工業廢水生化處理過程中SMP特性研究

羅 曉，鄭向陽，趙叢叢，鐘為章

(1.河北科技大學環境科學與工程學院, 河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊 050018；3.河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

1008-1542(2017)05-0499-08

10.7535/hbkd.2017yx05014

工業廢水生化處理過程中SMP特性研究

羅 曉1,2，鄭向陽3，趙叢叢3，鐘為章1,2

(1.河北科技大學環境科學與工程學院, 河北石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊 050018；3.河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

水污染防治工程；缺氧/好氧工藝；溶解性微生物產物；紫外吸收光譜；三維熒光光譜；相關性分析

中國工業廢水處理大多采用生化處理工藝，依靠微生物的代謝機制降解水中有機物。微生物降解過程中產生的溶解性代謝產物(SMP)關系到最終出水能否實現COD達標排放。SMP作為生化處理過程中COD和TOC的主要成分[1-3]，來源于微生物基質分解過程(UAP)和內源呼吸過程(BAP)[4]。SMP的主要成分為多糖、腐殖質、蛋白質等，多數成分具有較強的熒光反應，其熒光光譜因成分含量差異而呈現不同光譜指紋。同時，SMP具有一定的生物毒性，可抑制微生物生長，易導致出水水質惡化[5]。因此在污水生化處理過程中控制SMP的含量尤為重要。目前，對于工業廢水生化處理過程的理化檢驗僅限于COD，BOD，TN和TP等污染指標，對于水中各類有機質總量能夠較好的表達[6]，但對于SMP的組分構成、相對含量和遷移規律等關注較少。

三維熒光技術(excitation-emission matrix, EEM)因其不改變樣品結構，還能直觀反映溶解性有機物的熒光特性，同時具有方法便捷、靈敏等諸多優點，近年來廣泛應用于水質監測、廢水生物處理性能評估、污水廠處理出水溶解性有機物(DOM)研究等方面[7-8]。其與數學定量分析方法結合后，完成水樣熒光物質定性定量的同時，也能較為全面地反映溶解性有機物的組成及光譜信息[9]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 采樣點位置示意圖Fig.1 Sampling points of an industry water treatment plant

1.2 水質測定及SMP的提取

1.3 光譜學分析

紫外光譜分析采用GENESYS 10S型紫外分光光度計(美國Thermo Fisher公司提供)測定。紫外波長掃描范圍為190～700 nm，掃描間距為1 nm。測定所提取的SMP在203，250 ，253 ，355和365 nm處的吸光度，計算樣品在355 nm下的吸光系數a(355)[11]。計算公式見式(1)：

(1)

式中：a(355)是355 nm處的吸收系數，m-1;A(355)為355 nm下的吸光度；l為光程路徑，0.01 m。

A226～250，A260～400表示在2個吸收帶處的吸收峰面積；E250/365，E253/203表示吸收系數比值；計算275～295 nm和350～400 nm處吸光度自然對數擬合的直線斜率，記為S275～295和S350～400。

熒光光譜采用F-7000型熒光光度計(日本 Hitachi公司提供)測定，激發光源為150 W氙弧燈，熒光同步掃描光譜激發波長Ex=300～600 nm，Δλ=30 nm。激發波長Ex=200～450 nm，發射波長Em=280～520 nm，激發和發射夾縫寬度均為5 nm，掃描速度設定為12 000 nm/min，在此條件下，以MiLi-Q超純水掃描所得光譜為空白，扣除空白以去除拉曼散射的影響，同時將瑞利散射上方光譜數據置零，消除瑞利散射影響。

依據CHEN等[12]提出的方法，可通過區域面積積分解析熒光光譜圖，將三維熒光光譜區域劃分為5個區，計算得到各區熒光團強度及總熒光強度(TOT)積分值。熒光I區范圍：Ex/Em=200～250 nm/280～325 nm；Ⅱ區范圍：Ex/Em=200～250 nm/325～375 nm；Ⅲ區范圍：Ex/Em=200～250 nm/375～520 nm；Ⅳ區范圍：Ex/Em=>250/280～375 nm；Ⅴ區范圍：Ex/Em=>250/375～520 nm。與類蛋白相關物質熒光區域為I區、Ⅱ區和Ⅳ區，其類蛋白物質主要包括類酪氨酸、類色氨酸、溶解性微生物副產物，副產物中主要包括類酪氨酸、色氨酸蛋白，Ⅲ區和Ⅴ區熒光物質與類腐殖質相關。

