工业废水生化处理过程中SMP特性研究

罗 晓，郑向阳，赵丛丛，钟为章

(1.河北科技大学环境科学与工程学院, 河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018；3.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

1008-1542(2017)05-0499-08

10.7535/hbkd.2017yx05014

工业废水生化处理过程中SMP特性研究

罗 晓1,2，郑向阳3，赵丛丛3，钟为章1,2

(1.河北科技大学环境科学与工程学院, 河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018；3.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

水污染防治工程；缺氧/好氧工艺；溶解性微生物产物；紫外吸收光谱；三维荧光光谱；相关性分析

中国工业废水处理大多采用生化处理工艺，依靠微生物的代谢机制降解水中有机物。微生物降解过程中产生的溶解性代谢产物(SMP)关系到最终出水能否实现COD达标排放。SMP作为生化处理过程中COD和TOC的主要成分[1-3]，来源于微生物基质分解过程(UAP)和内源呼吸过程(BAP)[4]。SMP的主要成分为多糖、腐殖质、蛋白质等，多数成分具有较强的荧光反应，其荧光光谱因成分含量差异而呈现不同光谱指纹。同时，SMP具有一定的生物毒性，可抑制微生物生长，易导致出水水质恶化[5]。因此在污水生化处理过程中控制SMP的含量尤为重要。目前，对于工业废水生化处理过程的理化检验仅限于COD，BOD，TN和TP等污染指标，对于水中各类有机质总量能够较好的表达[6]，但对于SMP的组分构成、相对含量和迁移规律等关注较少。

三维荧光技术(excitation-emission matrix, EEM)因其不改变样品结构，还能直观反映溶解性有机物的荧光特性，同时具有方法便捷、灵敏等诸多优点，近年来广泛应用于水质监测、废水生物处理性能评估、污水厂处理出水溶解性有机物(DOM)研究等方面[7-8]。其与数学定量分析方法结合后，完成水样荧光物质定性定量的同时，也能较为全面地反映溶解性有机物的组成及光谱信息[9]。

1 材料与方法

1.1 样品采集

图1 采样点位置示意图Fig.1 Sampling points of an industry water treatment plant

1.2 水质测定及SMP的提取

1.3 光谱学分析

紫外光谱分析采用GENESYS 10S型紫外分光光度计(美国Thermo Fisher公司提供)测定。紫外波长扫描范围为190～700 nm，扫描间距为1 nm。测定所提取的SMP在203，250 ，253 ，355和365 nm处的吸光度，计算样品在355 nm下的吸光系数a(355)[11]。计算公式见式(1)：

(1)

式中：a(355)是355 nm处的吸收系数，m-1;A(355)为355 nm下的吸光度；l为光程路径，0.01 m。

A226～250，A260～400表示在2个吸收带处的吸收峰面积；E250/365，E253/203表示吸收系数比值；计算275～295 nm和350～400 nm处吸光度自然对数拟合的直线斜率，记为S275～295和S350～400。

荧光光谱采用F-7000型荧光光度计(日本 Hitachi公司提供)测定，激发光源为150 W氙弧灯，荧光同步扫描光谱激发波长Ex=300～600 nm，Δλ=30 nm。激发波长Ex=200～450 nm，发射波长Em=280～520 nm，激发和发射夹缝宽度均为5 nm，扫描速度设定为12 000 nm/min，在此条件下，以MiLi-Q超纯水扫描所得光谱为空白，扣除空白以去除拉曼散射的影响，同时将瑞利散射上方光谱数据置零，消除瑞利散射影响。

依据CHEN等[12]提出的方法，可通过区域面积积分解析荧光光谱图，将三维荧光光谱区域划分为5个区，计算得到各区荧光团强度及总荧光强度(TOT)积分值。荧光I区范围：Ex/Em=200～250 nm/280～325 nm；Ⅱ区范围：Ex/Em=200～250 nm/325～375 nm；Ⅲ区范围：Ex/Em=200～250 nm/375～520 nm；Ⅳ区范围：Ex/Em=>250/280～375 nm；Ⅴ区范围：Ex/Em=>250/375～520 nm。与类蛋白相关物质荧光区域为I区、Ⅱ区和Ⅳ区，其类蛋白物质主要包括类酪氨酸、类色氨酸、溶解性微生物副产物，副产物中主要包括类酪氨酸、色氨酸蛋白，Ⅲ区和Ⅴ区荧光物质与类腐殖质相关。

