercentageinvariousfluorescentsubstancesofDOMandSPSSanalysisalsoshowedthatprotein-fluorescentsubstancesinsolublemicrobialmetabolicproducts(SMP)andboundextracellularpolymericsubstances(EPS)hadthegreatestimpactonmembranefoulingrate.However,theintensityofprotein-fluorescentsubstancesintightlyboundextracellularpolymericsubstances(TB-EPS)showedastrongnegativecorrelationwithmembranefoulingrate.Humicacidproducedbymicrobialmetabolismwithfluorescence-basedgroupswasprimarysourceofhumicacidinDOM.Keywords：membranebioreactor;restaurantwastewater;dissolvedorganicmatter;excitation-emissionmatrixfluorescencespectra在废水处理系统中,膜-生物反应器(MBR)虽然具有占地面积小、出水水质好、污泥产量低等优点,但膜污染一直是限制MBR应用的一个技术障碍[1-3].废水中溶解性有机物(DOM)约占总有机物的30%~40%,对膜污染的贡献很大[4],且膜过滤阻力的26%~52%来自于DOM[5-7].其中溶解性微生物代谢产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)是影响膜污染的2个重要因素[8-9].采用MBR处理餐饮废水方面已开展了较多的研究[10-12],但是对MBR处理餐饮废水过程中DOM的三维荧光(EEM)特性及其对膜污染速率的影响的研究还较少见.本研究采用EEM光谱技术,对餐饮废水MBR处理过程中DOM的荧光特性进行研究,并考察了各种DOM的荧光特性与膜污染速率的关系,以期进一步掌握处理过程中荧光物质对膜污染的影响,为相应膜污染控制措施的开发提供理论支持.1材料与方法1.1试验用水水质试验过程中采用2种污水,污水A为某餐收稿日期：2010-04-08基金项目：上海市科委项目(08231200200,09DZ1204200)*责任作者,讲师,[e-mail]226中国环境科学31卷饮废水处理工程的调节池出水;污水B为污水A经高效溶气气浮处理后的出水,其水质如表1所示.表1污水水质Table1Characteristicsofinfluentwastewater项目CODCr(mg/L)NH3-N(mg/L)TN(mg/L)BOD5(mg/L)pH值含油量(mg/L)污水A2633±62117.9±4.043.0±8.68165.81~5.9815.9污水B1520±26011.3±3.818.5±3.45545.83~6.556.71.2试验工艺流程试验采用浸没式平板膜-生物反应器,小试工艺流程如图1所示.243598671图1试验工艺流程示意Fig.1SchematicdiagramoftheMBRprocess1.高位水箱;2.进水槽及浮球阀;3.隔板;4.平板膜;5.曝气管;6.真空表;7.蠕动泵;8.鼓风机;9.气体流量计试验原水从高位水箱中自流进入进水槽,通过进水槽内的浮球阀来维持MBR内液面的恒定.蠕动泵对膜抽真空运行,真空表显示膜过滤操作的压力,由继电器控制蠕动泵的抽停.MBR内,在膜片两侧设置隔板,以控制升流区和降流区的比例为1:2,营造较好的水力条件.膜组件采用间隙抽吸(抽吸10min,停抽2min)的模式运行,鼓风机通过穿孔曝气管向MBR池内供氧并对膜面进行冲刷,设计气水比为100:1,由气体流量计计量曝气量,曝气管设在膜组件正下方.MBR采用恒通量的运行模式.进水槽的有效容积为4L,反应器有效容积为36.45L.平板膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF),膜组件为自行研制,孔径为0.2μm,膜的有效过滤面积为0.2m2,膜组件直接浸没在MBR池中.1.3试验设计参数6套试验装置分为2组,其中1＃、2＃、3＃装置的进水为污水A;4＃、5＃、6＃装置的进水为污水B.6套MBR的污泥龄均为15d.