近年來(lái)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，其產(chǎn)生的廢水中含有高濃度的有機(jī)物、氮、磷等，具有成分復(fù)雜、水質(zhì)波動(dòng)大、氣味惡臭等特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝難以處理達(dá)標(biāo)排放。利用藻菌共生體處理廢水，可將藻類(lèi)對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的攝取同化能力與細(xì)菌對(duì)污染物的好氧代謝能力相結(jié)合，使兩類(lèi)生物之間產(chǎn)生協(xié)同作用。采用基于藻菌共生體−膜耦合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污水中碳、氮、磷的高效脫除，并回收氮、磷等資源。而將電場(chǎng)預(yù)處理與該工藝結(jié)合則可進(jìn)一步提升其處理效果，但與此同時(shí)，膜污染成為限制其進(jìn)一步拓展和應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
研究表明，微生物分泌的胞外聚合物（EPS）是造成膜污染的重要成分。而溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）的黏附能力是污泥顆粒與膜接觸的3700倍，與沉積于膜面的絮體等物質(zhì)之間相互黏附，可加劇膜污染，可見(jiàn)EPS是造成膜生物反應(yīng)器中膜污染的重要原因。此外，Felz等發(fā)現(xiàn)EPS與水可以形成穩(wěn)定的水凝膠，而金屬離子的存在則會(huì)影響EPS的凝膠機(jī)制，如厭氧顆粒污泥的EPS會(huì)與Cu2+形成絡(luò)合物，從而影響生物膜的穩(wěn)定性。EPS與金屬離子在膜污染中均起到重要作用，要控制膜污染，除了研究有機(jī)污染外，還需研究EPS與金屬離子結(jié)合后產(chǎn)生的膜污染情況。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)電場(chǎng)預(yù)處理后，鐵、鋁電極對(duì)藻菌共生體分泌的EPS產(chǎn)生一定的抑制作用，且對(duì)膜污染也會(huì)有影響。李久義等研究發(fā)現(xiàn)，隨著Fe3+的加入，EPS中的鐵離子含量越來(lái)越高，而一價(jià)、二價(jià)陽(yáng)離子的含量卻越來(lái)越低，這不僅說(shuō)明鐵離子與EPS具有較強(qiáng)的親和能力，也說(shuō)明在EPS中存在離子交換作用。
目前針對(duì)鐵離子與EPS的相互作用對(duì)膜污染機(jī)制的研究較少，兩者對(duì)藻菌體系的膜污染機(jī)制影響尚不清楚。為此，擬考察不同濃度的三價(jià)鐵離子對(duì)藻菌共生體分泌EPS以及膜污染的影響，為藻菌−膜耦合技術(shù)用于廢水處理提供理論支持。
1、試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)置
藻菌共生體系具有高效脫氮除磷能力，本試驗(yàn)搭建了培養(yǎng)藻菌共生體的反應(yīng)裝置（見(jiàn)圖1），裝置由鋁架、LED燈、玻璃管、空氣壓縮泵、玻璃管和導(dǎo)氣管組成。為防止藻菌生物量流失，維持反應(yīng)器內(nèi)穩(wěn)定有效的藻菌共生體系，加入膜技術(shù)以將水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分離，達(dá)到更高的生物量和處理負(fù)荷，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)污水的高效處理和資源回收利用。為深入了解鐵離子與藻菌共生體EPS的相互作用對(duì)膜污染的影響，采用模擬廢水以排除其他因素干擾。水質(zhì)指標(biāo)參考課題組經(jīng)電場(chǎng)預(yù)處理后的畜禽養(yǎng)殖廢水，COD、NH4+-N、TP、PO43--P分別為（1000±35.35）、（552.92±14.58）、（70.50±6.87）、（64.50±3.87）mg/L，pH為7.56±0.01。
