厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器運行過程的三維熒光光譜的解析

張二楊,李衛(wèi)華,申慧彥,劉怡心,薛同站

(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥230022)

摘要：結(jié)合平行因子法研究了厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水三維熒光光譜特征,研究結(jié)果表明,正常運行狀態(tài)下反應(yīng)器的熒光物質(zhì)為蛋白質(zhì)、輔酶NADH、輔酶F420。當(dāng)反應(yīng)器的底物濃度突然增加時,反應(yīng)器出水的熒光光譜亦發(fā)生改變,輔酶F420熒光強度顯著降低,反應(yīng)器出水中的熒光組分以色氨酸、酪氨酸和輔酶NADH為主,表明產(chǎn)甲烷反應(yīng)受到了抑制。平行因子法解析得到的熒光強度得分與熒光物質(zhì)的相對濃度成正比,熒光物質(zhì)種類和濃度的改變可以用來表征反應(yīng)器運行的狀況。因此,三維熒光光譜可以反映反應(yīng)器處理過程中熒光物質(zhì)種類和含量等信息,并可為污水處理過程有效監(jiān)控提供快速分析方法。

關(guān)鍵詞：厭氧產(chǎn)甲烷;平行因子法;三維熒光;蛋白質(zhì); 輔酶F420

收稿日期：2014-10-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51378017) 、安徽省高校省級自然科學(xué)研究基金(KJ2013B062)。

作者簡介：張二楊(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向:廢水生物處理。

中圖分類號：X832

Analysis of three-dimensional fluorescence spectra

from anaerobic methane-producing process

ZHANG Er-yang,LI Wei-hua,SHEN Hui-yan,LIU Yi-xin,XUE Tong-zhan

(School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022,China)

Abstract:The effluents from anaerobic methane-producing reactor were characterized by the EEM fluorescence spectra with PARAFAC methods. Results showed that the main components were included of protein, coenzyme NADH and F420 under normal operating conditions. After the influent concentration increased suddenly, the EEM fluorescence spectra of the effluents changed correspondingly. The fluorescence intensity of coenzyme F420 decreased substantially and the main fluorophores in the effluents was tryptophane, tyrosine and coenzyme NADH, which implicated that the anaerobic methane producing reaction was inhibited. The relative concentration of the fluorophores was correlated with the fluorescence intensity scores. The changes of fluorophores in species and concentration could be used to reflect the operational status of the bioreactor. Therefore, EEM fluorescence spectra could be used to acquire the information about the species and concentration of the fluorophores, and they could provide a rapid and efficient method to monitor the wastewater treatment process.

Key words:anaerobic methane-producing process; PARAFAC; the EEM fluorescence spectra; protein ; F420

0引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,環(huán)境問題和能源問題愈發(fā)引起人們的廣泛關(guān)注,厭氧生物技術(shù)具有耗能少并能回收部分能源等特點,因而日益受到人們的重視,在處理高濃度有機廢水方面具有重要的意義[1-2]。產(chǎn)甲烷的過程決定了厭氧處理效果的好壞,在厭氧生物反應(yīng)器中,產(chǎn)甲烷菌的活性決定了厭氧產(chǎn)甲烷過程的成敗,因此產(chǎn)甲烷過程的研究控制是厭氧生物技術(shù)研究的內(nèi)容之一。由于高濃度的有機廢水復(fù)雜多變,并且含有多種有毒有害物質(zhì)成分,有毒有害物質(zhì)會影響產(chǎn)甲烷菌的活性,在厭氧發(fā)酵過程中,揮發(fā)性脂肪酸(VFA)是厭氧發(fā)酵過程中的重要中間產(chǎn)物,累積過多會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用,而出水中蛋白質(zhì)、化學(xué)需氧量(COD)、殘留底物濃度變化可以反映反應(yīng)器的運行狀況[3]。目前,監(jiān)控產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的方式主要是監(jiān)測產(chǎn)氣組成,VFA的含量或者出水COD的含量。但是這些指標(biāo)的測定通常分析時間長,并且需要消耗大量化學(xué)試劑和能源,難以及時來獲取相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和了解反應(yīng)器的運行狀況。

