羅志平 ，，吳宇琦 ，謝水波 ，，蔡 婷

（1.南華大學(xué)污染控制與資源化技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3.鈾礦冶生物技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001）

活性污泥胞外聚合物（extracellular polymers substance，EPS），是微生物細(xì)胞壁周圍用來(lái)保護(hù)細(xì)胞的小合膠囊或粘液的聚合體。微生物的新陳代謝、水中的基質(zhì)與細(xì)胞溶解是EPS的主要來(lái)源，其主要成分為蛋白質(zhì)和多聚糖以及少量腐殖質(zhì)、糖醛酸、核酸等[1-2]。EPS的質(zhì)量（包括其中結(jié)合水）約占活性污泥質(zhì)量的80%，總有機(jī)物的50%～90%，它能夠影響污泥的多種性質(zhì)，如表面電荷和疏水性、沉降性、絮凝性、脫水性、重金屬吸附性等[3-5]。有研究表明，利用60Coγ-射線輻照污泥可以改善污泥脫水性、沉降性或者污泥中難降解物質(zhì)的可降解性，有效減少污泥固體量，殺滅病原微生物。同時(shí)輻射法具有操作簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到重視[6-12]。污泥的酸堿處理對(duì)EPS影響顯著，也可能影響污泥特性[4]。該研究通過(guò)γ-射線和酸堿預(yù)處理考察了其對(duì)活性污泥中EPS的影響與組分的變化，并用紅外光譜分析表征了輻照條件對(duì)其分子結(jié)構(gòu)的影響，采用掃描電鏡揭示了輻照和酸堿預(yù)處理對(duì)活性污泥性能影響的機(jī)理，旨在為揭示EPS變化對(duì)活性污泥性能的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料采用湖南省衡陽(yáng)市城西污水處理廠的剩余活性污泥，含水率99%以上。取樣后將污泥樣品過(guò)篩（孔徑10 mm），除去較大的雜質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和測(cè)定。原始污泥相關(guān)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。輻照源為60Coγ源，由湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所提供，放射性活度約為1×1016Bq。

表1 原始污泥基本理化性質(zhì)

1.1.2 儀器與試劑供試儀器為紫外分光光度計(jì)（UVmini-1240，日本島津公司）；掃描電子顯微鏡（FEI Quanta-200，美國(guó)FEI公司）；智能型傅里葉紅外光譜儀（Nicolet6700，美國(guó)）等。所有試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 酸堿預(yù)處理用 2 mol/L HCI、2 mol/L NaOH，分別將其中3組污泥的pH值調(diào)至2.5、9.8、11.8，另一組保持原始pH值，將混合均勻的泥樣分裝后進(jìn)行攪拌培養(yǎng)，溫度為（25±2）℃，震蕩速度為50 r/min，震蕩時(shí)間為3 h。

1.2.2 γ-射線輻照將泥樣分裝于250 mL塑料瓶中，每瓶泥樣約200 mL，蓋緊瓶塞，置于標(biāo)定好劑量的位置供輻照。輻照劑量分別為0、2、4、6、10、15 kGy，劑量率為0.56 Gy/s。輻照過(guò)程中不通氧、不攪拌。

1.2.3 胞外聚合物提取及分析活性污泥經(jīng)過(guò)3 000 r/min離心20 min，上清液經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾，得到EPS。重量法測(cè)定其含量；紫外分光光度計(jì)測(cè)其UV-vis光譜；智能型傅里葉紅外光譜儀分析基團(tuán)組成。

1.2.4 掃描電鏡分析用刀片切取少量活性污泥，用2.5%磷酸緩沖戊二醛固定液在4℃黑暗中固定24 h，然后用 30%、50%、70%、80%、90%和 100%乙醇依次脫水10 min后自然干燥、鍍金觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 γ-射線輻照和酸堿預(yù)處理對(duì)EPS組分的影響

剩余活性污泥經(jīng)酸堿預(yù)處理和γ-射線輻照后提取EPS，得到的UV-vis譜圖結(jié)果見(jiàn)圖1至圖4。研究結(jié)果表明，與未輻照污泥相比，輻照后的污泥在260～300 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了新峰。純核酸的紫外吸收高峰在260 nm，蛋白質(zhì)的紫外吸收高峰在280 nm，UV-vis光譜分析可以間接反映輻照對(duì)污泥的破解程度。由試驗(yàn)結(jié)果可以推斷，在輻照過(guò)程中，生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)在直接作用和間接作用的共同作用下被破壞[13-15]，進(jìn)而新生成蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)。圖2至圖4表明，酸預(yù)處理不利于污泥組分的輻射溶解，而堿處理本身是一種水解污泥組分的方法[16-18]，與輻照同時(shí)使用，可以顯著提高污泥破解效率。

