1 引言

　　食品加工、皮革制造及石油等行業(yè)的快速發(fā)展造成含鹽有機(jī)廢水排放量日益增加,這類廢水除具有高鹽度外,通常還含有較高濃度的有機(jī)物,因此,采用厭氧生物處理技術(shù)處理此類含鹽有機(jī)廢水更具實(shí)用性.升流式厭氧污泥流化床(UASB)、厭氧序批式生物膜反應(yīng)器(ASBBR)和膨脹顆粒污泥床(EGSB)等厭氧生物處理技術(shù)已經(jīng)被證明可以有效地處理含鹽有機(jī)廢水.

　　胞外聚合物(EPS)是微生物通過新陳代謝作用和細(xì)胞自溶形成的附著于細(xì)胞壁外的大分子粘性有機(jī)多聚物,其在細(xì)胞壁表面呈流變性雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層為緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS),與細(xì)胞壁結(jié)合較緊密,具有一定外形,相對(duì)穩(wěn)定地附著于細(xì)胞壁外;外層為松散結(jié)合型EPS(LB-EPS),可向周圍環(huán)境擴(kuò)散,為無明顯邊緣的粘液層.EPS主要由蛋白(PN)和多糖(PS)組成,并含有少量的腐殖酸、核酸等.EPS的這種組成有利于微生物細(xì)胞間的粘附和聚集,并影響污泥絮體的理化性質(zhì),如沉降性、絮凝性、脫水性、表面帶電性等.因此,研究胞外聚合物在廢水生物處理系統(tǒng)中的作用對(duì)于維持工藝的穩(wěn)定運(yùn)行十分必要.

　　EPS含量和組成的變化與廢水中營養(yǎng)物質(zhì)濃度、基質(zhì)種類、溶解氧含量、重金屬離子等有毒有害物質(zhì)濃度及鹽度等有關(guān).近年來,廢水中鹽度的變化對(duì)污泥EPS含量和組成的影響已經(jīng)引起學(xué)者廣泛關(guān)注.Abbasi等 發(fā)現(xiàn),進(jìn)水鹽度的增加能刺激微生物分泌更多的胞外多糖以降低滲透壓的升高對(duì)細(xì)胞的破壞.Ismail等發(fā)現(xiàn),厭氧污泥EPS中PN含量在進(jìn)水Na+濃度為10 g · L-1和20 g · L-1時(shí)沒有顯著不同,而Na+濃度為10 g · L-1時(shí),EPS中PS含量更高.Wang等 研究了鹽度變化對(duì)好氧顆粒污泥EPS的影響,發(fā)現(xiàn)進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%會(huì)導(dǎo)致好氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量增加,PN/PS比降低,LB-EPS和TB-EPS含量與顆粒污泥容積指數(shù)(SVI)正相關(guān).人們對(duì)進(jìn)水中鹽度的變化對(duì)厭氧和好氧污泥EPS含量和組成的影響已經(jīng)做了大量研究,然而,關(guān)于鹽度的增加對(duì)厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量與組成的影響報(bào)道較少,并且不同鹽度下厭氧污泥的理化性質(zhì)與胞外聚合物間關(guān)系的研究未見報(bào)道.

　　針對(duì)上述問題,本文擬研究UASB厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量隨著進(jìn)水鹽度增加的變化規(guī)律,并利用三維熒光(3D-EEM)和傅里葉變換紅外(FTIR)技術(shù)分析不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS的組成和結(jié)構(gòu),討論LB-EPS和TB-EPS中PN和PS組成和含量的變化與污泥沉降性間的關(guān)系,以期為含鹽有機(jī)廢水厭氧處理的研究提供有益借鑒.

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗(yàn)裝置

　　UASB反應(yīng)器如圖 1所示,反應(yīng)器由有機(jī)玻璃柱制成,反應(yīng)器主體分為上、下兩部分,上部為沉淀區(qū),下部為反應(yīng)區(qū),反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑8 cm,高80 cm,有效容積4 L,沉淀區(qū)內(nèi)徑15 cm,有效高度15 cm,有效容積2 L,反應(yīng)器總高100 cm,總有效容積6 L.采用蠕動(dòng)泵向UASB反應(yīng)器進(jìn)水,流量為0.42 L · h-1,水力停留時(shí)間為24 h,反應(yīng)器外設(shè)有循環(huán)泵以使廢水和污泥充分接觸.UASB反應(yīng)器在常溫下運(yùn)行.