熒光光譜法具有快捷、高靈敏度、高準(zhǔn)確性等特點,并可節(jié)省化學(xué)試劑的使用而逐漸成為生物反應(yīng)器監(jiān)測和分析的重要手段[3]。熒光光譜法是不斷通過改變激發(fā)波長從而得到在不同波長下的三維光譜信息,對應(yīng)于特定的熒光物質(zhì)對應(yīng)著特定的光譜信息[4]。在厭氧產(chǎn)甲烷過程中,輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌代謝過程中所獨有的物質(zhì),其作用是作為低電位轉(zhuǎn)移載體,據(jù)研究者報道輔酶的活性與產(chǎn)甲烷菌在數(shù)量和時間上有著相同的變化規(guī)律[5]。它可以在420nm的波長入射光下激發(fā)出470nm的熒光,輔酶F420的熒光得分可以作為評價產(chǎn)甲烷活性的指標(biāo)[6],這一特點可以監(jiān)測產(chǎn)甲烷菌的生長狀況。目前國內(nèi)外主要利用三維熒光來分析城市污水的有機污染物的變化規(guī)律,以及給水水質(zhì)的光譜研究[7-9]。但是,常溫下熒光光譜較寬,不同組分的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜相互重疊,無法用常規(guī)的方法直接測定。平行因子法能夠解析三線性數(shù)據(jù)矩陣,在三線性分解理論的基礎(chǔ)上,通過采用交替最小二乘算法(ALS)來建立解析模型,預(yù)測底物的濃度[10]。 解析后可以使重疊的熒光峰分離出來得到激發(fā)光譜矩陣、發(fā)射光譜矩陣和得分矩陣。熒光物質(zhì)通過激發(fā)光譜矩陣和發(fā)射光譜矩陣來定性分析。在熒光物質(zhì)濃度較低的情況下,熒光物質(zhì)的濃度正比于熒光物質(zhì)的得分矩陣。平行因子法現(xiàn)廣泛應(yīng)用于分析水體的溶解性有機物(DOM)和物質(zhì)成分的特性研究[11-13]。

本文比較了不同進(jìn)水條件下反應(yīng)器出水水質(zhì)的變化,并采用平行因子法來解析了厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水熒光光譜,為監(jiān)測厭氧生物反應(yīng)器的運行提供可靠的方法。

1實驗部分

1.1反應(yīng)器狀況

厭氧生物反應(yīng)器由雙層有機玻璃加工而成,外部為恒溫水浴夾層區(qū),內(nèi)部分為沉降區(qū)和反應(yīng)區(qū),反應(yīng)區(qū)的有效體積為2.0L,沉降區(qū)有效容積為2.5L,內(nèi)置一個氣、固、液三相分離器。反應(yīng)器由溫度控制器、恒溫水浴夾層和恒溫水浴共同維持恒溫。

接種厭氧污泥來自經(jīng)開區(qū)污水廠的厭氧池,接種污泥量占反應(yīng)器有效容積的30%,接種后污泥濃度為7.1g/L,通過實驗控制蠕動泵的流速對反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水,使反應(yīng)器的水力停留時間為24h。

反應(yīng)器進(jìn)水采用已配制好的蔗糖濃縮液,濃縮液的濃度為400g/L,配制反應(yīng)器的進(jìn)水時,取250ml濃縮液稀釋至20L。新配制的進(jìn)水用冰柜在4℃下保存,以減少反應(yīng)器酸化帶來的影響。進(jìn)水堿度為2.5g/L左右,以維持足夠的堿度,依據(jù)出水pH值調(diào)節(jié)NaHCO3的量,進(jìn)水中的微量元素和常量元素(mg/L)如下:K2HPO4.3H2O155;CaCl250;CoCl2.6HO5;MnCl2.4H2O5;NaCl10;(NH4)6Mo7O2415;AlCl32.5;NiCl2.6H2O5;NH4HCO3405;H3BO45;ZnCl25;CuCl2.5H2O5;FeCl225;MgCl2. 6H2O100。

1.2水樣的預(yù)處理

反應(yīng)器的出水經(jīng)12000r/min離心5min后,經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后取其上清液,濾出液采用去離子水稀釋處理后進(jìn)行熒光測定。

1.3三維熒光光譜測定的條件與處理方法

樣品的三維熒光光譜的測定是利用F7000熒光分光光度計(日本的日立公司)測量,激發(fā)波長范圍為250～450nm,發(fā)射波長范圍為300～550nm,激發(fā)波長和發(fā)射波長間隔分別為5nm和5nm。設(shè)置的儀器測量參數(shù)為:激發(fā)光和發(fā)射光的光譜帶寬為5nm,掃描速度為1200nm/min,響應(yīng)時間設(shè)為自動。在熒光出射光一側(cè)添加290nm截止濾光片,消除熒光光譜圖上出現(xiàn)二次瑞利散射。樣品三維熒光光譜圖采用MATLAB7.0軟件繪制[3]。

1.4平行因子法的數(shù)據(jù)處理

將測得的水樣熒光數(shù)據(jù)與蒸餾水的熒光數(shù)據(jù)相減,去除瑞利散射和拉曼散射的影響,并且將瑞利散射置零,后在MATLAB7.0軟件平臺上轉(zhuǎn)化為矩陣文件進(jìn)行處理[14]。

2結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)器的運行過程

反應(yīng)器運行一個月后開始取樣,當(dāng)進(jìn)水的COD由2500mg/L突然上升到5000mg/L,后進(jìn)水濃度一直保持在5000mg/L。反應(yīng)器出水中COD濃度、糖的濃度,VFA濃度均發(fā)生了變化。

反應(yīng)器中出水COD和糖濃度的變化如圖1(a)、(b)、(c)取樣的第19天進(jìn)水糖的濃度提高到5000mg/L,反應(yīng)器第20天出水的VFA濃度由307mg/L上升到440mg/L,COD濃度有542mg/L上升到2774mg/L,糖的濃度由455mg/L上升到2024mg/L。糖濃度急劇上升后,而后趨于平穩(wěn),說明反應(yīng)器受到?jīng)_擊后微生物的活性受到抑制后,存在一個過渡期。

