活性污泥法是应用最为广泛的一种污水生物处理技术, 剩余污泥是该技术的重要副产物, 剩余污泥的处理处置是污水处理厂目前面临的重要问题^{[1, 2]}.厌氧消化是处理污泥的常用方法, 然而传统厌氧消化存在停留时间长、处理效率低、有机物残留多等不足^{[3, 4]}.预处理常用来强化污泥厌氧消化, 热、热碱处理是其中常用的方法^[5~9].预处理不仅能促进胞外聚合物(EPS)的大分子物质水解, 而且可以破坏污泥微生物的细胞壁, 使得污泥微生物的胞内物质释放, 并进一步将这些物质从大分子转化为小分子, 从而增加污泥的溶解性有机物含量, 提高其水解速率, 改善其厌氧消化性能^[10].尽管目前对污泥预处理已进行了大量研究, 然而对预处理溶胞释放的溶解性有机物(DOM)的相对分子质量分布和结构及不同预处理的影响仍不十分清楚, 缺乏微观角度的解析.

因此, 本文通过对热、热碱处理前后污泥DOM的组成、相对分子质量分布、主要成分——蛋白质和有机基团的变化, 来解析这两种预处理对污泥DOM的影响, 以期了解预处理对污泥有机物的微观作用机制.

试验用污泥取自北京市某污水处理厂的二沉池, 该污水处理厂采用A²/O工艺.自污水处理厂取得污泥后, 先沉淀浓缩, 然后过40目筛去除污泥中的大颗粒物, 4℃冰箱保存备用.浓缩过筛的污泥性质如表 1所示.

表 1 (Table 1)

表 1 剩余污泥性质 Table 1 Excess sludge properties pH TCOD/mg·L-1 SCOD/mg·L-1 TSS/g·L-1 VSS/g·L-1 6.82±0.05 15 105±500 181±20 16.97±0.15 11.59±0.15

表 1 剩余污泥性质 Table 1 Excess sludge properties

取浓缩、过筛污泥分别加入到3组反应瓶中, 其中两组污泥分别进行热处理和热碱处理, 另一组不处理, 为对照污泥.具体预处理方法如下.

(1) 热处理  温度为135℃, 处理时间为60 min(热处理污泥).

(2) 热碱处理  pH 12(用6 mol·L^-1 NaOH调节), 温度135℃, 处理时间为60 min(热碱处理污泥).

每种预处理设3个平行.预处理后, 当污泥温度降到室温后取样进行相关分析.

pH采用pH计(BANTE 900, 上海般特)测定, TSS和VSS采用重量法测定^[11], 总化学需氧量(TCOD)及溶解性化学需氧量(SCOD)采用重铬酸钾法测定^[12].蛋白质采用福林酚试剂法测定^[13], 多糖采用蒽酮-硫酸法测定^[14].对于溶解性有机物, 先将样品用0.45微孔滤膜过滤之后测定. DOM的相对分子质量分布采用C10凝胶液相色谱仪(日本岛津)测定.溶解性蛋白的相对分子质量采用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)法分析^[15].污泥DOM的三维荧光光谱(3D-EEM)采用F-2700型荧光光度计(日本日立)分析.激发波长E_x为220~450 nm, 发射扫描波长E_m为250~550 nm, 激发和发射狭缝宽度为5 nm, 激发波长扫描间隔为5 nm, 发射波长扫描间隔为1 nm, 扫描速度为1 500 nm·min^-1.荧光光谱区域积分法(FRI)将激发、发射波长所形成的3D-EEM区域分成了5个部分(表 2), 采用FRI荧光区域积分计算3D-EEM中每个区域体积百分比以及响应值^[16~18].污泥DOM的功能基团采用傅立叶红外光谱仪(TENSER27, 德国)分析.分析过程中每个样品均设3个平行, 试验结果为3个分析结果的平均值.

表 2 (Table 2)

表 2 三维荧光光谱的5个荧光区域 Table 2 Three-dimensional fluorescence spectra of five fluorescence regions 区域 物质 Ex/Em波长/nm Ⅰ 酪氨酸类蛋白 220~250/280~330 Ⅱ 色氨酸类蛋白 220~250/330~380 Ⅲ 富里酸类物质 220~250/380~500 Ⅳ 微生物副产物 250~280/280~380 Ⅴ 胡敏酸类物质 250~400/380~500

表 2 三维荧光光谱的5个荧光区域 Table 2 Three-dimensional fluorescence spectra of five fluorescence regions

预处理会使一部分污泥有机物从不溶态转化为溶解态, 从而增加污泥DOM含量, 图 1总结了两种预处理对污泥有机物溶出的影响.从中可以看出, 污泥经热处理和热碱处理后, 污泥的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性多糖均明显增加.经热、热碱处理后, 污泥SCOD、溶解性蛋白质、溶解性多糖比对照分别提高了21.9、46.7、36.4和50.7、92.8、47.8倍.热碱处理溶出的污泥有机物更多, 说明热碱处理对污泥有机物的溶解作用大于热处理.热碱处理作用更强的原因是污泥在热和碱双重作用下, 污泥絮体和细胞结构更易受到损伤破坏, 相比热处理, 在强碱的化学、电离(—OH—O—)双重作用下污泥微生物细胞更易发生膨胀、溶解并最终释放出更多的胞内成分及EPS^[19].