首先，取培養(yǎng)好的小球藻和活性污泥分別在4000r/min下離心10min，按照干質(zhì)量比為1∶5（0.3g/L小球藻和1.5g/L活性污泥）將小球藻和活性污泥接種到模擬廢水中，啟動(dòng)反應(yīng)器，培養(yǎng)藻菌共生體，試驗(yàn)溫度為室溫25℃，光照度設(shè)定為4000lx，明暗周期比為12h∶12h。反應(yīng)器穩(wěn)定后提取EPS。最后，在混合液及提取的EPS組分中加入FeCl3，使Fe3+濃度分別為0、15、40、60、150mg/L（記作A~E組）。此外，為使Fe3+與EPS充分混合，每組均在加入FeCl3后攪拌30min，再進(jìn)行超濾試驗(yàn)。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 EPS提取
藻菌體系EPS采用三步熱提取法提取，分別得到溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）、松散結(jié)合型胞外聚合物（LB-EPS）、緊密結(jié)合型胞外聚合物（TB-EPS）。提取后的剩余沉淀物用0.05%的NaCl懸浮至原始體積，記為微生物絮體殘?jiān)?/span>MFR）。
1.2.2 恒壓過(guò)濾試驗(yàn)
采用有效體積為200mL的超濾杯（MilliporeAmicon8200），在過(guò)濾壓力為20kPa、磁力攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min的條件下進(jìn)行恒壓過(guò)濾。PVDF平板超濾膜（SINAP）的孔徑為0.1μm，截留分子質(zhì)量約為100ku，有效過(guò)濾面積為28.3cm2。由氮?dú)馄刻峁┻^(guò)濾壓力，過(guò)濾料液從超濾杯上端進(jìn)入，過(guò)膜后流入天平上的燒杯中，電子天平與計(jì)算機(jī)超級(jí)終端連接，每10s記錄一次質(zhì)量變化，再將其換算為膜通量的變化。試驗(yàn)過(guò)程中超濾液體積為80mL，SMP、LB-EPS、TB-EPS、MFR組分的平均用時(shí)分別為1560、588、446、454s。在超濾試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)新膜片進(jìn)行預(yù)清洗處理，用純水預(yù)壓至純水通量穩(wěn)定。
1.3 分析方法
結(jié)合Hermia理論的4種經(jīng)典膜污染模型對(duì)膜通量衰減曲線進(jìn)行線性擬合分析，包括：完全堵塞、標(biāo)準(zhǔn)堵塞、中間堵塞、濾餅層堵塞。采用苯酚-硫酸法測(cè)定多糖含量，蛋白質(zhì)和腐殖酸的含量用改進(jìn)Lowry法測(cè)定。
使用HitachiF-7000熒光光譜儀，結(jié)合三維熒光平行因子分析法分析EPS各組分熒光物質(zhì)成分。膜面物質(zhì)使用FTIR-7600紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 膜通量變化曲線
A、B、C、D、E等5組混合液的歸一化膜通量曲線見(jiàn)圖2，它反映了膜通量和濾液體積的變化情況�？芍@5組的歸一化膜通量曲線隨著時(shí)間的增加都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，A、B、C組的膜污染依次減輕，而D、E組的膜污染則依次加重。Mehrnia等研究認(rèn)為鐵離子會(huì)吸附EPS，在細(xì)胞和絮狀物之間產(chǎn)生陽(yáng)離子架橋作用，增強(qiáng)絮體的強(qiáng)度，在膜面上形成更多的多孔餅層來(lái)減輕膜污染。而D、E組出現(xiàn)膜污染加重的情況可能是因?yàn)橥都拥蔫F離子濃度過(guò)高，出現(xiàn)了膠體再穩(wěn)現(xiàn)象。在這5組濃度下，C組的膜污染減輕效果最佳。
圖3為SMP、LB-EPS、TB-EPS及MFR的歸一化膜通量衰減情況。可以發(fā)現(xiàn)在SMP、TB-EPS組分中A、B、C、D四組呈現(xiàn)出膜污染依次減輕的趨勢(shì)，而E組的最終歸一化膜通量介于B組與C組之間，出現(xiàn)了膜污染突然加重的現(xiàn)象。其次，在LB-EPS組分中，A、B、C、D、E五組的最終歸一化通量越來(lái)越大，膜污染程度依次減輕。在MFR中，A、B、C、D、E五組的膜通量衰減情況為：從A組到B組，最終歸一化膜通量顯著增大，膜污染明顯減輕，但在之后，隨著鐵離子濃度的增大，最終歸一化膜通量反而不斷減小，膜污染加重。
Ma等研究了Fe3+對(duì)膜污染的影響，發(fā)現(xiàn)在低劑量時(shí)膜污染加重，高劑量時(shí)膜污染減輕。從各EPS組分的衰減曲線可知投加的鐵離子濃度存在臨界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)前膜污染隨著鐵離子濃度的增大而減輕，臨界點(diǎn)后膜污染則隨著鐵離子濃度增大而加重。SMP、TB-EPS、MFR都出現(xiàn)了以鐵離子濃度為臨界點(diǎn)產(chǎn)生不同程度膜污染的情況，由此可得鐵離子濃度臨界值應(yīng)在40~60mg/L之間。
