2020, Vol. 52
2. 江苏省厌氧生物技术重点实验室(江南大学), 江苏 无锡 214122;
3. 江苏省高校水处理技术与材料协同创新中心, 江苏 苏州 215009
2. Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology (Jiangnan University), Wuxi 214122, Jiangsu, China;
3. Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Material of Jiangsu Colleges, Suzhou 215009, Jiangsu, China
近年来，不断遭到外界干预的氮循环已对人类生产生活造成恶劣的影响[1]，致使生态失衡、水环境破坏等，大规模蓝藻爆发的太湖水危机事件便是典型后果[2-3].目前，以活性污泥工艺为主体的污水处理系统能够实现无机氮(iorganic nitrogen，IN)的稳定且高效去除[4]，然而，大部分DON仍残存于污水中.Liu等[5]研究表明排入某些敏感水域自然水体的污水，含氮污染物90%以上为DON，Brandão等[6]研究指出当污水处理厂出水总氮实现超低水平(＜3 mg/L)，DON便成为主要污染组分(＞2.8 mg/L).随着中国工业化的迅猛发展，含氮有机污染物被大量排入市政污水管网，有机氮的去除效率成为制约污水处理厂出水总氮水平进一步提高的瓶颈点.
目前，污水中溶解性有机氮的分布和转化特性研究是其关注热点，亦是提高其去除效率的关键.DON为包含各种含氮官能团的化合物, 主要有NH类、氨基类、腈类、嘌呤、嘧啶和硝基化合物等，通常指通过0.45 μm无机滤膜的含氮有机化合物，常采用分子质量、来源和含氮有机物极性等划分标准进行描述[7].基于此，Pehlivanoglumantas等[8]量化了污水中部分有机氮物质如溶解性结合氨基酸(dissolved combined amino acids，DCAA)和溶解性游离氨基酸(dissolved freed amino acids，DFAA)等；Keller等[9]的研究发现污水处理厂出水中58%~66%的DON分子质量低于1 800 u，相对低分子质量的物质在出水DON中占比较大；Qin等[10]的研究指出污水处理厂出水中64.0%~72.2%的DON为亲水性化合物，该特性或是其难以实现极限去除的原因所在；三维荧光光谱技术已经成功地应用到环境水体中溶解性有机物的识别和解析[11]，Chen等[12]提出的荧光区域积分方法可以相对定量地解析荧光光谱，因此，应用此技术来解析污水中具有荧光特性有机氮物质是较为可行的.污水生物处理过程中DON的分布和转化规律研究相对较少，其在污水处理过程中的行为表征也鲜有研究.因此，可依托特定含氮化合物、分子质量分布、亲疏水性分级及三维荧光光谱结合荧光区域积分等研究方法初步探究太湖流域典型城镇污水处理厂中溶解性有机氮的分布及转化规律，从而对其性质有较为深入的了解，便于后续强化去除技术的开发与应用.
为此，基于长期水质监测，获取典型城镇污水处理厂二级出水氮组分和DON季节性特征，并于4个不同月份取得WX-A工艺沿程水样完成DON的相关表征，并将荧光区域积分方法成功应用于含氮物质荧光光谱的解析，阐明其在污水处理过程中的迁移和转化状态，研究结果对探讨污水处理过程中总氮的强化去除具有指导意义，以期为污水处理厂实现总氮超低排放奠定基础.
1 实验 1.1 污水处理厂基本信息及样品采集选取位于无锡市的4座典型城镇污水处理厂为对象，依次编号为WX-A、WX-B、WX-C和WX-D，完成连续9个月的水质监测，污水处理厂基本信息如表 1所示.出水标准为《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB32/1072—2018).
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表 1 污水处理厂基本信息 Tab. 1 Basic information of WWTPs |
为研究出水DON的季节性波动，采样周期设置为2017年12月—2018年8月，取样频率为2~3次/月.并分别于2017年12月、2018年3月、2018年6月和2018年8月从WX-A工艺沿程(进水、厌氧区、缺氧区、好氧区、MBBR、出水)中采集样品.所有水样取3份平行样品，经0.45 μm玻璃纤维膜过滤后保存在聚乙烯容器内，并存储于4 ℃，待测.
1.2 水质分析采用以下方法完成指标测定：总氮(TN), 碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；氨氮(NH3), 纳氏试剂比色法；硝氮(NO3-), 麝香草酚分光光度法；亚硝氮(NO2-), N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；总有机碳(TOC)采用国标法测定.