图 1

Fig. 1

图 1 预处理对污泥DOM的影响 Fig. 1 Effect of pretreatment on dissolved organic matter in sludge

热、热碱处理可使污泥溶出大量的有机物, 图 2总结了两种预处理前后污泥DOM的相对分子质量分布情况.从中可以看出, 污泥经热、热碱处理无论是大分子(>10)还是小分子(< 10)有机物均大量增加.对照污泥含量最多的有机物的相对分子质量(峰1)经热、热碱处理发生不同程度地向左偏移(峰2和峰3), 偏移强度热碱处理>热处理, 这说明随着预处理强度的增加含量最多的有机物的相对分子质量值随之减小. 表 3是预处理前后污泥中不同相对分子质量DOM的百分比.从中可以看出, 热处理污泥溶解性有机物在相对分子质量0~100最少(39%), 而热碱处理污泥最多(56%), 比对照污泥高12%.以上结果表明, 热、热碱处理使污泥溶胞产生大量不同相对分子质量的DOM, 且改变了DOM在各相对分子质量区间的比例.

图 2

Fig. 2

图 2 预处理前后DOM相对分子质量分布 Fig. 2 Relative molecular weight distribution of DOM before and after pretreatment

表 3 (Table 3)

表 3 预处理前后DOM各相对分子质量分布/% Table 3 Proportion of molecular weight distribution of dissolved organic matter before and after pretreatment/% 样品 相对分子质量 0~10 10~100 100~300 对照污泥 9 36 55 热处理污泥 6 33 61 热碱处理污泥 9 47 44

表 3 预处理前后DOM各相对分子质量分布/% Table 3 Proportion of molecular weight distribution of dissolved organic matter before and after pretreatment/%

图 1表明蛋白质是剩余污泥有机物质中的主要组分^{[20, 21]}, 且是后续厌氧消化产甲烷主要的贡献物质和影响产甲烷菌活性的重要物质^{[22, 23]}, 因此有必要了解溶解性蛋白质在预处理前后的相对分子质量分布(图 3).从图 3可以看出, 对照污泥的溶解性蛋白质主要以45×10³、35×10³、10×10³和少量的140×10³、100×10³、80×10³存在.经热处理后, 污泥的溶解性蛋白质在60×10³~140×10³和25×10³~35×10³增加了几条条带, 而颜色较深的45×10³条带颜色加深且变宽, 35×10³和15×10³~25×10³处的条带变淡或消失, 说明热处理溶出了新的蛋白质, 且对部分原有蛋白质(如 < 35×10³)有水解作用.热碱处理使蛋白质条带完全消失形成涂带, 且在相对低分子质量颜色较深, 这说明热碱处理使污泥的大分子蛋白质水解成小分子蛋白质, 且在本试验热碱处理条件下对蛋白质水解有明显效果^[24].

图 3

Fig. 3

图 3 预处理前后SDS-PAGE图 Fig. 3 SDS-PAGE before and after pretreatments

如前所述污泥中DOM主要为蛋白质, 而三维荧光光谱由于其快速性、选择性和敏感性等优点被广泛用于研究蛋白类物质和腐殖类物质等荧光物质^[25], 因此采用三维荧光光谱分析热、热碱处理对污泥DOM组成的影响, 结果如图 4所示.从中可以看出, 对照污泥DOM的三维荧光光谱图存在4个峰：微生物副产物类物质(E_x=275 nm, E_m=300 nm)(A峰)和(E_x=275 nm, E_m=325 nm)(B峰)、色氨酸类物质(E_x=225 nm, E_m=330 nm)(C峰)和胡敏酸类物质(E_x=325 nm, E_m=400 nm)(D峰), 其中胡敏酸类物质(D峰)较其他3个峰不明显.这说明对照污泥的DOM构成是以色氨酸类物质、微生物副产物为主, 而胡敏酸类物质较少.热、热碱预处理后, 污泥DOM的三维荧光光谱特征发生明显变化, 微生物副产物(A峰)发生猝灭现象, 而微生物副产物(B峰)发生右偏移, 且微生物副产物(B峰)、色氨酸类物质(C峰)和胡敏酸类物质(D峰)显著增强.导致污泥溶解性有机物荧光光谱特征发生变化的原因可能是因为微生物副产物类物质(峰A)与微生物副产物类物质(峰B)之间发生了电子转移^{[26, 27]}, 同时经两种预处理使污泥大量释放出微生物副产物类物质、色氨酸类物质和胡敏酸类物质.

