1 引言
三維熒光光譜分析手段由于具有快速、靈敏度高、選擇性高、所需樣品量少和對樣品結構無破壞等特點，近些年來得到了較快的發展，且已經應用于食品檢測、環境監測、生物工程等多個專業領域.污水生物處理方法作為現代污水處理工藝的核心，在100多年的發展過程中對它的積極探索一直沒有停歇，而熒光光譜分析技術早已被應用于污水處理過程中，相關研究主要集中在污水處理過程中的溶解性有機污染物(DOM)、溶解性微生物代謝產物(SMP)、腐殖酸(Humic acid)等物質的監測上.例如，Wang等利用三維熒光光譜法對浸沒式MBR反應器內的溶解性有機物進行分析，發現三維熒光光譜法能夠有效地監測膜污染物的來源及溶解性代謝物質(DOM)在膜反應器運行過程中的作用;Stedmon等利用熒光光譜分析水中的有機污染物，發現利用平行因子法分析SMP物質的熒光特性可以作為一種快速有效的對水環境進行監測的手段;陳小娜等利用三維熒光光譜-平行因子技術對湖泊浮游藻化學分類學進行了研究，結果表明，三維熒光光譜法能夠有效地監測藻類的代謝產物;甘淑釵等利用平行因子分析法對長江水體的SMP進行了分析;姚璐璐等則利用熒光區域積分法進行城市污水處理中有機物去除率的監測.這些研究表明，三維熒光光譜分析技術在微生物代謝產物、環境監測等方面有著較為明顯的優點和較為廣闊的應用前景.
活性污泥是以細菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起通過多種物理化學過程而相互凝聚在一起的微生物聚集體，在這個過程中胞外物質發揮著重大作用，而這些胞外物質基本都是在微生物代謝過程中分泌出來的，因此，可將活性污泥絮體的形成理解為一種生物過程.通常情況下研究活性污泥及對其性質的評價主要采用污泥形態、結構、密度、強度等物理性特征，且污水處理調控也是以這些指標作為參考，但這不能反映活性污泥所處生態環境對活性污泥微生物的綜合影響，作為污水處理過程的預警信號也不是特別穩定.微生物在代謝過程中會產生多種化合物，如蛋白質、輔酶、色素及腐殖酸等，在一定波長的光激發下會發出其熒光特征.它們的種類和濃度與微生物反應過程、反應器運行狀態有著密切的聯系，即這些代謝物質的數量與種類能夠反應出微生物所處的生態環境.由于所處環境的各種影響因子不同，導致代謝產物的種類和數量不同.因此，只要解明代謝產物與微生物生態環境之間的關系，就可以以代謝產物為指標來調控活性污泥工藝的運行，并且可以避免傳統的僅利用物理性指標而忽略微生物絮體形成這一生物過程的本質.因此，本文通過對不同沉降性能下的微生物代謝產物的熒光特性進行分析，通過多種手段解明微生物代謝產物與污泥沉降性能之間的關系，以期為從微生物代謝產物的角度調控活性污泥沉淀性能提供理論依據.
2 材料及方法
2.1 實驗材料
為了使得到的樣品具有廣泛性，本文所用的不同沉降性能的污泥分別取自西安市第三污水處理廠(氧化溝工藝)、第四污水處理廠(多級A2/O工藝)、鄧家村污水處理廠(A2/O)等實際污水處理廠，以及實驗室以人工配水作為基質的多個反應器，分別在污水廠工藝運行的各個階段及實驗室反應器的各個狀態下進行取樣分析.各反應器的情況詳見文獻.
2.2 實驗方法
本文利用國家環保局的標準方法對污泥的沉降性能指標(SVI)進行檢測.利用文獻所述的陽離子樹脂交換法對污泥的胞外聚合物(EPS)進行提取，該方法簡述如下：首先利用磷酸緩沖鹽溶液(PBS)對污泥進行清洗以去除污泥中的雜質，再加入一定量的PBS，利用超聲細胞破碎儀以5 W的功率將其破碎處理5 min，接著以10000 r · min-1的轉速對其進行離心處理，上清液利用0.45 μm 濾膜過濾，即為提取的疏松EPS.在離心后的污泥中加入一定量的PBS，同時添加預先處理好的91973型陽離子樹脂，以恒定的速率電磁攪拌以上污泥2 h，然后收集吸取液，對其進行離心取上清液后繼續離心3次，將最后的上清液利用0.45 μm 濾膜過濾，即為緊密結合的EPS.