DON(mg/L)的测定方法为STN差减溶解性无机氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)[13]，即
| $ \begin{array}{l} \rho \left( {{\rm{DON}}} \right) = \rho \left( {{\rm{STN}}} \right) - \rho \left( {{\rm{DIN}}} \right) = \rho \left( {{\rm{STN}}} \right) - \\ \rho \left( {{\rm{NO}}_{\rm{3}}^{\rm{ - }}} \right) - \rho \left( {{\rm{NO}}_{\rm{2}}^{\rm{ - }}} \right) - \rho \left( {{\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}} \right). \end{array} $ | (1) |
采用Agilent1260高效液相色谱仪测定未水解样品中的DFAA以及水解后溶解性总氨基酸(dissolved total amino acids，DTAA).DFAA预处理过程为用等体积10%(质量分数)的三氯乙酸稀释，记录稀释倍数，过膜离心，取上清液于液相样品瓶.DTAA预处理过程为在水解管中量取1 mL水样样品，加入1 mL浓盐酸，再加入6 mL 6 mol/L HCl，保证总体积为8 mL，HCl浓度为6 mol/L，充N2、封管，离心并装入液相样品瓶[14].DCAA值取自DTAA和DFAA差值.
1.4 分子质量分级0.3~0.45 MPa的氮气压力下，400 mL水样通过具有不同分子质量截留值(30 ku，10 ku，5 ku，3 ku和1 ku)的超滤膜进行逐层加压过滤.使用Lee和Westerhoff提出的方法计算各分子质量范围内DON的占比[15].
1.5 亲疏水性分级首先用6 mol/L盐酸溶液将水样pH调至2.然后将水样依次泵入串联的XAD-8和阴离子交换树脂柱，控制流速为1 mL/min，阴离子交换树脂的作用为吸附无机氮组分，其流出溶液为亲水性DON，然后将串联的XAD-8和阴离子交换树脂柱分离开，采用0.1 mol/L的NaOH溶液对XAD-8树脂柱进行反冲，控制流速为0.5 mL/min，反冲溶液为疏水性DON[16].亲疏水性组分的总体回收率为95.3%~114.1%.
1.6 荧光光谱及其解析待测样品首先需要进行预处理，用超纯水将总有机碳稀释至10 mg/L以下.采用的仪器为三维荧光光谱仪(Hitachi F-7000，日本)，设置激发波长(Ex，λEx)范围为200~400 nm，发射波长(Em，λEm)范围为280~500 nm，Ex和Em的间隔均为10 nm，仪器扫描速度设定为12 000 nm/min[17].
采用荧光区域积分(fluorescence regional integration，FRI)方法解析光谱.划分光谱图为5大基本区域(表 2)[12].代表有机氮化合物的各个及总体区域的标准体积计算公式如下[18]：
| $ {{\Phi }_{\text{i, n}}}={{F}_{\text{Mi}}}{{\Phi }_{\text{i}}}={{F}_{\text{Mi}}}\sum{\sum{I\left( {{\lambda }_{\text{Ex}}}{{\lambda }_{\text{Em}}} \right)}}\Delta {{\lambda }_{\text{Ex}}}\Delta {{\lambda }_{\text{Em}}}, {{\Phi }_{\text{T, n}}}=\sum{{{\Phi }_{\text{i, n}}}} $ | (2) |
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表 2 荧光区域的λEx/λEm Tab. 2 λEx/λEm of fluorescence regions |
式中：ΔλEx为激发波长间隔(10 nm)，ΔλEm为发射波长间隔(10 nm)，I(λExλEm)为各个激发发射波长区域的荧光强度，FMi为倍增因子，相当于各荧光区域面积与总荧光区域面积比值的倒数.
荧光响应百分比(Pi, n, %)按照下式计算：
| $ {P_{{\rm{i, n}}}} = {\Phi _{{\rm{i, n}}}}/{\Phi _{{\rm{T, n}}}} \times 100\% $ | (3) |
4座污水处理厂二级出水DON质量浓度如表 3所示.含氮污染物以溶解态为主，STN与TN比高达97.66%~99.22%，而DON与STN比为21.88%~26.15%，DON平均质量浓度范围为2.7~3.4 mg/L，这与Pagilla等[19]有关DON污染水平的研究结果较为一致.污水中无机氮(NO3--N等)的理化特性和强化去除研究已较为深入[20-21]，相较之下，溶解性有机氮的研究尚不深入，其在污水中的分布和转化过程亦不明确.出水DON质量浓度的季节性变化规律如图 1所示(冬季2017/12，夏季2018/8)，冬季期间DON的波动范围为3.5~4.2 mg/L，夏季为1.7~2.7 mg/L，表明冬季低温环境一定程度上抑制了微生物活性，进而可能降低了有机氮的氨化效率[22].初期监测中发现，WX-A的DON质量浓度水平相对较高，因此，基于WX-A开展DON分布和转化特性研究.