采用多元统计软件SPSS 17.0对各样品同步荧光进行主成分分析(PCA)及水质参数间相关度水平检测。

2 结果与分析

2.1 紫外吸光度值分析

表1 水体有机质吸收光谱参数

由表1可知，A226～250和A260～400在缺氧段相对较高即不可取代的芳香碳环结构较少，当进入好氧段后，吸收峰面积较低，表明通过微生物的代谢作用,SMP苯环结构中羟基、羧基、羰基等相对较多，复杂取代基被取代为一些较为简单的取代基(如—OH，—NH2)，改善了SMP的可生化性。E250/365和E253/203值变化可得出，缺氧段分子量沿程增加并整体高于好氧段，脂肪链比例增加，C=O，—OH，—COOH及酯类的芳香环腐殖质类比例沿程下降。SMP中有机质结构缺氧段好氧段差异较大，缺氧段中芳香环取代基为脂肪链的胡敏酸物质、类蛋白物质较多，而好氧段芳香环上脂肪链取代基逐渐减少，逐渐以小分子类富里酸物质为主。

除了利用紫外光谱的吸光度比值和其吸收峰面积外，通过光谱自然对数的一阶导数值更能精确地辨别腐殖质的成分构造——富里酸与胡敏酸量的相对大小和SMP中有机物的芳香化程度[16]。S275～295及S350～400分别表示在275～295 nm和350～400 nm的光谱斜率。结果表明，A/O工艺中富里酸与胡敏酸的相对大小较为稳定，芳香碳环相对含量逐渐增加，这可能是由不同工艺阶段溶解氧差异造成的。

2.2 SMP荧光特征与讨论

通过紫外可见光谱对A/O工艺沿程SMP的分析，可初步了解微生物代谢产物有机质的变化规律。为了更深层次定性定量确定各阶段池体SMP的成分及演替规律，本研究利用三维荧光光谱结合区域面积积分(FRI)对SMP有机质组成的光谱指纹进行分析。图2为S1—S6采样点稀释5倍后SMP三维荧光光谱图。

图2 SMP的三维荧光光谱图Fig.2 EEM fluorescence spectra of the samples from SMP

由图2可见，荧光主要分布在5个区域，SMP的三维荧光光谱图主要有4个荧光峰，A，B，C，D，分别位于(Ex/Em)225/335 nm，285/415 nm，345/415 nm和280/335 nm。A峰位于荧光区域Ⅱ，为类色氨酸荧光；B峰、C峰均位于荧光区域Ⅴ，B峰为类紫外光区富里酸荧光峰，C峰为类可见光区富里酸荧光峰；D峰位于荧光区域Ⅳ，属于类色氨酸蛋白荧光峰。类酪氨酸及类色氨酸荧光可能来源于厂区生活污水、淀粉和维生素生产过程中的中间产物等。观察A/O工艺沿程SMP荧光峰变化情况可知，缺氧段类蛋白荧光强度明显下降，A峰类蛋白物质被大量去除，D峰仍然存在且荧光强度在S2由3.652×103au·nm2增长到9.179×103au·nm2，类酪氨酸荧光强度上升明显，表明类蛋白物质经过S1阶段后大量转化为类酪氨酸物质。好氧段D峰荧光强度明显减弱，在S3阶段降为3.071×103au·nm2，经好氧段代谢分解,类酪氨酸物质被大量消耗,同时在发射波长方向红移，波峰位置变为280/355 nm，发生红移表明含烷氧基的羰基、羟基、氨基、羧基等官能团出现，可得出缺氧段色氨酸蛋白可能发生断链、芳香环水解的情况，使得取代基大量出现，在好氧段S3—S6段，荧光图谱类似，B峰、C峰荧光强度无明显变化，SMP合成及代谢过程差异较小。

