厌氧产甲烷反应器运行过程的三维荧光光谱的解析

厌氧产甲烷反应器运行过程的三维荧光光谱的解析

张二杨,李卫华,申慧彦,刘怡心,薛同站

(安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥230022)

摘要：结合平行因子法研究了厌氧产甲烷反应器的出水三维荧光光谱特征,研究结果表明,正常运行状态下反应器的荧光物质为蛋白质、辅酶NADH、辅酶F420。当反应器的底物浓度突然增加时,反应器出水的荧光光谱亦发生改变,辅酶F420荧光强度显著降低,反应器出水中的荧光组分以色氨酸、酪氨酸和辅酶NADH为主,表明产甲烷反应受到了抑制。平行因子法解析得到的荧光强度得分与荧光物质的相对浓度成正比,荧光物质种类和浓度的改变可以用来表征反应器运行的状况。因此,三维荧光光谱可以反映反应器处理过程中荧光物质种类和含量等信息,并可为污水处理过程有效监控提供快速分析方法。

关键词：厌氧产甲烷;平行因子法;三维荧光;蛋白质; 辅酶F420

收稿日期：2014-10-23

基金项目：国家自然科学基金(51378017) 、安徽省高校省级自然科学研究基金(KJ2013B062)。

作者简介：张二杨(1989-),男,硕士研究生,主要研究方向:废水生物处理。

中图分类号：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

随着社会经济的发展,环境问题和能源问题愈发引起人们的广泛关注,厌氧生物技术具有耗能少并能回收部分能源等特点,因而日益受到人们的重视,在处理高浓度有机废水方面具有重要的意义[1-2]。产甲烷的过程决定了厌氧处理效果的好坏,在厌氧生物反应器中,产甲烷菌的活性决定了厌氧产甲烷过程的成败,因此产甲烷过程的研究控制是厌氧生物技术研究的内容之一。由于高浓度的有机废水复杂多变,并且含有多种有毒有害物质成分,有毒有害物质会影响产甲烷菌的活性,在厌氧发酵过程中,挥发性脂肪酸(VFA)是厌氧发酵过程中的重要中间产物,累积过多会对产甲烷菌产生抑制作用,而出水中蛋白质、化学需氧量(COD)、残留底物浓度变化可以反映反应器的运行状况[3]。目前,监控产甲烷反应器的方式主要是监测产气组成,VFA的含量或者出水COD的含量。但是这些指标的测定通常分析时间长,并且需要消耗大量化学试剂和能源,难以及时来获取相关的实验数据和了解反应器的运行状况。

荧光光谱法具有快捷、高灵敏度、高准确性等特点,并可节省化学试剂的使用而逐渐成为生物反应器监测和分析的重要手段[3]。荧光光谱法是不断通过改变激发波长从而得到在不同波长下的三维光谱信息,对应于特定的荧光物质对应着特定的光谱信息[4]。在厌氧产甲烷过程中,辅酶F420是产甲烷菌代谢过程中所独有的物质,其作用是作为低电位转移载体,据研究者报道辅酶的活性与产甲烷菌在数量和时间上有着相同的变化规律[5]。它可以在420nm的波长入射光下激发出470nm的荧光,辅酶F420的荧光得分可以作为评价产甲烷活性的指标[6],这一特点可以监测产甲烷菌的生长状况。目前国内外主要利用三维荧光来分析城市污水的有机污染物的变化规律,以及给水水质的光谱研究[7-9]。但是,常温下荧光光谱较宽,不同组分的激发光谱和发射光谱相互重叠,无法用常规的方法直接测定。平行因子法能够解析三线性数据矩阵,在三线性分解理论的基础上,通过采用交替最小二乘算法(ALS)来建立解析模型,预测底物的浓度[10]。 解析后可以使重叠的荧光峰分离出来得到激发光谱矩阵、发射光谱矩阵和得分矩阵。荧光物质通过激发光谱矩阵和发射光谱矩阵来定性分析。在荧光物质浓度较低的情况下,荧光物质的浓度正比于荧光物质的得分矩阵。平行因子法现广泛应用于分析水体的溶解性有机物(DOM)和物质成分的特性研究[11-13]。

本文比较了不同进水条件下反应器出水水质的变化,并采用平行因子法来解析了厌氧产甲烷反应器的出水荧光光谱,为监测厌氧生物反应器的运行提供可靠的方法。

1实验部分

1.1反应器状况

厌氧生物反应器由双层有机玻璃加工而成,外部为恒温水浴夹层区,内部分为沉降区和反应区,反应区的有效体积为2.0L,沉降区有效容积为2.5L,内置一个气、固、液三相分离器。反应器由温度控制器、恒温水浴夹层和恒温水浴共同维持恒温。

接种厌氧污泥来自经开区污水厂的厌氧池,接种污泥量占反应器有效容积的30%,接种后污泥浓度为7.1g/L,通过实验控制蠕动泵的流速对反应器进行连续进水,使反应器的水力停留时间为24h。

反应器进水采用已配制好的蔗糖浓缩液,浓缩液的浓度为400g/L,配制反应器的进水时,取250ml浓缩液稀释至20L。新配制的进水用冰柜在4℃下保存,以减少反应器酸化带来的影响。进水碱度为2.5g/L左右,以维持足够的碱度,依据出水pH值调节NaHCO3的量,进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水样的预处理