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表 3 二级出水氮组分 Tab. 3 Nitrogen components of secondary effluent from WWTPs |
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图 1 DON季节变化特性 Fig. 1 Seasonal variation of DON concentration |
工艺沿程中DON的质量浓度变化如图 2所示.进出水DON平均质量浓度分别为9.1，3.5 mg/L，WX-A现有工艺能够去除进水中60%的DON，且经回流比核算可知DON最明显的去除过程均发生在厌氧池，后续处理单元中DON的质量浓度几乎不变.Pehlivanoglu等[23]研究指出赋存于二级出水中的DON，约10%源于进水中的不可氨化有机氮，其余90%则是微生物代谢副产物，例如氨基酸与核酸等[24].探究二级出水中的DON是源于污水本身还是微生物代谢活动，以便确定工艺运行参数或采取强化去除措施，进而降低其出水质量浓度水平.
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图 2 工艺沿程DON质量浓度变化 Fig. 2 Variation of DON concentration along the wastewater treatment process |
DCAA和DFAA是污水中较为典型的溶解性有机氮[25].如图 3所示，经过生物处理，进水中DCAA及DFAA浓度分别削减了40%和66%.DCAA在进水和二级出水中物质的量范围分别为17.2~20.1和8.01~13.7 μmol，其在进水和二级出水DON中的占比依次为2.75%~2.99%和4.25%~5.69%，DFAA在进水和二级出水中的物质的量范围分别为5.75~5.92和0.9~4.2 μmol，其在进水和二级出水DON中的占比依次为0.78%~1.01%和0.39%~1.07%，WX-A工艺沿程中DCAA的浓度明显高于DFAA，这与Confer的研究结果一致[26-27].污水中氨基酸的含量分布规律与季节的关联性较小，并且其含量水平可能与微生物代谢活性、进水氨基酸水平等相关[28].游离态的氨基酸属于绝大部分小分子有机氮化合物, 因其具有较好亲水性而不易去除[29].微生物能够通过代谢增殖过程将易降解的氨基酸合成自身蛋白质，因此，推测出水中赋存的氨基酸是微生物代谢产物[30].工艺沿程中DFAA组分的变化如图 4所示，共检测到17种氨基酸，这与黄满红等[31]研究的污水中氨基酸组分相似，进出水DFAA总质量浓度范围分别为10.08~10.2，5.94~3.21 mg/L，且均以异亮氨酸、天冬氨酸和谷氨酸为主，推测该3种氨基酸在微生物代谢活动中发挥重要作用.氨基酸组分及浓度波动性较大，可能与微生物代谢活动的活跃程度有关.
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图 3 工艺沿程氨基酸变化 Fig. 3 Variation of amino acid concentrations along the wastewater treatment process |
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图 4 工艺沿程DFAA组分变化 Fig. 4 Variation of DFAA components along the wastewater treatment process |
工艺沿程中DON的分子质量分布如图 5所示.进水、厌氧池、缺氧池、好氧池、MBBR和出水中＜3 ku的DON组分平均占比分别高达59%、57%、71%、69%、67%和82%，表明WX-A工艺沿程中的大部分DON分子质量低于3 ku，而在MBBR工艺段中，高于30 ku的DON被微生物降解为低于3 ku的化合物.
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图 5 工艺沿程DON分子质量分布 Fig. 5 Molecular weight distribution of DON along the wastewater treatment process |
Pagilla等[32]研究发现低分子质量(＜3 ku)DON以尿素、氨基酸、DNA、多肽以及多种合成化合物等组分为主，高分子质量(＞3 ku)DON则以富里酸和腐殖酸等组分为主，且活性污泥工艺能够有效去除低分子质量DON，而无法实现高分子质量DON的彻底去除[33].低分子质量DON(＜3 ku)在出水中占比较大，无法被活性污泥工艺高效去除，其原因可能是污水处理过程中衍生出来的低分子微生物代谢产物等赋存在污水中，难以被进一步降解去除[8]，而高分子质量DON(＞3 ku)可以进一步被微生物降解利用，其在出水DON平均占比低于20%.