揮發(fā)性脂肪酸變化如圖1(c)所示,當(dāng)進(jìn)水濃度糖的濃度上升到5000mg/L時,VFA的量先上升后下降趨于平穩(wěn)。VFA的積累會抑制反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷菌的活性,從而降低了反應(yīng)器的處理效果。

2.2反應(yīng)器運行過程中的平行因子法解析結(jié)果

當(dāng)進(jìn)水糖的濃度為2500mg/L時,將產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水用平行因子法解析后得到三個主成分,主成分1的熒光中心λex/em=280/340nm,主要是蛋白質(zhì)的貢獻(xiàn),熒光強度較強。 主成分2熒光中心為λex/em=340nm/430nm,主要是輔酶NADH的貢獻(xiàn),熒光強度較弱。主成分3熒光中心λex/em=420/470nm,主要是輔酶F420的貢獻(xiàn),熒光強度中等。

當(dāng)進(jìn)水糖的濃度為5000mg/L時,將反應(yīng)器的出水進(jìn)行平行因子法分析后,得到三個主成分,主成分A的熒光中心λex/em=280/350nm,主要是色氨酸的貢獻(xiàn)。主成分B的熒光中心λex/em=270/304nm,主要是酪氨酸的貢獻(xiàn)。主成分C的熒光中心λex/em=340nm/430nm,主要是輔酶NADH的貢獻(xiàn)。

由圖2可知當(dāng)進(jìn)水濃度增加后,反應(yīng)器進(jìn)出水的熒光區(qū)發(fā)生改變,濃度變化后輔酶F420的熒光強度明顯減弱,輔酶NADH峰熒光強度增強。可能的原因是底物濃度增加后反應(yīng)器受到一定的沖擊負(fù)荷,產(chǎn)甲烷菌死亡,細(xì)胞內(nèi)的NADH和蛋白質(zhì)溶出造成NADH熒光和蛋白質(zhì)的熒光強度的突然增加,在生物氧化過程中,輔酶NADH通過電子傳遞鏈從而將電子傳遞給輔酶F420,產(chǎn)甲烷菌受到底物濃度的沖擊而受到抑制,所以輔酶NADH會積累[14]。由于產(chǎn)甲烷菌受到抑制,所以輔酶F420的熒光強度會明顯減弱。此外,底物濃度較低時,出水的色氨酸和酪氨酸熒光光譜相互重疊且熒光強度較低,所以難以用平行因子法解析出來。底物濃度增加后,色氨酸和酪氨酸的熒光峰明顯增強?？赡茉蚴沁M(jìn)水管由于底物濃度增加后逐漸長出了絮狀膜,使進(jìn)水管的流量減小,反應(yīng)器的傳質(zhì)受到影響出現(xiàn)盲區(qū)。微生物由于缺乏底物而大量的死亡,導(dǎo)致色氨酸和酪氨酸的大量溶出。

在低濃度下熒光強度得分與熒光物質(zhì)濃度成正相關(guān)性[16]。由圖3(d)和圖4(d)可知,在反應(yīng)器運行的第19天進(jìn)水的底物濃度發(fā)生了改變,反應(yīng)器運行的第20天,色氨酸和酪氨酸的熒光的得分突然增大,輔酶NADH的熒光得分也顯著增加,同時輔酶F420的熒光峰消失了,反應(yīng)器受到了一定的沖擊,待產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷能力恢復(fù)后,輔酶NADH色氨酸和酪氨酸的熒光得分又逐漸減小而后趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步說明熒光光譜可以作為監(jiān)測厭氧反應(yīng)器的熒光物質(zhì)種類和相對濃度變化的重要手段。

3結(jié)論

(1)正常運行條件下,從三維熒光光譜圖中得出厭氧反應(yīng)器出水中熒光物質(zhì)主要為蛋白質(zhì)、輔酶NADH、輔酶F420。底物濃度增加后,出水的熒光光譜發(fā)生改變,出水的熒光光譜發(fā)生改變,平行因子法解析后熒光物質(zhì)為輔酶NADH、色氨酸、酪氨酸。此外,輔酶NADH熒光強度增加,輔酶F420熒光強度顯著減少,色氨酸和酪氨酸的熒光強度亦顯著增加,產(chǎn)甲烷反應(yīng)受到了抑制。說明三維熒光光譜結(jié)合平行因子法能夠監(jiān)測反應(yīng)器中熒光物質(zhì)種類及相對濃度變化,為快速有效監(jiān)控反應(yīng)器的運行狀態(tài)提供了新的分析手段。

(2)底物濃度增加后,反應(yīng)器出水的COD和殘余底物的蔗糖濃度先顯著增加后逐漸減少,VFA濃度先增加后趨于平穩(wěn)。原因是反應(yīng)器受到外界沖擊負(fù)荷的影響,產(chǎn)甲烷過程受到抑制,無法將COD和VFA降解,待抑制解除后產(chǎn)甲烷能力恢復(fù),COD濃度和糖的濃度減少,VFA濃度趨于平穩(wěn)。

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