圖1 不同輻照劑量下污泥EPS的UV-vis譜圖（原始污泥）

圖2 不同輻照劑量下污泥EPS的UV-vis譜圖（pH 2.50）

圖3 不同輻照劑量下污泥EPS的UV-vis譜圖（pH 9.80）

圖4 不同輻照劑量下污泥EPS的UV-vis譜圖（pH 11.80）（注：樣品用去離子水稀釋3倍）

輻照后EPS的吸收峰均出現(xiàn)在260 nm處，其變化如圖5所示，隨著輻照劑量加大和pH值升高，吸收峰值升高。從圖5中也可以看出，酸預(yù)處理不利于污泥組分的輻射溶解。圖6是不同輻照劑量下污泥EPS濃度的變化情況，如圖6所示，隨著輻照劑量加大和pH值升高，EPS含量升高，pH值為11.80時(shí)，EPS含量最高；經(jīng)過(guò)15 kGy輻照后，原始污泥可提取的EPS增幅達(dá)到101%。由試驗(yàn)結(jié)果可以推斷，γ-射線輻照、堿性條件和Na離子三者可以產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)，共同促進(jìn)污泥的輻射溶解和EPS釋放。

圖5 不同輻照條件下EPS吸收峰處（260 nm）峰值

2.2 γ-射線輻照和酸堿預(yù)處理對(duì)EPS分子結(jié)構(gòu)的影響

不同輻照條件下提取所得EPS的紅外譜圖如圖7所示。譜圖中特征明顯的強(qiáng)頻段指示著蛋白質(zhì)基團(tuán)（1 580～1 630 cm-1和 1 630～1 680 cm-1）、多聚糖基團(tuán)（1 030～1 150 cm-1）和 OH（3 000～3 400 cm-1）的存在[4]。紅外譜圖的變化表明，EPS部分功能基團(tuán)受輻照條件影響很大。輻照前位于2 517 cm-1的具有POH基的化合物經(jīng)過(guò)不同輻照條件后消失，出現(xiàn)了位于2 350 cm-1附近的具有PH基的化合物；輻照后在1 580～1 680 cm-1出現(xiàn)了裂峰，產(chǎn)生了酰胺Ⅱ基團(tuán)，這種情況在堿預(yù)處理?xiàng)l件下更加顯著；1 030～1 150 cm-1的吸收峰在輻照后發(fā)生右移，表明多聚糖物質(zhì)發(fā)生變化。由此可以推斷，輻照可以改變EPS的部分主要組成成分，對(duì)污泥性質(zhì)產(chǎn)生影響，有利于污泥破解和減量。

圖6 不同輻照條件下EPS濃度的變化

圖7 不同輻照條件下EPS紅外分析結(jié)果

2.3 掃描電鏡分析

圖8是不同輻照條件下污泥的掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果。如圖8所示，原始污泥的絮體由大量絲狀物相連，細(xì)胞表面光滑、結(jié)構(gòu)完整；在酸性條件下輻照，污泥絮體和細(xì)胞結(jié)構(gòu)不會(huì)遭受明顯破壞，而單純的輻照和堿預(yù)處理都可以使污泥絮體和細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著破壞，表現(xiàn)為絲狀物大量消失，出現(xiàn)了很多分散的細(xì)胞，細(xì)胞壁（膜）被破壞。水分子受到輻射后產(chǎn)生了大量過(guò)氧化物和自由基，這些產(chǎn)物的反應(yīng)能力很強(qiáng)，可以破壞微生物的關(guān)鍵靶位，即DNA分子，使其損傷并導(dǎo)致微生物死亡；而另一部分微生物的死亡是因DNA分子直接接受電離輻射所致[8]。掃描電鏡結(jié)果表明，輻照和堿處理同時(shí)使用，更加有利于污泥破解和EPS的釋放，最終影響污泥的性質(zhì)。

圖8 不同輻照條件下活性污泥掃描電子顯微鏡分析

3 結(jié)論

（1）UV-vis譜圖分析結(jié)果表明，污泥經(jīng)過(guò)堿預(yù)處理和γ-射線輻照處理后，污泥絮體結(jié)構(gòu)和生物細(xì)胞被破壞，細(xì)胞內(nèi)含物的流出增加了EPS中蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)的含量；EPS的可提取量相比處理前有很大增加，經(jīng)過(guò)15 kGy的輻照后，原始污泥中可提取EPS的含量增幅達(dá)到101%。污泥的破解將大大有利于污泥減容，并且堿預(yù)處理和輻照可以產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)，而酸性條件不利于污泥輻射溶解。

（2）紅外譜圖分析結(jié)果表明，不論是單獨(dú)輻照處理還是與堿處理相結(jié)合，都可以改變EPS中的主要功能基團(tuán)，如蛋白質(zhì)和多聚糖等，從而使污泥朝著有利于處理處置的方向變化。

（3）掃描電鏡分析結(jié)果表明，在酸性條件下輻照，污泥絮體結(jié)構(gòu)和微生物細(xì)胞沒(méi)有發(fā)生顯著破壞，而單獨(dú)輻照和在堿性條件下輻照對(duì)于污泥絮體和細(xì)胞結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生顯著破壞，從而增加EPS的溶解度。

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