试验过程中,控制2组装置的COD容积负荷两两对应相等,相应地,其设计水力停留时间、膜通量等参数均不同,主要设计参数如表2所示.表2试验装置设计参数Table2OperationalparametersofMBR反应器编号COD负荷[kg/(m3·d)]HRT(h)膜通量[L/(m2·h)]1＃1.0062.402.002＃2.0031.305.853＃3.0020.888.704＃1.0036.005.055＃2.0018.0010.106＃3.0012.0015.201.4测试项目与方法COD、TN、NH3-N的测定方法采用国家环保局的《水和废水监测分析》标准方法[13].溶解性有机碳(DOC)采用TOC-VCPN型总有机碳分析仪(SHIMADZU)测定;波长254nm处紫外吸收值(UVA)采用UV2802型紫外-可见分光光度计(UNICO)测定,波长254nm处比紫外吸收值(SUVA)为UVA与DOC的比值.污泥混合液的附着型EPS(即松散附着部分和紧密附着部分之和)采用热提取法[14].附着型EPS中的松散附着(LB)部分和紧密附着(TB)部分的提取,采用文献[15]中的方法.SMP提取方法:从MBR池内取一定量的活性污泥,在6000r/min2期何磊等：餐饮废水MBR处理过程中DOM的三维荧光光谱分析227条件下离心30min后,取上清液过滤所得滤液即为SMP.多糖测定采用苯酚硫酸法[16],蛋白质测定采用修正Lowry法[17].EEM光谱采用F-4500型荧光分光光度计(HITACHI)测定,仪器光源为150W氙灯,光电倍增管电压为400V,激发和发射狭缝宽度均为10nm.激发波长(Ex)与发射波长(Em)扫描范围分别为200~500nm和200~550nm,扫描间隔均为5nm.EEM数据采用Origin8.0软件进行处理,以等高线图表征,每条等高线间隔代表5个单位荧光强度.污水样品经0.45μm滤纸过滤.膜污染速率测定方法:每套反应器均有压力表监测膜组件抽吸压力的变化情况,每套反应器整个运行周期中每日的压力平均变化率记为膜污染速率.2结果与讨论2.1污染物去除情况02040608010121416181#2#3#4#5#6#COD(mg/L)反应器编号00.20.40.60.81.01.21.41.61#2#3#4#5#6#TN、NH3-N(mg/L)反应器编号TNNH3-N图2出水污染物情况Fig.2Indicatorsofpollutantsineffluents由图2可知,6套小试装置对COD、TN、NH3-N的去除效率很高,基本维持在95%以上,其中6＃装置对COD、NH3-N去除效率稍低,但也分别达到了92.6%、94.6%,可见MBR工艺对2种水质的主要污染指标都有很好的去除效果.同时,4＃、5＃、6＃装置的膜出水中污染物浓度普遍低于1＃、2＃、3＃.这是由于进水B经过气浮处理,部分较难降解的有机物(如:油脂等)被去除,相应地进水A中的这部分物质进入MBR反应器后能导致有机物传质系数降低、污泥活性受阻等影响微生物的新陈代谢[18],所以在相同的COD容积负荷的条件下,进水B中的有机物更容易被降解,处理效果较好.同时,进水中含有较多有机物,在微生物通过新陈代谢作用降解有机物的过程中,大多数含氮化合物作为微生物所需氮源被利用,因此出水中TN、NH3-N含量较低.2.2荧光图谱分析由图3可知,在MBR处理餐饮废水过程中,不同工况条件下的进水、膜出水、溶解性微生物代谢产物(SMP)和松散附着胞外聚合物(LB-EPS)的EEM光谱非常相似,出现3个主要的荧光峰,其中荧光峰A和B的中心位置(激发波长/发射波长,即Ex/Em)分别位于220~230/320~350nm和270~285/320~350nm,分别为低激发波长类色氨酸和高激发波长类色氨酸物质产生的荧光峰,均为类蛋白质荧光[19-20];荧光峰C的中心位置位于310~360/370~450nm,为可见区类富里酸荧光[21-22].紧密附着胞外聚合物(TB-EPS)和附着型胞外聚合物(EPS)的EEM光谱也非常相似,出现3个主要的荧光峰,其中仍有荧光峰C,同时还出现了荧光峰T和D,其中心位置分别位于270~285/320~360nm和350~440/430~510nm,分别为类色氨酸[23-24]和类腐殖酸[19,24]物质产生的荧光峰.2.3进、出水中DOM的荧光特性分析为方便进一步对比研究,将不同的进水和膜出水荧光峰中心位置、峰强及相关的一些指标列于表3,其中B/A为荧光峰B与A的强度比值.228中国环境科学31