預(yù)曝氣及提取方法對(duì)活性污泥胞外聚合物的影響

呂文洲,王小寶,劉 英,孫慧萍,王 聰 (寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院市政與環(huán)境工程系,浙江 寧波315211)

活性污泥的胞外聚合物(EPS)通過合適的方法提取后可用于水中懸浮物或者金屬離子的去除[1-3].提取 EPS的得率及其各組分占比會(huì)受到污泥預(yù)處理及提取方法[4-5]的影響,比如對(duì)活性污泥短時(shí)間預(yù)曝氣可以明顯提高超聲法提取EPS的得率,使得預(yù)曝氣后EPS的絮凝率和得率分別提高了 31%和 34%[6];采用化學(xué)法的提取效率一般比物理法高且提取過程不會(huì)引起細(xì)胞大量裂解[7-9],也有研究表明化學(xué)法提取的 EPS的絡(luò)合性能更好[10],因此探索合理的污泥預(yù)處理及EPS提取方法對(duì)于EPS得率及對(duì)污染物的去除效率提升具有重要意義.不同提取方法提取的EPS對(duì)金屬離子的去除也有不同機(jī)制,如利用加熱法提取的 EPS對(duì)金屬離子的去除中, Cd2+、Zn2+同 EPS之間存在多種作用方式,且多糖在吸附過程中起著重要作用[11];利用NaOH法從生物膜中提取的EPS對(duì) Cu2+吸附的主要作用是離子交換[12];利用超聲法從活性污泥中提取的EPS吸附 Cd2+和 Cu2+時(shí)吸附位點(diǎn)對(duì)金屬離子吸附的主要機(jī)制是靜電作用[13].截至目前,采用預(yù)曝氣及不同提取方法提取的 EPS及組分對(duì)于高嶺土及Cr3+的去除機(jī)制差異尚不明晰.本研究旨在探索提高EPS得率和對(duì)污染物去除效果的方法,比較了超聲波提取與化學(xué)提取方法的異同,利用三維熒光解析了 EPS組分差異并通過紅外光譜法探討了EPS對(duì)于高嶺土絮凝及Cr3+吸附能力差異的深層機(jī)制,為利用EPS去除水中懸浮物及重金屬離子的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)污泥為寧波市某污水處理廠的二沉池回流污泥.該廠采用 A2/O 工藝處理生活廢水,日處理水量2×105m3,回流污泥濃度(SS)8.5～11.5g/L揮發(fā)性懸浮顆粒物質(zhì)量(VSS)與懸浮顆粒物質(zhì)量(SS)的比值為58%～65%,pH值為6.5～7.2.

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

高嶺土購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,平均顆粒粒徑為0.45μm.使用Cr(NO3)3配制濃度為1000mg/L 的 Cr3+儲(chǔ)備液 250mL,滴加 2～3 滴0.1mol/L的 HNO3防止沉淀.研究所用試劑如未特別說明均為分析純級(jí).

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將污泥置于 4L的有機(jī)玻璃容器中,利用稀H2SO4或稀NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7,控制溫度在25℃.試驗(yàn)采用電磁振動(dòng)式空氣泵連接砂芯曝氣頭進(jìn)行曝氣,轉(zhuǎn)子氣體流量控制空氣流量并使用便攜式溶解氧儀(HQ40d,Hach ,USA)監(jiān)測溶解氧,使其在 2～3mg/L.為了考察不同預(yù)曝氣時(shí)間對(duì)提取EPS的影響,預(yù)曝氣共6h,每2h取一次污泥樣進(jìn)行EPS提取.

超聲法提取 EPS參照文獻(xiàn)[13]：取預(yù)曝氣的污泥25mL,加入10mL去離子水混合均勻后置于超聲波細(xì)胞破碎儀上進(jìn)行超聲處理(時(shí)間2min、間隔3s、功率210W),將處理后的污泥通過高速冷凍離心機(jī)(Eppendorf Centrifuge 5415R,Germany)在4℃、12000r/min下離心10min得到的上清液即為EPS試樣.