　　圖 1 UASB反應(yīng)器示意圖

　　2.2 實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

　　模擬含鹽有機(jī)廢水主要成分如下(mg · L-1)：葡萄糖1536,NaNO3 364,KH2PO4 79,鹽度和微量元素由海水晶提供.鹽度為 3%(每升含30 g 海水晶)條件下,海水晶成分如下(mg · L-1)：Na+ 9880,Mg2+ 950,Cl- 18025,SO42- 2500,K+ 360,Ca2+ 300,Zn2+ 0.015,Mn2+ 0.013,Fe2+ 0.13,Co2+ 3×10-4,Mo6+ 3×10-3,Sr+ 7.5×10-3,I- 0.07,Se6+ 3.5×10-4,Cu2+ 0.05,活性磷酸鹽 0.045,亞硝酸鹽 0.01,硝酸鹽 0.3.進(jìn)水 pH 控制在 7.5 左右.青島市李村河污水處理廠消化污泥作為UASB反應(yīng)器接種污泥,污泥濃度(MLSS)為4.23 g · L-1.

　　2.3 分析方法2.3.1 胞外聚合物提取和測定

　　依據(jù)Li等 的方法適當(dāng)修改后提取LB-EPS和TB-EPS.取反應(yīng)器中污泥樣品40 mL,在6000 r · min-1下離心5 min,棄去上清夜,得到濃縮的污泥;用預(yù)熱到70 ℃的NaCl溶液(與污泥樣品具有相同鹽度)稀釋至40 mL,蓋緊蓋子并快速振蕩1 min;將提取后的混合液于6000 r · min-1離心10 min,收集上清液,即為LB-EPS.用NaCl溶液(與污泥樣品具有相同鹽度)稀釋至40 mL,60 ℃水浴30 min后再在6000 r · min-1下離心15 min,收集上清液,即為TB-EPS.

　　上清液經(jīng)過0.45 μm醋酸纖維素膜過濾后分析LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量.PN含量采用Folin酚法測定,PS含量采用蒽酮比色法測定.以LB-EPS(或TB-EPS)中PN和PS含量之和表示LB-EPS(或TB-EPS)總量.

　　2.3.2 三維熒光光譜分析

　　采用熒光分光光度計(jì)(F-4600,Hitachi,日本)測定LB-EPS和TB-EPS三維熒光光譜.激發(fā)波長(λEx)范圍為200~400 nm,掃描間隔5 nm;發(fā)射波長(λEm)范圍為200~500 nm,掃描間隔5 nm;激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫均為10 nm,掃描速度為1200 nm · min-1.采用Origin 8.1軟件繪制光譜圖.

　　2.3.3 傅里葉變換紅外光譜分析

　　采用傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor 27,Bruker Optics,德國)測定LB-EPS和TB-EPS紅外光譜.LB-EPS和TB-EPS提取液經(jīng)過冷凍干燥處理后與光譜純KBr按照1 ∶ 100質(zhì)量比研磨混合,并于一定壓力下保持若干分鐘制成半透明薄片,在400~4000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描,檢測器分辨率為4 cm-1.

　　2.3.4 常規(guī)分析測定方法

　　COD、NO3--N、NO2--N、MLSS、MLVSS及SVI均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法測定,pH采用便攜式pH儀測定.