反应器的出水经12000r/min离心5min后,经0.45 μm滤膜过滤后取其上清液,滤出液采用去离子水稀释处理后进行荧光测定。

1.3三维荧光光谱测定的条件与处理方法

样品的三维荧光光谱的测定是利用F7000荧光分光光度计(日本的日立公司)测量,激发波长范围为250～450nm,发射波长范围为300～550nm,激发波长和发射波长间隔分别为5nm和5nm。设置的仪器测量参数为:激发光和发射光的光谱带宽为5nm,扫描速度为1200nm/min,响应时间设为自动。在荧光出射光一侧添加290nm截止滤光片,消除荧光光谱图上出现二次瑞利散射。样品三维荧光光谱图采用MATLAB7.0软件绘制[3]。

1.4平行因子法的数据处理

将测得的水样荧光数据与蒸馏水的荧光数据相减,去除瑞利散射和拉曼散射的影响,并且将瑞利散射置零,后在MATLAB7.0软件平台上转化为矩阵文件进行处理[14]。

2结果与讨论

2.1反应器的运行过程

反应器运行一个月后开始取样,当进水的COD由2500mg/L突然上升到5000mg/L,后进水浓度一直保持在5000mg/L。反应器出水中COD浓度、糖的浓度,VFA浓度均发生了变化。

反应器中出水COD和糖浓度的变化如图1(a)、(b)、(c)取样的第19天进水糖的浓度提高到5000mg/L,反应器第20天出水的VFA浓度由307mg/L上升到440mg/L,COD浓度有542mg/L上升到2774mg/L,糖的浓度由455mg/L上升到2024mg/L。糖浓度急剧上升后,而后趋于平稳,说明反应器受到冲击后微生物的活性受到抑制后,存在一个过渡期。

挥发性脂肪酸变化如图1(c)所示,当进水浓度糖的浓度上升到5000mg/L时,VFA的量先上升后下降趋于平稳。VFA的积累会抑制反应器中产甲烷菌的活性,从而降低了反应器的处理效果。

2.2反应器运行过程中的平行因子法解析结果

当进水糖的浓度为2500mg/L时,将产甲烷反应器的出水用平行因子法解析后得到三个主成分,主成分1的荧光中心λex/em=280/340nm,主要是蛋白质的贡献,荧光强度较强。 主成分2荧光中心为λex/em=340nm/430nm,主要是辅酶NADH的贡献,荧光强度较弱。主成分3荧光中心λex/em=420/470nm,主要是辅酶F420的贡献,荧光强度中等。

当进水糖的浓度为5000mg/L时,将反应器的出水进行平行因子法分析后,得到三个主成分,主成分A的荧光中心λex/em=280/350nm,主要是色氨酸的贡献。主成分B的荧光中心λex/em=270/304nm,主要是酪氨酸的贡献。主成分C的荧光中心λex/em=340nm/430nm,主要是辅酶NADH的贡献。

由图2可知当进水浓度增加后,反应器进出水的荧光区发生改变,浓度变化后辅酶F420的荧光强度明显减弱,辅酶NADH峰荧光强度增强。可能的原因是底物浓度增加后反应器受到一定的冲击负荷,产甲烷菌死亡,细胞内的NADH和蛋白质溶出造成NADH荧光和蛋白质的荧光强度的突然增加,在生物氧化过程中,辅酶NADH通过电子传递链从而将电子传递给辅酶F420,产甲烷菌受到底物浓度的冲击而受到抑制,所以辅酶NADH会积累[14]。由于产甲烷菌受到抑制,所以辅酶F420的荧光强度会明显减弱。此外,底物浓度较低时,出水的色氨酸和酪氨酸荧光光谱相互重叠且荧光强度较低,所以难以用平行因子法解析出来。底物浓度增加后,色氨酸和酪氨酸的荧光峰明显增强。可能原因是进水管由于底物浓度增加后逐渐长出了絮状膜,使进水管的流量减小,反应器的传质受到影响出现盲区。微生物由于缺乏底物而大量的死亡,导致色氨酸和酪氨酸的大量溶出。

在低浓度下荧光强度得分与荧光物质浓度成正相关性[16]。由图3(d)和图4(d)可知,在反应器运行的第19天进水的底物浓度发生了改变,反应器运行的第20天,色氨酸和酪氨酸的荧光的得分突然增大,辅酶NADH的荧光得分也显著增加,同时辅酶F420的荧光峰消失了,反应器受到了一定的冲击,待产甲烷菌的产甲烷能力恢复后,辅酶NADH色氨酸和酪氨酸的荧光得分又逐渐减小而后趋于稳定。进一步说明荧光光谱可以作为监测厌氧反应器的荧光物质种类和相对浓度变化的重要手段。

3结论

(1)正常运行条件下,从三维荧光光谱图中得出厌氧反应器出水中荧光物质主要为蛋白质、辅酶NADH、辅酶F420。底物浓度增加后,出水的荧光光谱发生改变,出水的荧光光谱发生改变,平行因子法解析后荧光物质为辅酶NADH、色氨酸、酪氨酸。此外,辅酶NADH荧光强度增加,辅酶F420荧光强度显著减少,色氨酸和酪氨酸的荧光强度亦显著增加,产甲烷反应受到了抑制。说明三维荧光光谱结合平行因子法能够监测反应器中荧光物质种类及相对浓度变化,为快速有效监控反应器的运行状态提供了新的分析手段。

(2)底物浓度增加后,反应器出水的COD和残余底物的蔗糖浓度先显著增加后逐渐减少,VFA浓度先增加后趋于平稳。原因是反应器受到外界冲击负荷的影响,产甲烷过程受到抑制,无法将COD和VFA降解,待抑制解除后产甲烷能力恢复,COD浓度和糖的浓度减少,VFA浓度趋于平稳。

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