甲醛+NaOH提取EPS法參照文獻(xiàn)[14]：取出預(yù)曝氣的污泥 25mL,加入 150μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%的甲醛,在磁力攪拌器(IKA@RH basic 1,Germany)上攪拌 1h(轉(zhuǎn)速 200r/min),加入 10mL濃度為1mol/L的NaOH,最后繼續(xù)在磁力攪拌器上攪拌 3h.采用與超聲法一致的離心方法獲得EPS.

1.4 分析方法

新課程改革提出了“以學(xué)生為發(fā)展”的教育理念，提倡讓學(xué)生在課堂活動(dòng)中發(fā)揮出自身主體地位與價(jià)值，有效的激發(fā)學(xué)生知識(shí)能動(dòng)性，讓整個(gè)教學(xué)活動(dòng)得以有序的實(shí)施。在這種課程教育理念之下，初中數(shù)學(xué)課堂就提出了要對(duì)學(xué)生自主探究能力進(jìn)行培養(yǎng)的教學(xué)理念，因?yàn)槿绻軌蜃龊眠@一項(xiàng)工作就能讓學(xué)生真正參與到自主探究活動(dòng)之中，進(jìn)而就能讓學(xué)生各方能力得以發(fā)展和進(jìn)步，基于這一培養(yǎng)目標(biāo)，筆者也提出了如下建議：

1.4.1 絮凝率的測定 在100mL比色管中加入0.4g高嶺土,3mL質(zhì)量濃度為 1%的 CaCl2溶液,2mL EPS試樣,定容至 100mL,混勻后靜置5min,然后用移液器吸取其上清液5mL于比色皿中,用分光光度計(jì)(UNICO UV-2000,中國)在550nm下測其吸光度(B).以不加EPS試樣、在相同操作條件下的高嶺土懸濁液的吸光度作對(duì)照(A).以絮凝率(E)來表示絮凝活性,計(jì)算方法如式(1)：

所有試驗(yàn)均設(shè) 3個(gè)重復(fù),結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,下同.

1.4.2 Cr3+去除率測定 吸附去除實(shí)驗(yàn)參照文獻(xiàn)[15]：在50mL的離心管中先加入5mL EPS試樣,再加入 1mL金屬 Cr3+儲(chǔ)備液,超純水定容到20mL,用0.1mol/L HNO3和0.1mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH 值到4.5.在 25℃,200r/min轉(zhuǎn)速下振蕩2h,然后在12,000r/min轉(zhuǎn)速下離心10min,取適量上清液經(jīng)過 0.45μm 濾膜過濾,利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PQ 9000Elite, Germany)測定Cr3+的濃度. Cr3+去除率可以根據(jù)式 (2)計(jì)算：

式中：C0為 Cr3+初始濃度, mg/L; Ce為 Cr3+最終濃度, mg/L.1.4.3 EPS組分測定 EPS的多糖含量(PS)采用苯酚硫酸法測定,用葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[16];蛋白質(zhì)含量(PN)用 Bradford法測定,用牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[17];核酸含量采用二苯胺法測定,用小牛胸腺 DNA作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[18];不同提取方法對(duì)污泥絮體的影響采用微分干涉顯微觀察法：使用膠頭滴管取 1滴污泥于載玻片上,制成水浸片利用微分干涉顯微鏡(尼康 80i,日本)觀察;三維熒光法解析：使用熒光光譜儀(日立 F-4600,日本)記錄EPS的三維熒光光譜,激發(fā)光源是氙弧燈,激發(fā)波長 Ex=220～400nm,發(fā)射波長 Em=280～550nm,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為 5nm,激發(fā)波長間隔為 2nm,發(fā)射波長間隔為 5nm,掃描速度為2000nm/min,響應(yīng)時(shí)間為 5s;紅外光譜法解析：在室內(nèi)溫度 25℃條件下,取經(jīng)過真空冷凍干燥機(jī)(CHRIST ALPHR 1-2LD,Germany)處理后的EPS跟干燥的KBr按1：200混合均勻后制片,利用紅外光譜儀(Nicolet 5700,USA)在波數(shù) 4000～400cm-1的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描[19].