　　3 結(jié)果與分析(Results and discussion)3.1 鹽度變化對(duì)UASB反應(yīng)器反硝化性能的影響

　　不同鹽度下進(jìn)出水中COD、NO3--N和NO2--N的變化如圖 2所示.廢水中鹽度的增加會(huì)使細(xì)胞外滲透壓升高,這可能會(huì)引起細(xì)胞的質(zhì)壁分離、脫水和活性的降低,甚至是解體死亡.每次增加進(jìn)水中鹽度的初期,由于反硝化菌受到滲透壓升高的沖擊作用,細(xì)胞的代謝活性受到抑制,導(dǎo)致出水中COD和NO3--N濃度較高,隨著反硝化菌對(duì)高滲透壓的承受能力不斷提高,出水中COD和NO3--N的濃度也逐漸降低.進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%,COD平均去除率由90%降至44%,NO3--N平均去除率由95%降至45%.鹽度的增加會(huì)引起反硝化菌生長緩慢、代謝活性降低,進(jìn)而導(dǎo)致COD和NO3--N去除率隨著進(jìn)水鹽度的增加而下降.此外,鹽度的增加也會(huì)刺激微生物分泌更多的胞外聚合物,而多余的胞外聚合物會(huì)堵塞底物傳輸?shù)耐ǖ?從而降低底物的傳質(zhì)速率,這也可能導(dǎo)致COD和NO3--N去除率隨著進(jìn)水鹽度的增加而降低.不同鹽度下出水中沒有顯著的NO2--N累積.

　　圖 2不同鹽度下進(jìn)出水中COD、NO3--N和NO2--N的變化(a. COD,b. NO3--N,c.NO2--N)

　　3.2 不同鹽度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量的變化

　　不同鹽度下,UASB反應(yīng)器出水水質(zhì)穩(wěn)定后取厭氧污泥用于LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量變化的分析,結(jié)果如圖 3所示.進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%,LB-EPS中PN和PS的含量分別由3.75和1.19 mg · g-1(以VSS計(jì))增加至26.82和14.65 mg · g-1(以VSS計(jì)),TB-EPS中PN和PS含量分別由9.70和2.55 mg · g-1(以VSS計(jì))增加至30.11和12.92 mg · g-1(以VSS計(jì)).不同鹽度下,LB-EPS和TB-EPS中PN含量總是高于PS含量,這與EPS中存在大量的胞外酶有關(guān).進(jìn)水中鹽度的增加導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的差異增大,為調(diào)節(jié)這種差異,細(xì)胞在滲透壓升高的脅迫下通過分泌大量的酶和其他輔助物質(zhì)增強(qiáng)主動(dòng)運(yùn)輸和擴(kuò)散等運(yùn)輸活動(dòng)以適應(yīng)環(huán)境的變化,從而維持正常的新陳代謝,這可能是導(dǎo)致EPS中PN和PS含量隨著進(jìn)水鹽度增加而增多的原因.另外,不能適應(yīng)環(huán)境中鹽度增加的細(xì)胞的解體也會(huì)使胞內(nèi)蛋白和多糖等大分子物質(zhì)釋放,這也會(huì)導(dǎo)致EPS中PN和PS含量增加.Li等 報(bào)道了相似的結(jié)果,進(jìn)水鹽度由0.4%逐漸增加至2%會(huì)導(dǎo)致厭氧污泥EPS中PN和PS含量增加.然而Ismail等 發(fā)現(xiàn),厭氧污泥EPS中PN含量在進(jìn)水Na+濃度為10 g · L-1和20 g · L-1時(shí)沒有顯著不同,而Na+濃度為10 g · L-1時(shí),EPS中PS含量更高.學(xué)者關(guān)于進(jìn)水鹽度的變化對(duì)厭氧污泥EPS中PN和PS含量影響的報(bào)道結(jié)果并不一致,這可能與實(shí)驗(yàn)條件的不同有關(guān).進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%,LB-EPS和TB-EPS中PN/PS比分別由3.2和3.8降低至1.8和2.3,表明鹽度的增加更容易引起EPS中PS含量的變化.PS分子中含有大量的極性基團(tuán),其與水分子結(jié)合能力較強(qiáng),所以PS可以限制水分的流動(dòng),在高滲透壓下,EPS中PS含量的增加可以降低細(xì)胞的水分流失,這可以被視為細(xì)胞抵御環(huán)境中滲透壓增加的一種方式.Abbasi等 發(fā)現(xiàn),細(xì)胞外鹽度的增加會(huì)刺激細(xì)菌分泌更多的胞外PS以降低滲透壓增加對(duì)細(xì)胞的破壞.Zou等 也報(bào)道了相似的結(jié)果,鹽度增加導(dǎo)致胞外PS含量的增加.進(jìn)水鹽度低于4%時(shí),LB-EPS中PS含量低于TB-EPS中的PS含量,而進(jìn)水鹽度高于4%時(shí),LB-EPS中PS含量更高.