2.5 WX-A污水处理厂AAO-MBBR工艺出水亲疏水性分布DON的亲疏水性分布如图 6所示.亲水性DON为主要组分，平均占比为79.2%，这与Liu等[5]的研究结果保持一致，推测是由于疏水性DON更易被微生物所吸收和利用，而亲水性DON与活性污泥絮体表面的亲和力较小而利用度较差[34].污水处理厂出水DON以亲水性为主的特性，使得常规污水处理工艺难以实现其高效去除.此外，研究发现亲疏水性DON的碳氮比分别为5.7±2.3和15.7±4.5，亲水性DON相对较低的碳氮比也说明其不易被微生物利用，推测该部分含有不可氨化蛋白质等难生物降解的物质[35].
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图 6 出水DON亲水性和疏水性组分 Fig. 6 Hydrophilic and hydrophobic fractions of effluent DON |
利用三维荧光光谱结合荧光区域积分的方法，研究污水中DON的降解和转化特性[36].图 7为2018年8月期间工艺沿程中溶解性有机氮的三维荧光谱图.进出水中具有荧光特性的溶解性有机氮种类较多、荧光强度较高；且进入生物单元后，区域Ⅱ(酪氨酸类蛋白质)和区域Ⅳ(溶解性微生物代谢产物)等主要有机氮组分的荧光强度都出现明显降低，与前述厌氧池中有机氮含量显著降低相互印证.缺氧池和好氧池中各区域的荧光强度均较低，推测是具有荧光特性的有机氮被微生物同化为自身蛋白质[37]；MBBR池的荧光强度有所增强，可能是由于MBBR池较长的污泥停留时间(sludge retention time，SRT)导致部分活性污泥解体，释放出大量的微生物代谢产物[38].
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图 7 工艺沿程DON荧光光谱 Fig. 7 EEM of DON along the wastewater treatment process |
荧光响应百分比(Pi, n, %)分布如图 8所示.进出水中区域Ⅰ(色氨酸类蛋白质)、区域Ⅱ(酪氨酸类蛋白质)、区域Ⅲ(富里酸类有机物)、区域Ⅳ(溶解性微生物代谢产物)、区域Ⅴ(腐殖酸类有机物)的荧光响应百分比(Pi, n)依次为6.2%，31.2%，11.1%，45.3%，6.2%和2.1%，22.2%，17.2%，45.2%，13.3%，表明进水的溶解性有机氮以酪氨酸类蛋白质和溶解性微生物代谢产物为主要组分，总占比达76.5%，出水中主要的有机氮组分为微生物代谢产物，其他荧光区域占比较均匀，表明大分子蛋白质在生物处理过程中被逐步降解为小分子化合物(氨基酸等)[39].进出水中区域Ⅱ和区域Ⅳ的荧光区域标准体积的去除率分别为77.0%和23.7%，进一步表明活性污泥工艺无法实现低分子有机氮的高效去除，与前述低分子质量DON在出水中占比较大，无法被活性污泥工艺高效去除相互印证.
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图 8 工艺沿程荧光响应百分比 Fig. 8 Distribution of fluorescence response percentage along the wastewater treatment process |
1) 太湖流域城镇污水处理厂出水DON与STN比为21.88%~26.15%，DON平均质量浓度为2.7~3.4 mg/L，DON季节性变化规律为冬季质量浓度高于夏季；WX-A工艺沿程中DCAA的质量浓度明显高于DFAA，进出水DFAA总质量浓度分别为10.08~10.2, 5.94~3.21 mg/L，且均以异亮氨酸、天冬氨酸和谷氨酸为主.
2) WX-A工艺沿程中的大部分DON分子质量低于3 ku，而在MBBR工艺段中，高于30 ku的DON被微生物降解为低于3 ku的化合物；亲水性DON为主要组分，平均占比为79.2%.
3) 进出水中区域Ⅰ(色氨酸类蛋白质)、区域Ⅱ(酪氨酸类蛋白质)、区域Ⅲ(富里酸类有机物)、区域Ⅳ(溶解性微生物代谢产物)、区域Ⅴ(腐殖酸类有机物)的荧光响应百分比依次为6.2%，31.2%，11.1%，45.3%，6.2%和2.1%，22.2%，17.2%，45.2%，13.3%，进水的DON以酪氨酸类蛋白质和溶解性微生物代谢产物为主要组分，总占比达76.5%，出水的主要组分为微生物代谢产物，其他荧光区域占比较均匀，荧光光谱结合区域积分分析证明活性污泥工艺无法实现低分子有机氮的高效去除.
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