城市污水厂活性污泥胞外聚合物的三维荧光特性分析

中国环境科学2012,32(1)：94~99ChinaEnvironmentalScience城市污水厂活性污泥胞外聚合物的三维荧光特性分析姚萌1,2,罗红元1,谢小青3,戴兰华3,吴伟3,张凯松1*(1.中国科学院城市环境研究所,环境与健康重点实验室,福建厦门361021；2.中国科学院研究生院,北京100049；3.厦门水务集团,福建厦门361008)摘要：对厦门5个城市污水处理厂活性污泥溶解性有机物SMP,松散型胞外聚合物LB-EPS和紧密结合型胞外聚合物TB-EPS的三维荧光光谱分析表明,SMP,LB-EPS和TB-EPS都有3个明显的特征峰,其中PeakA(Ex/Em=225~230/335~350nm)和PeakB(Ex/Em=275~280/330~350nm)都为类蛋白荧光物质,PeakC(Ex/Em=320~350/420~445nm)为腐殖酸类荧光物质.LB-EPS和TB-EPS荧光峰强度同其对应的TOC浓度有一定相关性.荧光强度综合指数FRI分析表明,微生物副产物更多的存在于TB-EPS中,其FRI总和同TOC浓度呈一定相关性.关键词：胞外聚合物；三维荧光光谱；荧光强度综合指数；活性污泥中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)01-0094-06Threedimensionalexcitation-emissionflorescencespectraofexpolymersubstancesinactivatedsludgeofWWTP.YAOMeng1,2,LUOHong-yuan1,XIEXiao-qing3,DAILan-hua3,WUWei3,ZHANGKai-song1*(1.KeyLaboratoryofUrbanEnvironment,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China；2.GraduateUnirersityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China；3.XiamenWaterCompany,Xiamen361008,China).ChinaEnvironmentalScience,2012,32(1)：94~99Abstract：Three-dimensionalemissionandexcitationmatrixs(EEMs)wasusedtocharacterizethesolublemicro-products(SMP),loosely-boundextracellularpolymericsubstances(LB-EPS)andtightly-boundextracellularpolymericsubstances(TB-EPS)extractedfromactivatedsludgeinfivemunicipalwastewatertreatmentplantsinXiamen(WWTP).ThreefluorescencepeakswereidentifiedinEEMsofSMP,LB-EPSandTB-EPS,inwhichPeakA(Ex/Em=225~230/335~350nm)andPeakB(Ex/Em=275~280/330~350nm)wereattributedtotheprotein-likefluorophores,andPeakC(Ex/Em=320~350/420~445nm)wascharacterizedashumic-likefluorophores.ResultsofthepeakintensityshowedthatthemajorcomponentsofLB-EPSandTB-EPSweresignificantcorrelatedwithTOCconcentrationinsomedegree.Fluorescenceregionalintegration(FRI)analysisshowedthatmicrobialby-productsexistedinTB-EPSmuchmorethanthatinLB-EPSandSMP.ThesumFRIofI,IIandIVregionspresentedlinearrelationshipwithTOCconcentrationinLB-EPSandTB-EPS.Keywords：extracellularpolymericsubstances；three-dimensionalemissionandexcitationmatrixs；fluorescenceregionalintegration；activatedsludge随着我国城市化进程的加快,城市污水处理率逐年提高,污水厂产生的主要二次污染物－污泥也急剧增加,成为亟需解决的难题[1-2].许多研究表明[3-10],活性污泥胞外聚合物(EPS)在很大程度上影响着污泥絮体结构、沉降性能、脱水性能和对重金属的吸附性能.EPS作为生物聚集体如生物膜、污泥絮体、污泥混合液的主要成分,主要由蛋白质、多糖、核酸、脂类、腐殖酸及其它细胞外部多聚物组成.根据其分布位置不同,EPS又可分为松散型LB-EPS和紧密结合型TB-EPS2部分[4,6].TB-EPS位于细胞体表面,与细胞壁紧密结合;而LB-EPS分布在TB-EPS外部,结构松散,密度较小.Yang等[4]的研究表明,在不稳定运行状态,LB-EPS的性质同污泥絮凝、沉降、压缩和脱水性能呈正相关;而TB-EPS未显示相关性.EPS在水处理过程和污泥处理系统中收稿日期：2011-04-15基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07317-003-02)*责任作者,研究员,[e-mail]1期姚萌等：城市污水厂活性污泥胞外聚合物的三维荧光特性分析95起到重要作用,但是目前对胞外聚合物的机理和作用的研究还不甚成熟.