　　圖 3不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS中PN和PS的變化(a.LB-EPS,b.TB-EPS,c.PN/PS比)

　　3.3 不同鹽度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的三維熒光光譜

　　不同鹽度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的三維熒光光譜如圖 4所示.X軸和Y軸分別代表發(fā)射光譜(λEx)和激發(fā)光譜(λEm),等高線代表熒光強(qiáng)度.熒光峰A(275~280 nm /335~345 nm)和B(220~225 nm /335~350 nm)為類蛋白熒光,分別與色氨酸蛋白類物質(zhì)和芳環(huán)蛋白類物質(zhì)有關(guān);熒光峰C(325~340 nm /435~440 nm)為類胡敏酸熒光,與胡敏酸類物質(zhì)有關(guān).不同鹽度下,熒光峰A和熒光峰B在LB-EPS和TB-EPS中均被檢測到,表明厭氧污泥胞外聚合物中的蛋白由色氨酸蛋白類物質(zhì)和芳環(huán)蛋白類物質(zhì)組成.在鹽度為4%和8%條件下,熒光峰C在TB-EPS中被檢測到,表明胡敏酸類物質(zhì)的存在,這與死細(xì)胞和大分子物質(zhì)(如蛋白質(zhì)和多糖)的分解有關(guān),反映了鹽度的增加對(duì)細(xì)胞的毒害作用.LB-EPS的3D-EEM光譜中沒有檢測到類胡敏酸熒光,這可能與胡敏酸類物質(zhì)含量較低有關(guān).不同進(jìn)水鹽度下,熒光峰位和峰強(qiáng)度如表 1所示.與進(jìn)水鹽度為0時(shí)LB-EPS和TB-EPS熒光峰位相比,進(jìn)水鹽度為8%時(shí),LB-EPS中熒光峰A沿發(fā)謝光譜和激發(fā)光譜方向紅移5 nm,TB-EPS中熒光峰A沿激發(fā)光譜方向紅移5 nm.熒光峰的紅移表明熒光基團(tuán)中羰基、羧基、羥基和胺基增加.進(jìn)水鹽度為8%時(shí),LB-EPS中熒光峰B沿發(fā)射光譜方向紅移5 nm,鹽度為4%和8%時(shí),沿激發(fā)光譜方向分別藍(lán)移5 nm和10 nm,熒光峰的藍(lán)移表明熒光基團(tuán)中芳香環(huán)減少.熒光峰的移動(dòng)反映了鹽度的增加導(dǎo)致厭氧污泥胞外聚合物中色氨酸蛋白類物質(zhì)和芳環(huán)蛋白類物質(zhì)中各組分的含量存在變化,引起這種變化的機(jī)理和變化的規(guī)律需要被進(jìn)一步的研究.

　　圖 4不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS三維熒光光譜(a. LB-EPS(0) ,b.TB-EPS(0) ,c.LB-EPS(4%),d. TB-EPS(4%),e.LB-EPS(8%),f. LB-EPS(8%))

　　表 1 不同鹽度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中熒光峰特征

　　3.4 不同鹽度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的紅外光譜

　　不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS的紅外光譜如圖 5所示.3440~3454 cm-1處的寬吸收峰是羥基(來自于多糖化合物)和氨基(來自于蛋白質(zhì))的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致,由于EPS組成的復(fù)雜性,因此很難準(zhǔn)確確定3450 cm-1附近的寬吸收峰由何種基團(tuán)的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致;1630 cm-1附近吸收峰是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中β-sheets的C O伸縮振動(dòng)導(dǎo)致;1400 cm-1附近吸收峰是甲基中C—H鍵振動(dòng)產(chǎn)生的;1100 cm-1附近吸收峰是多糖類化合物C—O鍵的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致 ;小于1000 cm-1為指紋區(qū);600~900 cm-1的吸收峰說明樣品中存在不飽和鍵.LB-EPS和TB-EPS在3450、1600和1100 cm-1處均有明顯的吸收峰存在,表明LB-EPS和TB-EPS樣品中蛋白質(zhì)類和多糖類化合物的存在.不同進(jìn)水鹽度下,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS紅外光譜峰位是相似的,但峰的相對(duì)強(qiáng)度隨進(jìn)水鹽度的增加而表現(xiàn)出不同的變化.LB-EPS和TB-EPS中1100 cm-1附近吸收峰相對(duì)強(qiáng)度隨著鹽度增加而顯著增強(qiáng),表明進(jìn)水鹽度增加導(dǎo)致厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中多糖的C—O組分相對(duì)含量增加.