三維熒光光譜是通過不斷改變激發波長來獲得一系列熒光發射光譜，由各個激發波長下的發射譜組合在一起就構成了1個三維的熒光光譜圖.三維熒光光譜法能同時獲得熒光強度隨激發波長和發射波長變化的關系，對于每一種熒光物質，都有其特有的三維熒光光譜信息.本文利用分光光度計(日本分光FP6500)對全文所述提取的EPS物質進行光譜掃描.實驗所用的激發波長(λEx)為220~400 nm，發射波長(λEm)為280~550 nm，激發光與發射光的寬度分別為5 nm、2 nm，掃描速度為2000 nm · min-1.利用文獻所述方法對光譜圖進行分區，具體分區方法為：I區為簡單芳香烴類，其激發波長和發射波長分別在220~250 nm和280~300 nm附近;Ⅱ區為芳香族蛋白質和酚類物質，其激發波長和發射波長分別在 280 nm和350 nm附近;Ⅲ區為溶解性微生物代謝產物，其激發波長和發射波長分別在270~290 nm和300~330 nm附近;Ⅳ區為富里酸區，其激發波長和發射波長分別在230~270 nm和380~460 nm附近;Ⅴ區為腐殖酸區，其激發波長和發射波長分別在300~360 nm和410~480 nm附近.一方面采用區域積分法對各分區的結果進行分析，另一方面在各區取有代表性的幾個激發和發射波段的峰值作為研究對象，具體選取見表 1.
表 1 各個區域代表性物質的激發及發射波長
3 實驗結果
3.1 各區熒光強度積分情況
在熒光分析中，由于有機物分子結構不同及所含官能團的差異，導致其對不同波長的熒光響應不同.而活性污泥的微生物種群比較復雜，存在多種營養結構的微生物，導致其代謝產物也是多種多樣，因而對于每一種代謝產物進行分析是不現實的.本文根據微生物代謝產物的不同，對其進行分區分析，考察代謝產物熒光特性區域積分與沉降性能的關系，分區方法如2.2節所述，分析結果如圖 1所示.從圖 1可以看出，不論是哪一個區域的熒光強度積分，其變化基本都是沒有規律的，代謝產物積分值較大的情況下既有可能是沉降性能好的條件，也會在沉降性能較差的情況下出現，而在相同條件下第4區總表現出較高的積分值.
圖 1 各區域積分值與沉降性能的關系
3.2 各物質熒光特性與沉降性能的關系
由于活性污泥微生物種類多樣，代謝方式復雜，對各種代謝產物一一進行分析難度較大，因此，本研究選取典型的代謝產物(表 1)，對2.2節所述的幾個代表性波長波段下的熒光特性與污泥沉降性能的關系進行了分析.緊密結合的胞外物質(TB-EPS)及疏松結合的胞外物質(LB-EPS)與沉降性能的關系分別如圖 2和圖 3所示.可以看出，不論是哪一種波長情況下的峰值，都存在隨著SVI的增長其代謝產物的熒光強度變弱的情況，即伴隨著沉降性能的惡化，污泥中絲狀菌的數量增多，其各類代謝產物濃度都會降低.在圖 2和3中均存在一條微生物代謝狀態曲線，在這條曲線以上的部分，微生物代謝產物的熒光強度比較大，且對應著較低的SVI值，即沉降性能良好.通常情況下，活性污泥中SVI值超過150 mL · g-1時即認為發生污泥膨脹，因而在本研究中將SVI=150 mL · g-1的曲線定義為活性污泥安全操作曲線，可以看出，熒光強度較大的區域全部分布在其左側.在曲線左側污泥的SVI均小于150 mL · g-1，沉降性能良好，在其右側污泥沉降性能較差，且在右側部分的污泥的沉降性能都是比較差的.
圖 2 LB-EPS各物質熒光強度與沉降性能的關系
圖 3 TB-EPS各物質熒光強度與沉降性能的關系
TB-EPS的情況與LB-EPS相似，在每個區域代表性物質的熒光強度與污泥沉降性能也顯示出如上所述的變化趨勢.不同的是，TB-EPS中分布在活性污泥安全操作曲線左側、微生物代謝特征曲線上方的數據的比例更大.而且與LB-EPS相比，各類物質在TB-EPS區域的微生物代謝狀態曲線的熒光強度不同.對于類蛋白類物質來說，TB-EPS的微生物代謝狀態曲線下的熒光強度為2000 AU，而LB-EPS中的相應數據約在5000 AU;對于溶解性有機物(SMP)，LB-EPS和TB-EPS的微生物代謝狀態曲線上的熒光強度均為3000 AU;而腐殖酸類物質的兩個數值分別是260、440 AU;富里酸則分別為260、400 AU.
4 討論
活性污泥是由多種微生物組成的一個較為復雜的微生物生態系統，各類微生物都有適合自身生理特征的代謝活動，從而會產生多種多樣的代謝產物，因此，對于各種代謝產物一一進行分析是不現實的.由于有機物均會在一定波長光的激發下產生特定的熒光特征，因而可以利用具有廣譜性的熒光光譜法獲得代謝產物中所有物質的熒光信息，從而將其轉換為含有更加全面和多樣信息的熒光光譜圖，并利用區域積分法對各個波長范圍內的物質信息進行分析，這是對熒光物質進行分析的有效手段.然而有研究發現，不同物質對于不同波長的吸收和發射情況不一樣，同時存在熒光強度峰值疊加或者相互干涉等現象，導致有些信息雖然在熒光譜圖上有表征，但難以區分.本文利用區域積分法對熒光光譜圖進行分析，發現結果與沉降性能之間的關系就不是很明顯，可能就是由上述原因造成的.因此，選取代表性波長下物質的熒光強度與沉降性能進行分析.