2.2 膜污染模型擬合
為了深入研究膜污染機(jī)理，利用膜污染模型進(jìn)行擬合，表1顯示了4種組分的模型擬合結(jié)果。
在SMP中，A組以標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型為主，而B、C、D、E組均是對(duì)濾餅層模型擬合度最好，其中D組的濾餅層擬合R2高達(dá)0.9938。在LB-EPS中，A、B、C、D、E組隨著鐵離子濃度的增加，先是以濾餅層模型為主，然后變成以標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型、中間堵塞模型及濾餅層模型為主，最終變成以中間堵塞和濾餅層模型為主。在TB-EPS中，中間堵塞模型和濾餅層模型的擬合度均很高，其中濾餅層模型的擬合度幾乎無(wú)變化，最終TB-EPS的擬合模型以標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型、中間堵塞模型及濾餅層模型為主。在MFR中，從A組到E組，完全堵塞模型的擬合度有明顯增大，MFR在四個(gè)模型均有較高的擬合度。
2.3 EPS成分分析
分別測(cè)定了各組提取的EPS在超濾前、后的組分及含量，結(jié)果見(jiàn)圖4，因?yàn)?/span>EPS的主要組分為多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸，所以用三者之和代表EPS的總含量。從EPS組分的總量來(lái)看，投加不同濃度鐵離子組在超濾前后存在顯著差異，在SMP中A、B、C、D組的截留量有序增加，而E組的截留量則突然減小，這種情況與膜通量的衰減曲線一致。在LB-EPS和TB-EPS中，均在B組有最好的截留效果。Lu等發(fā)現(xiàn)EPS的主要成分是蛋白質(zhì)和多糖，腐殖酸的含量則較少。從單一組分的含量來(lái)看，在超濾前蛋白質(zhì)均是SMP、LB-EPS、TB-EPS的主要成分，LB-EPS和TB-EPS中多糖含量大于腐殖酸含量，而SMP中多糖含量最低。其中每一組中截留量最大的也均為蛋白質(zhì)，這表明蛋白質(zhì)是超濾膜的主要污染物。
為了更加清楚地了解鐵離子與EPS各組分相互作用對(duì)有機(jī)物的影響，對(duì)各組超濾前后的三維熒光數(shù)據(jù)采用平行因子分析法進(jìn)行主成分分解，確定3組分為最適模型。三維熒光和響應(yīng)值測(cè)定結(jié)果顯示，組分1分別在激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)（λEx/λEm）為200nm/290nm和260nm/290nm處出現(xiàn)峰值，其熒光特性與酪氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)類(lèi)似；組分2出現(xiàn)峰值的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)為220nm/340nm，熒光特征與色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)相似；組分3出現(xiàn)峰值的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)在250nm/450nm處，表示腐殖酸類(lèi)物質(zhì)。
最大熒光強(qiáng)度值（Fmax）可表現(xiàn)熒光物質(zhì)的相對(duì)濃度，對(duì)比各組Fmax值（見(jiàn)圖5），各組SMP、LB-EPS、TB-EPS的主要熒光物質(zhì)均以酪氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)為主，經(jīng)過(guò)超濾后，主要下降的物質(zhì)為酪氨酸和色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)，說(shuō)明這兩者是被超濾膜截留的主要蛋白質(zhì)成分。
如表2所示，在SMP中B、C、D組超濾后的鐵離子濃度均很低，接近0，而E組的鐵離子濃度突然增加；在LB-EPS、TB-EPS、MFR三個(gè)組分中呈現(xiàn)出相似的現(xiàn)象，超濾前后鐵離子的變化量改變不大，甚至在LB-EPS及TB-EPS中幾乎無(wú)變化。