2 結(jié)果

2.1 預(yù)曝氣及提取方式對(duì)EPS得率的影響

圖1 預(yù)曝氣時(shí)間及提取方式對(duì)EPS的影響Fig.1 Effects of pre-aeration time and extraction methods on the yield and components of EPSA.EPS總量; B.絮凝率; C.Cr3+去除率; D.蛋白質(zhì)含量; E.多糖含量; F.DNA含量; G～I(xiàn). EPS熒光強(qiáng)度

預(yù)曝氣處理活性污泥 6h 過程中,隨預(yù)曝氣時(shí)間的延長,超聲法、甲醛+NaOH法提取的EPS得率的變化規(guī)律相似(圖 1A),即在 0～4h內(nèi) EPS得率隨預(yù)曝氣時(shí)間的增加而增加,之后EPS得率均有降低,預(yù)曝氣4h時(shí)2種方法提取的EPS得率最高,分別為102.43,156.99mg/gVSS.甲醛+NaOH法提取的EPS是超聲法的1.5～1.7倍.

2.2 預(yù)曝氣及提取方式對(duì)EPS化學(xué)組分的影響

圖1顯示,PN和PN+PS含量都在預(yù)曝氣4h時(shí)最高,超聲法提取的PN和PN+PS分別為75.94和100.29mg/gVSS,甲醛+NaOH法提取的PN和PN+PS分別為127.62,151.97mg/gVSS;然而2種方法提取的EPS中PS和DNA含量隨預(yù)曝氣時(shí)間的變化規(guī)律并不一致,其中甲醛+NaOH法提取的 PS在曝氣 2h達(dá)到最高(圖 1E),含量為40.13mg/gVSS;此外在4h時(shí)內(nèi)DNA含量最高分別為 2.14(超聲法)和 5.21mg/gVSS(甲醛+NaOH法,見圖1F),相對(duì)于PN和PS,DNA的量較小.從EPS各化學(xué)組成來看,甲醛+NaOH法提取的EPS中的PN、PS、DNA含量分別是超聲法的1.4～1.7、0.8～2和 2.3～2.7倍.

不同曝氣時(shí)間下超聲法和甲醛+NaOH法提取的EPS對(duì)高嶺土的絮凝率(圖1B)和 Cr3+的去除率(圖1C)與EPS得率(圖1A)的變化規(guī)律一致,即在4h時(shí)EPS對(duì)高嶺土絮凝率和Cr3+的去除率最高,且對(duì)高嶺土的絮凝率分別達(dá)到了 49%和65%,對(duì)Cr3+的去除率分別達(dá)到了30%和63%.

利用SPSS 19.0 軟件分析了EPS及其組分與 EPS對(duì)高嶺土絮凝率和對(duì) Cr3+去除率的相關(guān)性(表1),結(jié)果顯示EPS對(duì)高嶺土的絮凝率與EPS總量(P＞0.05, R2=0.570)、PN(P＞0.05, R2=0.592)、PS(P＞0.05, R2=0.363)相關(guān)性不明顯;EPS對(duì)Cr3+的吸附效果與 EPS得率(P＜0.05, R2=0.843)、PN(P＜0.05, R2=0.850)、PN/PS(P＜0.05, R2=0.825)顯著相關(guān),說明EPS中蛋白組分是Cr3+去除的主要物質(zhì)基礎(chǔ),這與Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)EPS中主要是類蛋白質(zhì)(類色氨酸)與重金屬離子結(jié)合的結(jié)論相一致.

表1 EPS中各組分含量與絮凝率及Cr3+去除率的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis of contents of various components in EPS with the flocculation efficiencies as well as the Cr3+ removal rates