　　圖 5不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS紅外光譜(a.LB-EPS,b.TB-EPS)

　　3.5 不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS與厭氧污泥沉降性的關(guān)系

　　進(jìn)水鹽度為0、1%、2%、3%、4%、6%和8%條件下,UASB反應(yīng)器出水水質(zhì)穩(wěn)定后,分別在第78、94、115、136、155、190和240 d取厭氧污泥用于LB-EPS、TB-EPS和SVI分析,結(jié)果如圖 6所示.進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量分別由4.94和12.25 mg · g-1(以VSS計(jì))增加至41.47和43.04 mg · g-1(以VSS計(jì)).LB-EPS和TB-EPS的變化與鹽度的增加呈明顯的線性關(guān)系,R2分別為0.9003(LB-EPS)和0.8851(TB-EPS),由此可知,LB-EPS的變化與進(jìn)水鹽度的增加關(guān)系較TB-EPS更緊密.TB-EPS與細(xì)胞壁結(jié)合較緊密,具有穩(wěn)定的外形,而LB-EPS為無明顯邊緣的粘液層,可向周圍環(huán)境擴(kuò)散,這可能導(dǎo)致LB-EPS的含量更容易受環(huán)境因素變化的影響.隨著進(jìn)水鹽度由0逐漸增加至8%,厭氧污泥SVI由88 mL · g-1增加至140 mL · g-1,SVI與鹽度呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,R2為0.9391.SVI的增加表明進(jìn)水鹽度的增加導(dǎo)致厭氧污泥沉降性惡化.有學(xué)者發(fā)現(xiàn),鹽度增加會(huì)導(dǎo)致微生物分泌出更多的胞外聚合物以抵御滲透壓升高對(duì)細(xì)胞的破壞,胞外聚合物與大量水分子結(jié)合,結(jié)構(gòu)疏松,因此,其含量的增加導(dǎo)致污泥絮體壓縮性能變差,進(jìn)而造成污泥沉降性能的惡化.為了更深入地理解進(jìn)水鹽度的增加對(duì)厭氧污泥SVI的影響,不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS與SVI間的關(guān)系被分別分析(圖 7).SVI與LB-EPS和TB-EPS均正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)r分別為0.915和0.911(p <0.01,n=7) .Li等 發(fā)現(xiàn),LB-EPS與SVI正相關(guān),TB-EPS含量的變化對(duì)SVI沒有影響.然而,Ye等 的研究結(jié)果顯示,LB-EPS和SVI負(fù)相關(guān),TB-EPS與SVI正相關(guān).學(xué)者關(guān)于LB-EPS與TB-EPS對(duì)SVI影響的報(bào)道是不一致的,這可能與LB-EPS和TB-EPS含量與組成的不同有關(guān).進(jìn)水鹽度的增加可以刺激微生物分泌更多的PS,這導(dǎo)致LB-EPS和TB-EPS中PN/PS比隨著鹽度的增加而降低.PS是EPS的親水成分,PN是EPS的疏水成分,較低的PN/PS比導(dǎo)致污泥絮體的疏水性降低,不利于污泥絮凝,進(jìn)而降低污泥的沉降性.Chen等 報(bào)道了相似的結(jié)果,SVI隨著EPS中PN/PS比的降低而增加.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6不同鹽度下LB-EPS、TB-EPS和SVI的變化及相互關(guān)系

　　圖 7不同鹽度下LB-EPS、TB-EPS和SVI間的關(guān)系

　　4 結(jié)論

　　1) 進(jìn)水鹽度的增加導(dǎo)致厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中蛋白和多糖含量增加,蛋白和多糖含量比值降低,多糖的C—O組分相對(duì)含量增加,表明鹽度的增加更容易引起胞外聚合物中多糖的變化.

　　2) 不同鹽度下,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中的蛋白均由色氨酸類蛋白和芳環(huán)類蛋白組成.

　　3) 厭氧污泥中LB-EPS和TB-EPS含量的增加降低了污泥的沉降性.