有研究指出多糖與鐵容易生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，張海豐等認(rèn)為將Fe3+加入混合液中后，會(huì)迅速形成氫氧化鐵沉淀，未形成氫氧化鐵的Fe3+可與EPS發(fā)生電中和、架橋作用。對(duì)比SMP、LB-EPS、TB-EPS、MFR超濾后三價(jià)鐵離子的截留量，推測(cè)在SMP、LB-EPS、TB-EPS中，一部分鐵離子與多糖、蛋白質(zhì)結(jié)合形成絡(luò)合物，另一部分由于電中和及吸附架橋作用分布于溶液中，結(jié)合上文所述EPS中SMP的含量最高，進(jìn)一步推測(cè)可能是SMP中可結(jié)合的多糖、蛋白質(zhì)更多，因此當(dāng)鐵離子濃度在E組水平時(shí)，超過(guò)了鐵離子可結(jié)合的臨界值，因此超濾后鐵離子濃度出現(xiàn)突然增加的情況，而LB-EPS、TB-EPS、MFR中與三價(jià)鐵離子作用的物質(zhì)有限，因此三價(jià)鐵離子的截留量幾乎無(wú)變化。
2.4 膜面化學(xué)組分表征
膜片的FTIR光譜如圖6所示。由于B、C、D、E的FTIR光譜相似，因此只展示了A組與D組。3280和2930cm-1處的峰分別與羥基（—OH）和碳?xì)鋯捂I（C—H）的拉伸振動(dòng)有關(guān)，1050cm-1處的峰代表的是碳氧單鍵（C—O），反映了多糖類(lèi)物質(zhì)的存在。1650和1550cm-1處的峰分別與蛋白質(zhì)物質(zhì)的碳氧雙鍵（C=O）和氮?dú)滏I（N—H）拉伸振動(dòng)有關(guān)，這對(duì)應(yīng)氨基酸縮合方式組成的蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)的多肽鏈結(jié)構(gòu)。在870cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于—CH2化學(xué)鍵的拉伸振動(dòng)。此外，LB-EPS、TB-EPS在1650和1550cm-1處的吸光度明顯大于SMP，說(shuō)明SMP被截留的多糖類(lèi)物質(zhì)更多，而LB-EPS和TB-EPS中被截留的主要是多糖類(lèi)和蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)。
由圖6還可知，D組的SMP、LB-EPS、TB-EPS光譜圖的波峰強(qiáng)度相較于A組有所減弱，這說(shuō)明D組SMP、LB-EPS、TB-EPS的化學(xué)官能團(tuán)豐度降低了。Nishikawa等人在使用FTIR光譜研究聚酰亞胺薄膜的分子相互作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)C=O和C=C化學(xué)鍵之間存在分子相互作用，兩種物質(zhì)之間相互作用后化學(xué)鍵可能會(huì)斷裂，化學(xué)鍵的拉伸振動(dòng)會(huì)減弱或加劇。這說(shuō)明一方面鐵離子與SMP、LB-EPS、TB-EPS混合后，造成其化學(xué)鍵斷裂，隨后鐵離子與其結(jié)合；另一方面，化學(xué)鍵分子作用和靜電作用也可能導(dǎo)致官能團(tuán)的拉伸振動(dòng)減弱，因而降低了FTIR光譜中化學(xué)官能團(tuán)的豐度。
3、結(jié)論
①?gòu)耐克p曲線可知SMP、TB-EPS、MFR中都出現(xiàn)了以鐵離子濃度為臨界點(diǎn)產(chǎn)生不同程度膜污染的情況，隨著鐵離子濃度的增加，膜污染呈現(xiàn)出先減輕后加重的情況，由此可得鐵離子濃度臨界值在40~60mg/L之間。且加入鐵離子后對(duì)SMP、MFR的完全堵塞模型擬合度影響最大，對(duì)LB-EPS、TB-EPS則是完全堵塞和標(biāo)準(zhǔn)堵塞影響程度最大。
②蛋白質(zhì)為EPS的主要成分，且在各EPS組分中SMP與鐵離子有更強(qiáng)的結(jié)合能力。
③FTIR光譜結(jié)果再次證明多糖和蛋白質(zhì)是污染物的主要成分，加入的鐵離子與EPS的相互作用影響了膜面污染物的分布，導(dǎo)致各組分的官能團(tuán)豐度降低，影響了通量衰減速率和過(guò)濾性能，對(duì)膜污染作用機(jī)制產(chǎn)生影響。
④鐵離子會(huì)與藻菌共生體產(chǎn)生的EPS發(fā)生作用，從而影響膜污染。造成膜污染的原因是EPS的主要成分蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)污染物則以酪氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)為主。SMP與鐵離子的結(jié)合能力強(qiáng)于其他組分，是EPS膜污染的主要貢獻(xiàn)者。（來(lái)源：南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