采用多元統計軟件SPSS 17.0對各樣品同步熒光進行主成分分析(PCA)及水質參數間相關度水平檢測。

2 結果與分析

2.1 紫外吸光度值分析

表1 水體有機質吸收光譜參數

由表1可知，A226～250和A260～400在缺氧段相對較高即不可取代的芳香碳環結構較少，當進入好氧段后，吸收峰面積較低，表明通過微生物的代謝作用,SMP苯環結構中羥基、羧基、羰基等相對較多，復雜取代基被取代為一些較為簡單的取代基(如—OH，—NH2)，改善了SMP的可生化性。E250/365和E253/203值變化可得出，缺氧段分子量沿程增加并整體高于好氧段，脂肪鏈比例增加，C=O，—OH，—COOH及酯類的芳香環腐殖質類比例沿程下降。SMP中有機質結構缺氧段好氧段差異較大，缺氧段中芳香環取代基為脂肪鏈的胡敏酸物質、類蛋白物質較多，而好氧段芳香環上脂肪鏈取代基逐漸減少，逐漸以小分子類富里酸物質為主。

除了利用紫外光譜的吸光度比值和其吸收峰面積外，通過光譜自然對數的一階導數值更能精確地辨別腐殖質的成分構造——富里酸與胡敏酸量的相對大小和SMP中有機物的芳香化程度[16]。S275～295及S350～400分別表示在275～295 nm和350～400 nm的光譜斜率。結果表明，A/O工藝中富里酸與胡敏酸的相對大小較為穩定，芳香碳環相對含量逐漸增加，這可能是由不同工藝階段溶解氧差異造成的。

2.2 SMP熒光特征與討論

通過紫外可見光譜對A/O工藝沿程SMP的分析，可初步了解微生物代謝產物有機質的變化規律。為了更深層次定性定量確定各階段池體SMP的成分及演替規律，本研究利用三維熒光光譜結合區域面積積分(FRI)對SMP有機質組成的光譜指紋進行分析。圖2為S1—S6采樣點稀釋5倍后SMP三維熒光光譜圖。

圖2 SMP的三維熒光光譜圖Fig.2 EEM fluorescence spectra of the samples from SMP

由圖2可見，熒光主要分布在5個區域，SMP的三維熒光光譜圖主要有4個熒光峰，A，B，C，D，分別位于(Ex/Em)225/335 nm，285/415 nm，345/415 nm和280/335 nm。A峰位于熒光區域Ⅱ，為類色氨酸熒光；B峰、C峰均位于熒光區域Ⅴ，B峰為類紫外光區富里酸熒光峰，C峰為類可見光區富里酸熒光峰；D峰位于熒光區域Ⅳ，屬于類色氨酸蛋白熒光峰。類酪氨酸及類色氨酸熒光可能來源于廠區生活污水、淀粉和維生素生產過程中的中間產物等。觀察A/O工藝沿程SMP熒光峰變化情況可知，缺氧段類蛋白熒光強度明顯下降，A峰類蛋白物質被大量去除，D峰仍然存在且熒光強度在S2由3.652×103au·nm2增長到9.179×103au·nm2，類酪氨酸熒光強度上升明顯，表明類蛋白物質經過S1階段后大量轉化為類酪氨酸物質。好氧段D峰熒光強度明顯減弱，在S3階段降為3.071×103au·nm2，經好氧段代謝分解,類酪氨酸物質被大量消耗,同時在發射波長方向紅移，波峰位置變為280/355 nm，發生紅移表明含烷氧基的羰基、羥基、氨基、羧基等官能團出現，可得出缺氧段色氨酸蛋白可能發生斷鏈、芳香環水解的情況，使得取代基大量出現，在好氧段S3—S6段，熒光圖譜類似，B峰、C峰熒光強度無明顯變化，SMP合成及代謝過程差異較小。

利用三維熒光光譜總熒光強度(TOT)和各熒光團分區強度進行的區域積分對水體中有機質的組成進行定量分析見表2和表3[17-18]，SMP中有機質含量最高為S2階段，最低為S1，有機質含量維持在30.249×106～73.432×106au·nm2之間。缺氧段S1和S2主要熒光物質為類酪氨酸及類色氨酸，來源于淀粉工業廢水及廠區生活污水，SMP中Ⅰ區的類酪氨酸，Ⅱ區的類色氨酸物質經過微生物代謝吸收釋放出類蛋白物質和類腐殖質物質，由最初的3.279×106，4.413×106au·nm2分別降至S2階段的0.452×106，1.123×106au·nm2，并且類酪氨酸代謝效率明顯較高。而Ⅳ區所代表的類酪氨酸、類氨酸蛋白仍然存在，這說明在缺氧段小分子氨基酸進入細胞內部，優先被代謝分解，且代謝產物為類富里酸和類胡敏酸物質[19]，熒光強度由9.539×106au·nm2增長到45.584×106au·nm2，說明分子結構可能發生重排，使得具有剛性和共平面結構增加，分子間作用力降低，熒光強度增加。當進入好氧段后，各區熒光物質均有不同程度降解，其中，Ⅵ區類酪氨酸、色氨酸蛋白降解迅速，由缺氧段的20.654×106au·nm2降低到10.028×106au·nm2，Ⅲ區所代表的類富里酸經過S2微生物代謝分解增加后，沿程趨于穩定，所占總有機質含量平均維持在8.39%左右。較難分解的類胡敏酸物質經由S3代謝后，含量仍能達到42.682×106au·nm2并且波動較小，證明其有機質結構復雜，在該種A/O工藝狀況下難以被微生物降解代謝[20]。總體來看，SMP在S2階段受外界刺激大量產生,以刺激微生物活性，提高其適應能力，而在S4，S5，S6階段較為穩定，營養物質逐漸成為微生物增殖的限制因素，細菌增殖速度、代謝速度均減慢，推測微生物進入休眠狀態。