图 4

Fig. 4

图 4 预处理前后三维荧光光谱图 Fig. 4 3D-EEMs fluorescence spectra before and after pretreatment

计算3种污泥DOM的三维荧光光谱中5个区域体积百分比和响应值, 可以得到特定荧光区域积分标准体积(ϕ_{i, n})^[16~18](表 4), 以反映这一区域的特定有机物的相对含量.从表 4中可以看出, 热、热碱处理污泥DOM的总荧光区域积分标准体积值远远高于对照污泥, 说明污泥经热、热碱预处理后DOM含量显著增加, 且热碱处理增加更多, 这个结果与图 1中的结果一致.而从各个荧光区域积分的标准体积上看, 热、热碱处理污泥DOM中微生物副产物类物质(区域Ⅳ)和胡敏酸类物质(区域Ⅴ)比例最高, 且随着预处理强度的增强而增加.而热、热碱处理后, 酪氨酸类物质(区域Ⅰ)和富里酸类物质(区域Ⅲ)比例降低, 且热碱处理污泥的酪氨酸类物质(区域Ⅰ)和富里酸类物质(区域Ⅲ)比例最低.以上结果表明, 经热、热碱处理污泥DOM中5种物质的含量显著增高, 而热、热碱处理难以水解某些微生物副产物类物质和胡敏酸类物质; 热碱处理还会导致酪氨酸类物质和富里酸类物质大量溶出且一部分可能被水解^[28].

表 4 (Table 4)

表 4 预处理前后不同区域荧光区域积分标准体积及总体积/au·nm2 Table 4 Standard volume and the total volume of the fluorescence region in different regions before and after the pretreatment/au·nm2 项目 区域Ⅰ 区域Ⅱ 区域Ⅲ 区域Ⅳ 区域Ⅴ ϕT, n 对照组 6 583.9 9 433.1 13 604.1 22 153.9 17 940.1 69 715.1 热处理 34 754.3 62 163.1 53 895.9 148 746.2 192 415.2 491 974.6 热碱处理 23 024.35 70 032.3 42 472.33 184 892.1 219 399.2 539 820.3

表 4 预处理前后不同区域荧光区域积分标准体积及总体积/au·nm2 Table 4 Standard volume and the total volume of the fluorescence region in different regions before and after the pretreatment/au·nm2

采用傅里叶红外光谱分析热、热碱处理前后污泥DOM功能基团的变化, 结果如图 5所示.从中可以看出, 污泥DOM的主要特征吸收峰包括3 420 cm^-1(O—H或N—H伸缩振动)、1 640 cm^-1(C═O伸缩振动)、1 427 cm^-1(C═O伸缩或O—H变形振动)、1 070 cm^-1(C—O—C伸缩振动)和862 cm^-1(指纹区域)^{[29, 30]}.热、热碱处理导致1 640 cm^-1、1 420 cm^-1处的吸收峰向左或向右偏移, 这可能是因为产生了诱导效应或共轭效应, 使吸收峰波数发生变化.经过2种预处理后, 在2 920 cm^-1(C—H伸缩振动)、1 575 cm^-1(N—N)、1 244 cm^-1(脂肪醚)处有新峰出现, 而在862 cm^-1处指纹区域峰消失.以上结果说明, 经热、热碱处理后污泥DOM中不仅会出现新的有机基团, 还会使原有的有机基团发生变化, 甚至消失.

图 5

Fig. 5

图 5 预处理前后傅里叶红外光谱图 Fig. 5 Fourier transform infrared spectroscopy before and after pretreatment

热、热碱处理均会使部分污泥有机物从不溶解态转化为溶解态, 释放出不同相对分子质量的DOM, 并改变其各区间相对分子质量分布比例.蛋白质作为污泥DOM的重要组分, 经热、热碱处理后相对分子质量均发生改变, 其中相对分子质量 < 35×10³蛋白质在热处理条件下容易发生水解, 而热碱处理对不同相对分子质量的蛋白质均有较好的水解作用.热、热碱处理不仅使某些微生物副产物猝灭, 还会使另一些微生物副产物发生偏移和增加.溶出的DOM中某些微生物副产物类物质和胡敏酸类物质难以被两种预处理水解, 热碱处理还会导致酪氨酸类物质和富里酸类物质大量溶出且一部分可能被水解.热、热碱处理使污泥溶解出含新有机基团的有机物, 并使某些有机物变化, 甚至消失.