2.4 預(yù)曝氣及提取方法對(duì)EPS熒光組分及紅外光譜的影響

三維熒光光譜(EEM)中可以定義 3種峰,即A、B和C峰(圖2).A峰的激發(fā)和發(fā)射(Ex/Em)光譜位于 225/335～350nm 處,B峰的 Ex/Em 在275～280/330～350nm處,這2個(gè)峰分別表征的是芳香蛋白物質(zhì)(低激發(fā)波長類色氨酸)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物(高激發(fā)波長類色氨酸)[4]; C峰位于320～340/380～450,表征的是天然溶解性有機(jī)物,被描述為胡敏酸[21].芳香蛋白(即A峰)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(即 B峰)在所有提取的 EPS中存在[21-23].三維熒光光譜結(jié)果顯示(圖1中 G、H和I),超聲法和甲醛+NaOH法提取的EPS中的熒光物質(zhì)強(qiáng)度變化規(guī)律跟 EPS得率及其對(duì)高嶺土絮凝率的變化規(guī)律相似,在預(yù)曝氣4h時(shí)EPS中的熒光物質(zhì)A峰強(qiáng)度和B峰強(qiáng)度最高.在預(yù)曝氣0h、2h、4h、6h時(shí)超聲法提取的EPS中A峰強(qiáng)度比甲醛+NaOH法分別低30%、35%、38%、48%;B峰強(qiáng)度分別低0%、47%、58%、50%;然而 C峰只出現(xiàn)在甲醛+NaOH法提取的EPS中.

圖 3A、3B的紅外光譜顯示,預(yù)曝氣處理對(duì)特征吸收峰的影響相對(duì)較小,僅僅改變了相應(yīng)特征峰的透光率,而提取方式對(duì)EPS的紅外光譜影響較大,不僅改變了相應(yīng)特征峰的透光率,而且又影響了特征峰的種類.2種方式提取的EPS在如下光譜帶中振動(dòng)相類似：在3419cm-1附近都有明顯的寬峰,其由-OH伸縮振動(dòng)形成[25];2921cm-1附近與烷烴類有機(jī)物及大分子多糖中的-CH2-伸縮振動(dòng)有關(guān);在 1620cm-1、1540cm-1處的強(qiáng)烈吸收峰為蛋白中酰胺I(主要是C=O伸縮振動(dòng))和酰胺 II(C-N伸縮振動(dòng)和 N-H變形振動(dòng))[26];在1460cm-1附近吸收峰是甲基中 C-H鍵振動(dòng)產(chǎn)生[27];在 1070cm-1吸收峰是多糖類化合物 C-O鍵的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致[28].對(duì)比以上吸收峰強(qiáng)度,甲醛+NaOH法提取的EPS相應(yīng)基團(tuán)的量明顯高于超聲法提取的 EPS, 其中-OH、-CH2-、C=O、C-N、C-H和 C-O分別高出后者 55.81%、66.61%、67.82%、67.82%、84.84%和 41.40%.值得一提的是,有些光譜帶只存在于甲醛+NaOH法提取的 EPS中,如在 1790～1720cm-1是羰基的伸縮振動(dòng),該物質(zhì)與羧酸有關(guān);在 1280～1137cm-1是碳氧鍵的伸縮振動(dòng),其與脂類、苯酚、乙醚等物質(zhì)有關(guān);在1000～500cm-1區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)小尖峰,是紅外光譜的“指紋區(qū)”,表明有含硫和磷基團(tuán)的存在.甲醛+NaOH法提取的EPS中的這些特別基團(tuán)可能參與了對(duì)Cr3+的去除,比如Wei等[22]指出COO-可與金屬離子結(jié)合;Zhang等[13]指出含硫和磷的基團(tuán)對(duì)金屬離子有一定的結(jié)合作用.

圖2 2種方法提取的EPS的熒光組分含量隨預(yù)曝氣時(shí)間的變化Fig.2 Changes of the EEM fluorescence spectra of the EPS extracted by the ultrasonic or formaldehyde+NaOH versus the pre-aeration time

圖3 預(yù)曝氣前后超聲法及甲醛+NaOH法提取的EPS紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectrograms of the EPS extracted by ultrasonic or formaldehyde+NaOH before and after pre-aeration