利用三维荧光光谱总荧光强度(TOT)和各荧光团分区强度进行的区域积分对水体中有机质的组成进行定量分析见表2和表3[17-18]，SMP中有机质含量最高为S2阶段，最低为S1，有机质含量维持在30.249×106～73.432×106au·nm2之间。缺氧段S1和S2主要荧光物质为类酪氨酸及类色氨酸，来源于淀粉工业废水及厂区生活污水，SMP中Ⅰ区的类酪氨酸，Ⅱ区的类色氨酸物质经过微生物代谢吸收释放出类蛋白物质和类腐殖质物质，由最初的3.279×106，4.413×106au·nm2分别降至S2阶段的0.452×106，1.123×106au·nm2，并且类酪氨酸代谢效率明显较高。而Ⅳ区所代表的类酪氨酸、类氨酸蛋白仍然存在，这说明在缺氧段小分子氨基酸进入细胞内部，优先被代谢分解，且代谢产物为类富里酸和类胡敏酸物质[19]，荧光强度由9.539×106au·nm2增长到45.584×106au·nm2，说明分子结构可能发生重排，使得具有刚性和共平面结构增加，分子间作用力降低，荧光强度增加。当进入好氧段后，各区荧光物质均有不同程度降解，其中，Ⅵ区类酪氨酸、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区所代表的类富里酸经过S2微生物代谢分解增加后，沿程趋于稳定，所占总有机质含量平均维持在8.39%左右。较难分解的类胡敏酸物质经由S3代谢后，含量仍能达到42.682×106au·nm2并且波动较小，证明其有机质结构复杂，在该种A/O工艺状况下难以被微生物降解代谢[20]。总体来看，SMP在S2阶段受外界刺激大量产生,以刺激微生物活性，提高其适应能力，而在S4，S5，S6阶段较为稳定，营养物质逐渐成为微生物增殖的限制因素，细菌增殖速度、代谢速度均减慢，推测微生物进入休眠状态。

表2 SMP样品三维荧光光谱区域积分

表3 SMP样品三维荧光光谱有机质体积分数

图3 SMP聚类分析结果Fig.3 Cluster analysis result of SMP

利用离差平方和法对所得三维荧光光谱区域积分进行聚类分析，结果见图3。

图4 SMP同步荧光主成分分析Fig.4 Principal component analysis of the synchronous-scan excitation spectra of SMP

如图3所示，S5和S6归为一类，并且与S3，S4差距相对较小，即好氧段各池体有机质含量情况差异相对较小，微生物代谢情况及A/O工艺处理效率类似，微生物合成SMP效率相近。而S1和S2与好氧段中S5和S6差异较大，尤其是S1和S2尽管同为缺氧池体，但彼此之间相似性较低，其原因推测是S1段类酪氨酸，类色氨酸等有机质大量降解，进入缺氧池即被高效代谢，其随污水流到S2时，几乎消耗殆尽，富里酸及胡敏酸成为优势有机质，占到了总有机质组分的69.73%。从三维荧光光谱荧光峰的转移也可证明，S4，S5，S6荧光峰均在Ex/Em=345/415 nm和Ex/Em=285/415 nm附近。

2.3 SMP组成特征

为了进一步研究SMP组成特征，通过主成分分析法(PCA)解析所得的同步荧光(synchronous fluorescence)数据[21]。利用PC因子得分与波长作图的方法，可区别不同主成分中主要光谱波段。对6份样品SMP进行PCA分析，提取出1个主成分，其特征值占总方差的88.55%，能够充分反映数据的主体信息。

图4为主成分得分和激发波长图，在激发波长为286 nm和266 nm处出现2个主要特征峰，在350 nm及402 nm处出现微小的峰和肩峰。由CHEN等[12]和JIN等[22]研究可知，286 nm处主要为类酪氨酸，而366 nm处为类胡敏酸，350 nm处主要为类腐殖质成分，402 nm处为类富里酸。由该主成分得分图及相应特征峰可知，在该污水站中SMP主要成分为类蛋白物质(类酪氨酸)并共存一定量的类腐殖质(类富里酸和类胡敏酸)。

2.4 荧光特征与水质相关性

表3 各荧光区域积分与水质相关性

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上极显著相关。

3 结 论

1)通过紫外吸收光谱与三维荧光光谱联合分析发现，A/O工艺微生物代谢产物中，缺氧段有机质总体含量较高，达到73.432×106au·nm2，腐殖质含量沿程增加，复杂取代基部分逐渐被简单取代基取代(如—OH，—NH2)，稳定性随之减弱。进水SMP中有机质荧光峰主要为类蛋白物质，沿程类蛋白荧光强度逐渐降低，在好氧段，类蛋白物质逐渐转变为较难降解的类腐殖质。

3)该污水处理工艺可将S4，S5，S6段改为MBR工艺，采用超滤出水，有助于提高对大分子有机物的去除效果。

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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；责任编辑：王海云

罗 晓(1973—)，男，广东崖县人，副教授，博士，主要从事水污染控制技术方面的研究。

钟为章博士。E-mail：zhongweizhang@aliyun.com

罗 晓，郑向阳，赵丛丛，等.工业废水生化处理过程中SMP特性研究[J].河北科技大学学报,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.