從3.2節的實驗結果可知，利用代表性波段在三維熒光光譜中的峰值可以表征污泥的沉降性能，且在一定的范圍內具有較好的相關性.就代謝產物與沉淀性能之間的相互關系而言，可分為4個區域，這些區域的分界為活性污泥安全運行曲線和微生物代謝狀態曲線.圖 3中的第1個區域為活性污泥微生物代謝狀態曲線以上、污泥安全運行曲線以右的區域，可以看到，這個區域內沒有數據點，也即污泥沉降性能非常差的時候其代謝產物不可能會很高;與此相鄰的第2個區域內，分布著熒光強度大于微生物代謝狀態曲線、SVI小于150 mL · g-1的所有的數據點，可以看到，所有熒光強度高于微生物代謝狀態曲線的點都分布在這個區域內，這說明在活性污泥沉降性能良好的情況下會產生大量的代謝產物，同時可以通過較高的代謝產物熒光強度值來推測污泥具有較好的沉降性能.熒光強度小于微生物代謝曲線的所有點都分布在圖 3的第3和第4區域，在這兩個區域內包含著所有可能的SVI，因此，無法通過較低的熒光強度來判斷活性污泥的沉降性能.以上情況充分說明，在活性污泥工藝的運行過程中，可以實時地檢測活性污泥代謝產物的熒光特性，若熒光特性大于微生物代謝狀態曲線時，整個反應器的污泥沉降性能是比較好的;但當熒光強度小于狀態曲線值時，就需要引起警惕，以免進入污泥膨脹期.
活性污泥系統中微生物種群復雜，數量眾多，代謝產物的種類、濃度隨著污泥狀態和污泥組成的不同而不同，因而可以看到，本文研究結果中各類物質之間的差別是比較大的;另外，由于各類物質與細胞膜的結合程度不同，在LB-EPS、TB-EPS上的分布都存在較大的差別.同時也觀察到，不同物質在同一沉降性能狀況下的污泥差別是比較明顯的，活性污泥微生物代謝過程中產生的脂肪類蛋白質、酚類物質及溶解性代謝產物(SMP)等雜環區的物質較之于腐殖酸來說多一點，同時由于分子結構、主要官能團的差異，導致在一定激發和發射波長情況下的差異比較大.另外可以發現，同一類物質在LB-EPS、TB-EPS的微生物代謝狀態曲線所對應的熒光強度值之間的差值較大，這說明微生物的代謝產物在細胞外的結合是比較有規律的，從宏觀上看，LB-EPS和TB-EPS中物質的變化趨勢及其總和的變化趨勢是一致的.
活性污泥所表現出來的狀態是由其所處的微生物生態環境決定的，每一種生態因子對于活性污泥微生物的影響都是與其它因子共同作用表現出來的.這些生態因子，諸如pH、溫度、溶解氧等在微生物生長過程中的作用很活躍，能夠強烈影響其代謝方式，從而對微生物的代謝產物的種類和數量形成較為明顯的影響.因此，我們可以通過調控微生物代謝產物濃度的手段來調控污泥沉降性能.在對圖 4中的幾個區域進行分析時發現，每個區域都有可能存在絲狀菌，只是在第4個區域中絲狀菌為優勢種群，在區域3中有時候絲狀菌比較多，有時候卻很少.因此，可以通過微生物代謝調控的手段將其控制在微生物代謝狀態曲線以上.眾所周知，溶解氧匱乏的條件下是有利于絲狀菌滋生且易于發生膨脹的，可是在實際經驗中，有些情況下即使溶解氧不足，如污泥微膨脹，污泥依然表現出良好的沉降性能.這說明活性污泥生長過程是多個生態因子共同作用的結果，如果一種因子發生變化，可以通過對其它因子的改變或者調節，使得最早改變的因子對系統帶來的負效應降低到最小甚至消失.而作為活性污泥的主體及污染物去除的承擔者，微生物對環境條件的改變是比較敏感的，溶解氧、溫度、進水基質、pH等條件的變化都可能引起代謝活動的變化，反應到代謝產物上就是數量和種類發生了變化，這就使得利用代謝產物去調控活性污泥過程成為可能，也即可以實現以微生物代謝產物為指標來進行活性污泥工藝的調控.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
圖 4 熒光強度與污泥沉降性能關系模式
5 結論
代謝產物熒光特性與污泥沉降性能之間存在一定的內在聯系.沉降性能良好的活性污泥伴隨著較高的代謝產物熒光強度，因此，可以通過代謝產物的熒光強度來判斷污泥的沉降性能.在此基礎上建立了代謝產物與污泥沉淀性能的關系圖，這對于從代謝角度調控污泥沉淀性能提供了新的思路，即以微生物代謝產物的熒光特性作為調控目標，通過運用調控微生物的生態環境等手段來實現這一目標，從而建立從微生物代謝角度來調控絮體結構的新方法.