2.5 兩種提取方法提取的EPS吸附Cr3+前后熒光物質(zhì)組分及基團(tuán)變化

從圖4中可以看出EPS吸附Cr3+之后,所有熒光峰的強(qiáng)度都在減小,表明 EPS絡(luò)合了 Cr3+,說明發(fā)生了熒光猝滅,這與 Wei等[24]研究得出熒光性類蛋白物質(zhì)可與 Zn2+絡(luò)合而導(dǎo)致熒光猝滅的結(jié)果類似.超聲法提取的EPS與Cr3+結(jié)合后A峰比B峰熒光強(qiáng)度猝滅的量要大(圖4a和圖4c),A峰熒光值從3500降到300,B峰熒光值從1000降到200;相比而言,甲醛+NaOH法提取的EPS與Cr3+結(jié)合后A峰完全消失(從5600降到0),C峰衰減了2200(從2400降到200),然而B峰變化較小(從 2400降到 1800),這表明甲醛+NaOH法提取的EPS對(duì)Cr3+去除率高的原因不僅僅在于提取的EPS總量的增加,另一方面也與提取出了腐殖質(zhì)有關(guān)(C峰),再者也可能與蛋白的種類有關(guān)(A、B峰強(qiáng)度在吸附前后的變化).

超聲法提取的EPS吸附Cr3+前后的紅外光譜圖透光率變化很小(圖 5A),吸附 Cr3+后只有光譜 1660cm-1、1090cm-1的透光率有變化,吸收峰強(qiáng)度分別減小了5.11%和4.81%.甲醛+NaOH法提取的EPS吸附 Cr3+前后的紅外光譜圖變化較大(圖 5B),特別是光譜 1700～1720cm-1、1652cm-1透光率變化最大,且吸收峰強(qiáng)度分別減小了53.30%和 81.62%,表明-COOH、-NH2與 Cr3+發(fā)生了絡(luò)合作用[13,24],證實(shí)了前面提到的羧基參與Cr3+去除的推測. 透光率在1000～500cm-1的指紋區(qū)變化也較大,說明了有含硫和磷的基團(tuán)參與了 對(duì)Cr3+的去除.

圖4 EPS吸附Cr3+前后的三維熒光圖譜Fig.4 3D-EEM fluorescence spectrograms of the EPS extracted by ultrasonic or formaldehyde+NaOH before and after adsorption of Cr3+

圖5 不同提取方式提取的EPS吸附重金屬Cr3+前后紅外光譜強(qiáng)度的變化Fig.5 Changes of FTIR spectra of the EPS extracted by ultrasonic or formaldehyde+NaOH before and after adsorption of Cr3+

2.6 預(yù)曝氣、提取方法及EPS吸附Cr3+前后相 關(guān)基團(tuán)強(qiáng)度的變化

預(yù)曝氣對(duì)EPS的光譜強(qiáng)度有明顯影響(圖6).由圖6A、6C可看出,預(yù)曝氣對(duì)EPS中O-H、C-H、C=O、N-H、C=X等處吸收峰強(qiáng)度有一定提高作用;相比之下,甲醛+NaOH法提取的 EPS中相應(yīng)基團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度受預(yù)曝氣的影響更大,是前者的2～3倍.圖6B和6D的兩組數(shù)據(jù)顯示,利用預(yù)曝氣4h的EPS吸附Cr3+,超聲法提取的EPS吸附Cr3+后EPS的紅外光譜強(qiáng)度幾乎沒有變化,這跟此條件下提取的 EPS對(duì) Cr3+去除率低的結(jié)果相一致.然而,甲醛+NaOH 法提取的 EPS吸附Cr3+之后EPS的-OH、-COOH、-NH2等基團(tuán)量發(fā)生了較大的變化,透光強(qiáng)度分別增加了58.50%、53.30%和81.62%,說明這些基團(tuán)參與了對(duì)Cr3+的絡(luò)合作用.

圖6 EPS紅外光譜中主要的特征基團(tuán)預(yù)曝氣前后和吸附Cr3+前后的透光率變化值Fig.6 The variation of light transmittance values of the main characteristic groups in the FTIR spectra of the EPS before and after the pre-aeration and the adsorption of Cr3+