表2 SMP樣品三維熒光光譜區域積分

表3 SMP樣品三維熒光光譜有機質體積分數

圖3 SMP聚類分析結果Fig.3 Cluster analysis result of SMP

利用離差平方和法對所得三維熒光光譜區域積分進行聚類分析，結果見圖3。

圖4 SMP同步熒光主成分分析Fig.4 Principal component analysis of the synchronous-scan excitation spectra of SMP

如圖3所示，S5和S6歸為一類，并且與S3，S4差距相對較小，即好氧段各池體有機質含量情況差異相對較小，微生物代謝情況及A/O工藝處理效率類似，微生物合成SMP效率相近。而S1和S2與好氧段中S5和S6差異較大，尤其是S1和S2盡管同為缺氧池體，但彼此之間相似性較低，其原因推測是S1段類酪氨酸，類色氨酸等有機質大量降解，進入缺氧池即被高效代謝，其隨污水流到S2時，幾乎消耗殆盡，富里酸及胡敏酸成為優勢有機質，占到了總有機質組分的69.73%。從三維熒光光譜熒光峰的轉移也可證明，S4，S5，S6熒光峰均在Ex/Em=345/415 nm和Ex/Em=285/415 nm附近。

2.3 SMP組成特征

為了進一步研究SMP組成特征，通過主成分分析法(PCA)解析所得的同步熒光(synchronous fluorescence)數據[21]。利用PC因子得分與波長作圖的方法，可區別不同主成分中主要光譜波段。對6份樣品SMP進行PCA分析，提取出1個主成分，其特征值占總方差的88.55%，能夠充分反映數據的主體信息。

圖4為主成分得分和激發波長圖，在激發波長為286 nm和266 nm處出現2個主要特征峰，在350 nm及402 nm處出現微小的峰和肩峰。由CHEN等[12]和JIN等[22]研究可知，286 nm處主要為類酪氨酸，而366 nm處為類胡敏酸，350 nm處主要為類腐殖質成分，402 nm處為類富里酸。由該主成分得分圖及相應特征峰可知，在該污水站中SMP主要成分為類蛋白物質(類酪氨酸)并共存一定量的類腐殖質(類富里酸和類胡敏酸)。

2.4 熒光特征與水質相關性

表3 各熒光區域積分與水質相關性

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關；**表示在0.01水平(雙側)上極顯著相關。

3 結 論

1)通過紫外吸收光譜與三維熒光光譜聯合分析發現，A/O工藝微生物代謝產物中，缺氧段有機質總體含量較高，達到73.432×106au·nm2，腐殖質含量沿程增加，復雜取代基部分逐漸被簡單取代基取代(如—OH，—NH2)，穩定性隨之減弱。進水SMP中有機質熒光峰主要為類蛋白物質，沿程類蛋白熒光強度逐漸降低，在好氧段，類蛋白物質逐漸轉變為較難降解的類腐殖質。

3)該污水處理工藝可將S4，S5，S6段改為MBR工藝，采用超濾出水，有助于提高對大分子有機物的去除效果。

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Characteristic analysis of the soluble microbial products(SMP) in the industrial wastewater treatment process

LUO Xiao1,2, ZHENG Xiangyang3, ZHAO Congcong3, ZHONG Weizhang1,2

(1. School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China;3.School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

water pollution control engineering；anoxic/oxic(A/O) process；soluble microbial product； ultraviolet-visible (UV-vis)；fluorescence excitation-emission matrix spectra (EEM)；correlation analysis

X703

A

2017-05-06；

2017-06-15；責任編輯：王海云

羅 曉(1973—)，男，廣東崖縣人，副教授，博士，主要從事水污染控制技術方面的研究。

鐘為章博士。E-mail：zhongweizhang@aliyun.com

羅 曉，鄭向陽，趙叢叢，等.工業廢水生化處理過程中SMP特性研究[J].河北科技大學學報,2017,38(5):499-506.

LUO Xiao, ZHENG Xiangyang, ZHAO Congcong,et al.Characteristic analysis of the soluble microbial products(SMP) in the industrial wastewater treatment process[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(5):499-506.