近年来,三维荧光光谱EEMs技术由于灵敏度高,操作简便等优点,被应用于水体中溶解性有机物DOM的检测[11-13].本研究采用EEM光谱技术,分析了厦门5个不同工艺流程和进水性质的污水处理厂活性污泥中EPS组分变化,为污泥处理与处置的后续研究提供基础数据.1材料与方法1.1污泥采样以厦门市不同进水水质的城市污水处理厂为研究对象,试验污泥取自厦门正常运转的5个城市污水处理厂的污泥回流池.其中,厦门岛2座(QP和YD)以居民生活污水为主;海沧区(HC)和杏林(XL)各一座,以工业污水为主;集美区(JM)一座,工业废水/生活污水混合.YD污水厂采用生物膜处理工艺,其余污水厂采用氧化沟及其变形工艺.1.2胞外聚合物提取与测定采用热提取法[7]提取活性污泥中的EPS.取40mL活性污泥样品于50mL离心管,6000g离心力离心5min,取上清液为溶解性有机物SMP.磷酸盐缓冲溶液(0.1mol/L,pH=7.4,PBS)预热到70℃,补充PBS到40mL,使污泥迅速升温至50℃,涡旋混合1min.将样品再次离心(6000g,10min),此时上清液即为LB-EPS.补充PBS到40mL,60℃水浴30min,离心(6000g,30min)得到TB-EPS.SMP及LB-EPS、TB-EPS经0.45µm滤膜过滤后,其中含有的蛋白质采用BCA法测定[14](BCA法蛋白质试剂盒,百泰克,北京);采用蒽酮硫酸法测定多糖[15],以葡萄糖为标样.溶解性有机碳(DOC)的测定采用TOC-(SHIMADZU)型总有机碳分析仪.1.3三维荧光光谱分析荧光光谱采用HITACHIF4600(日立,日本)型荧光分光光度计,光源为氙灯,光电倍增管电压为700mV,激发和发射狭缝宽度均为5nm.激发光Ex与发射光Em扫描范围分别为200~500nm及280~500nm,扫描间隔均为5nm,扫描速度为2400nm/min.以超纯水作为空白校正水的拉曼散射.EEMs数据采用Origin7.5软件进行处理,以等高线图表征.2结果与讨论2.1EPS成分分析活性污泥中SMP、LB-EPS和TB-EPS提取过程做3次平行取3次平均值,主要成分见表1.进水水质的不同导致污泥混合液组分结构存在明显差异.处理生活污水的QP污水厂以氧化沟工艺为主,剩余污泥产量大,污泥EPS各组分含量都远远高于其他污水厂;生物膜法的YD污水厂剩余污泥主要是生物膜脱落的老化污泥,活性差,其EPS各成分含量远远低于氧化沟污泥(QP).HC、XL和JM3个工业废水和生活污水混合处理的污泥,无机物含量多,蛋白质和多糖等细胞产物明显少于生活污水为营养的污泥.表1单位质量污泥SMP、LB-EPS和TB-EPS组分(mg/gMLSS)Table1ComponentsofSMP,LB-EPSandTB-EPS(mg/gMLSS)污水厂项目TOC蛋白质多糖SMP3.90±2.342.94±0.321.16±0.06LB-EPS1.33±0.322.65±0.531.08±0.10XLTB-EPS5.44±1.433.90±0.191.27±0.16SMP16.96±1.104.10±0.241.99±0.09LB-EPS2.98±0.391.48±0.300.77±0.15YDTB-EPS8.11±0.603.46±0.161.80±0.41SMP2.45±0.321.88±0.070.68±0.15LB-EPS2.98±0.310.73±0.060.62±0.09HCTB-EPS10.34±0.305.09±0.271.66±0.14SMP49.77±7.7835.30±4.3715.59±0.82LB-EPS65.12±15.0615.67±3.767.22±1.20QPTB-EPS59.44±17.2428.50±7.323.03±0.45SMP3.14±1.542.29±0.200.69±0.26LB-EPS4.36±0.322.02±0.200.70±0.02JMTB-EPS14.47±1.306.44±0.482.59±0.342.2EPS的三维荧光特性经热法提取的SMP、LB-EPS和TB-EPS过0.45µm滤膜后,直接进行荧光扫描.96中国环境科学32卷300400500200300400500aEx(nm)300400500200300400500b300400500200300400500c300400500200300400500dEx(nm)300400500200300400500e300400500200300400500f300400500200300400500gEx(nm)300400500200300400500h300400500200300400500i300400500200300400500jEx(nm)300400500200300400500k300400500200300400500l300400500200300400500mEx(nm)Em(nm)300400500200300400500nEm(nm)300400500200300400500oEm(nm)图1不同污水处理厂溶解性有机物及胞外聚合物的三维图谱Fig.1EEMsforSMP,LB-EPSandTB-EPSofwastewatertreatmentplantsa.SMP-XL;b.LB-XL;c.TB-XL;d.SMP-YD;e.LB-YD;f.TB-YD;g.SMP-HC;h.LB-HC;i.TB-HC;j.SMP-QP;k.LB-QP;l.TB-QP;m.SMP-JM;n.LB-JM;o.TB-JM由图1可知,各个污水厂曝气池回流污泥的SMP,LB-EPS和TB-EPS中都有3个明显的荧光峰:即PeakA(Ex/Em=225~237/340~381nm)类蛋白荧光和PeakB(Ex/Em=275/3