3 討論

3.1 提取方式對(duì)EPS產(chǎn)量的影響

甲醛+NaOH法提取的EPS中蛋白質(zhì)和多糖的量高于超聲法,與周俊等[29]的研究結(jié)果類似.其原因可能是甲醛+NaOH法對(duì)污泥中緊密結(jié)合的胞外聚合物提取效率較高.甲醛+NaOH法提取EPS的效率優(yōu)于超聲法的原因可以用菌膠團(tuán)說[30-31]來解釋：甲醛+NaOH 法是通過加強(qiáng) EPS酸性基團(tuán)的分離和帶負(fù)電荷 EPS分子之間的排斥促進(jìn)了 EPS從菌膠團(tuán)中的大量溶出[9];而超聲是一種物理能量形式,雖能產(chǎn)生強(qiáng)烈脈沖力、高加速度、空化效應(yīng)、攪拌等特殊作用可以使污泥絮體分散,能使菌膠團(tuán)有效解聚[32],但菌膠團(tuán)破碎的并不徹底,因此可能仍然有大量的EPS未能從菌膠團(tuán)中分離出來(見圖7),此外熒光數(shù)據(jù)也顯示腐殖質(zhì)信號(hào)未在超聲法提取的EPS中檢出(圖2a).

圖7 超聲法、甲醛+NaOH法處理污泥的微分干涉圖像Fig.7 Microscopic images of the activated sludge treated by ultrasonic or formaldehyde+NaOH

3.2 預(yù)曝氣對(duì)EPS產(chǎn)量的影響

圖1A、1B顯示,污泥經(jīng)過預(yù)曝氣提高了EPS的得率和對(duì)高嶺土的絮凝率,與 Zhang等[6]的研究結(jié)果相似. EPS在預(yù)曝氣前期(0～4h)增加的原因可能是：曝氣產(chǎn)生的流體剪切力作用使菌膠團(tuán)中的EPS三維凝膠狀結(jié)構(gòu)[30]和絮凝的EPS“云”結(jié)構(gòu)[31]緊密程度降低,因而EPS更加容易被提出;另一可能的原因是,污泥中的產(chǎn)絮微生物在好氧過程中利用廢水中有限營養(yǎng)進(jìn)行生物絮凝劑合成(主要是 EPS)[6],從而導(dǎo)致 EPS總量的增加,這一推測有待進(jìn)一步驗(yàn)證;預(yù)曝氣后期(如 4h后)EPS提取量開始降低可能是因?yàn)槭Ｓ辔勰嘟?jīng)過一段時(shí)間曝氣,溶解性營養(yǎng)物質(zhì)被耗盡,微生物開始利用EPS作為營養(yǎng)物質(zhì),因此EPS被消耗而降低.張?jiān)葡嫉萚33]研究結(jié)果也證實(shí)了處于饑餓狀態(tài)下的二沉池活性污泥或好氧顆粒污泥的 EPS中,多糖和蛋白質(zhì)會(huì)被降解,且在3～10h之間降解速率最快.

3.3 三維熒光光譜和紅外光譜聯(lián)合解析兩種方式提取的EPS差異

芳香蛋白(A峰)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(B峰)在2種方式提取的EPS中存在,然而腐殖質(zhì)(C峰)僅在甲醛+NaOH法提取的 EPS中被檢測到(如圖2-5～8).Qu等[34]認(rèn)為,腐殖質(zhì)主要分布在溶解性胞外有機(jī)物質(zhì)(dEOM)中,而結(jié)合性胞外有機(jī)物質(zhì)(bEOM)只含有蛋白質(zhì)和多糖,但本研究用超聲法提取的 EPS中并沒有檢測到腐殖質(zhì)(C峰).而Zhang等[35]研究認(rèn)為污泥中的腐殖質(zhì)一部分來自廢水,菌膠團(tuán)形成的過程中大量吸附廢水中腐殖質(zhì)、多糖、蛋白、DNA等物質(zhì)后形成結(jié)構(gòu)緊密且復(fù)雜的結(jié)合性胞外有機(jī)物質(zhì)(bEOM),超聲法僅在幾分鐘的作用下難以提取緊密結(jié)合在菌膠團(tuán)上的腐殖質(zhì). 此外,2種方法提取的EPS差異還表現(xiàn)在參與吸附的基團(tuán)差異.超聲法提取的EPS吸附Cr3+前后的紅外光譜圖透光率變化很小,吸附后只有光譜1660,1040cm-1的透光率有變化(圖 5A).而甲醛+NaOH法提取的 EPS吸附Cr3+前后的紅外光譜圖變化較大(圖 5B),3330、3450cm-1是-OH的伸縮振動(dòng)峰,吸附后吸收峰向更高的波數(shù)段移動(dòng)了 120cm-1,表明-OH在吸附過程中與Cr3+結(jié)合;1620,1650cm-1處的吸收峰為蛋白中酰胺 I(主要是 C=O 伸縮振動(dòng))和酰胺II(C-N伸縮振動(dòng)和N-H變形振動(dòng))[26],吸附后比吸附前移動(dòng)了30cm-1,表明蛋白質(zhì)中的-COOH、-NH2在吸附時(shí)也發(fā)生了反應(yīng);2950,2500cm-1的峰值轉(zhuǎn)移到較低的波數(shù),表明EPS吸附Cr3+與烷烴類有機(jī)物及大分子多糖和羧酸有關(guān);1460、1390cm-1處的峰對(duì)應(yīng)的是-C=O的伸縮振動(dòng)和-OH的變形振動(dòng),吸附后向更低的波數(shù)段移動(dòng)了70cm-1,這些物質(zhì)通常衍生自羧酸鹽,醇或酚結(jié)構(gòu)[36].然而 EPS 吸附 Cr3+之后 1150,1070,769,698cm-1等吸收峰一起消失,表明有脂類、苯酚、乙醚、多糖衍生物和含有硫和磷基團(tuán)的物質(zhì)參與了吸附過程[13].

3.4 EPS結(jié)合Cr3+的機(jī)制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,甲醛+NaOH法提取的EPS對(duì)Cr3+去除效率是超聲法的2.1～3.2倍,其主要?dú)w因于前者提取的EPS總量較高,另一方面可能與前者提取的EPS中的腐殖質(zhì)有關(guān)[37-38],由表1可以看出,EPS吸附Cr3+與EPS中蛋白質(zhì)含量、熒光性物質(zhì)類腐殖質(zhì)含量呈顯著相關(guān).有關(guān)研究指出EPS主要通過絡(luò)合、螯合、離子交換等物理-化學(xué)作用致使多價(jià)重金屬離子與蛋白質(zhì)、多糖和腐殖質(zhì)形成螯合物[11,39-40],本研究的三維熒光分析證實(shí)了熒光性蛋白物質(zhì)(A峰)和熒光性腐殖質(zhì)(C峰)與金屬Cr3+結(jié)合后熒光信號(hào)猝滅;紅外光譜也顯示 EPS與金屬 Cr3+結(jié)合后 3300～3500cm-1(-OH)、1700～1720cm-1(-COOH)、1652cm-1(-NH2)等處吸收峰波長發(fā)生移動(dòng),且-OH在pH值為4.5時(shí)不能解離H+,因此絡(luò)合是主要的吸附機(jī)制[39].

4 結(jié)論

4.1 污泥經(jīng)預(yù)曝氣處理,可提升 EPS的提取量,且在4h時(shí)得率最高;甲醛+NaOH法提取的EPS中的PN、PS、DNA含量分別是超聲法的1.4～1.7、0.8～2和2.3～2.7倍.甲醛+NaOH法提取EPS的得率、對(duì)高嶺土的絮凝率和對(duì)Cr3+的除去率分別是超聲法 1.5～1.7、1.3～1.4 和 2.1～3.2 倍.

4.2 三維熒光結(jié)果表明胡敏酸類物質(zhì)只存在甲醛+NaOH法提取的EPS中,且此類腐殖質(zhì)與Cr3+去除率呈極顯著相關(guān)(P＜0.01,R2=0.920),說明利用該化學(xué)法提取的 EPS對(duì)金屬離子的去除效率優(yōu)于超聲法,其原因不僅在于總 EPS量的提高,也在于EPS組分的差異.

4.3 甲醛+NaOH法提取 EPS中存在區(qū)別于超聲法的特殊基團(tuán),其中的羥基(-OH)、氨基(-NH2)和羧基(-COOH)等基團(tuán)可以和 Cr3+發(fā)生配位絡(luò)合作用.

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