近年来畜禽养殖业发展迅速，其产生的废水中含有高浓度的有机物、氮、磷等，具有成分复杂、水质波动大、气味恶臭等特点，传统工艺难以处理达标排放。利用藻菌共生体处理废水，可将藻类对氮、磷等营养物的摄取同化能力与细菌对污染物的好氧代谢能力相结合，使两类生物之间产生协同作用。采用基于藻菌共生体−膜耦合技术可以实现污水中碳、氮、磷的高效脱除，并回收氮、磷等资源。而将电场预处理与该工艺结合则可进一步提升其处理效果，但与此同时，膜污染成为限制其进一步拓展和应用的关键问题之一。
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。而溶解性微生物产物（SMP）的黏附能力是污泥颗粒与膜接触的3700倍，与沉积于膜面的絮体等物质之间相互黏附，可加剧膜污染，可见EPS是造成膜生物反应器中膜污染的重要原因。此外，Felz等发现EPS与水可以形成稳定的水凝胶，而金属离子的存在则会影响EPS的凝胶机制，如厌氧颗粒污泥的EPS会与Cu2+形成络合物，从而影响生物膜的稳定性。EPS与金属离子在膜污染中均起到重要作用，要控制膜污染，除了研究有机污染外，还需研究EPS与金属离子结合后产生的膜污染情况。研究发现经过电场预处理后，铁、铝电极对藻菌共生体分泌的EPS产生一定的抑制作用，且对膜污染也会有影响。李久义等研究发现，随着Fe3+的加入，EPS中的铁离子含量越来越高，而一价、二价阳离子的含量却越来越低，这不仅说明铁离子与EPS具有较强的亲和能力，也说明在EPS中存在离子交换作用。
目前针对铁离子与EPS的相互作用对膜污染机制的研究较少，两者对藻菌体系的膜污染机制影响尚不清楚。为此，拟考察不同浓度的三价铁离子对藻菌共生体分泌EPS以及膜污染的影响，为藻菌−膜耦合技术用于废水处理提供理论支持。
1、试验材料及方法
1.1 试验材料与设置
藻菌共生体系具有高效脱氮除磷能力，本试验搭建了培养藻菌共生体的反应装置（见图1），装置由铝架、LED灯、玻璃管、空气压缩泵、玻璃管和导气管组成。为防止藻菌生物量流失，维持反应器内稳定有效的藻菌共生体系，加入膜技术以将水力停留时间和污泥停留时间分离，达到更高的生物量和处理负荷，进一步强化对污水的高效处理和资源回收利用。为深入了解铁离子与藻菌共生体EPS的相互作用对膜污染的影响，采用模拟废水以排除其他因素干扰。水质指标参考课题组经电场预处理后的畜禽养殖废水，COD、NH4+-N、TP、PO43--P分别为（1000±35.35）、（552.92±14.58）、（70.50±6.87）、（64.50±3.87）mg/L，pH为7.56±0.01。
首先，取培养好的小球藻和活性污泥分别在4000r/min下离心10min，按照干质量比为1∶5（0.3g/L小球藻和1.5g/L活性污泥）将小球藻和活性污泥接种到模拟废水中，启动反应器，培养藻菌共生体，试验温度为室温25℃，光照度设定为4000lx，明暗周期比为12h∶12h。反应器稳定后提取EPS。最后，在混合液及提取的EPS组分中加入FeCl3，使Fe3+浓度分别为0、15、40、60、150mg/L（记作A~E组）。此外，为使Fe3+与EPS充分混合，每组均在加入FeCl3后搅拌30min，再进行超滤试验。
1.2 试验方法
1.2.1 EPS提取
藻菌体系EPS采用三步热提取法提取，分别得到溶解性微生物产物（SMP）、松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）、紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）。提取后的剩余沉淀物用0.05%的NaCl悬浮至原始体积，记为微生物絮体残渣（MFR）。
1.2.2 恒压过滤试验
采用有效体积为200mL的超滤杯（MilliporeAmicon8200），在过滤压力为20kPa、磁力搅拌转速为300r/min的条件下进行恒压过滤。PVDF平板超滤膜（SINAP）的孔径为0.1μm，截留分子质量约为100ku，有效过滤面积为28.3cm2。由氮气瓶提供过滤压力，过滤料液从超滤杯上端进入，过膜后流入天平上的烧杯中，电子天平与计算机超级终端连接，每10s记录一次质量变化，再将其换算为膜通量的变化。试验过程中超滤液体积为80mL，SMP、LB-EPS、TB-EPS、MFR组分的平均用时分别为1560、588、446、454s。在超滤试验开始前，对新膜片进行预清洗处理，用纯水预压至纯水通量稳定。
1.3 分析方法
结合Hermia理论的4种经典膜污染模型对膜通量衰减曲线进行线性拟合分析，包括：完全堵塞、标准堵塞、中间堵塞、滤饼层堵塞。采用苯酚-硫酸法测定多糖含量，蛋白质和腐殖酸的含量用改进Lowry法测定。
使用HitachiF-7000荧光光谱仪，结合三维荧光平行因子分析法分析EPS各组分荧光物质成分。膜面物质使用FTIR-7600红外光谱仪进行测定。
2、结果与讨论
2.1 膜通量变化曲线
A、B、C、D、E等5组混合液的归一化膜通量曲线见图2，它反映了膜通量和滤液体积的变化情况。可知这5组的归一化膜通量曲线随着时间的增加都表现出下降的趋势，A、B、C组的膜污染依次减轻，而D、E组的膜污染则依次加重。Mehrnia等研究认为铁离子会吸附EPS，在细胞和絮状物之间产生阳离子架桥作用，增强絮体的强度，在膜面上形成更多的多孔饼层来减轻膜污染。而D、E组出现膜污染加重的情况可能是因为投加的铁离子浓度过高，出现了胶体再稳现象。在这5组浓度下，C组的膜污染减轻效果最佳。
图3为SMP、LB-EPS、TB-EPS及MFR的归一化膜通量衰减情况。可以发现在SMP、TB-EPS组分中A、B、C、D四组呈现出膜污染依次减轻的趋势，而E组的最终归一化膜通量介于B组与C组之间，出现了膜污染突然加重的现象。其次，在LB-EPS组分中，A、B、C、D、E五组的最终归一化通量越来越大，膜污染程度依次减轻。在MFR中，A、B、C、D、E五组的膜通量衰减情况为：从A组到B组，最终归一化膜通量显著增大，膜污染明显减轻，但在之后，随着铁离子浓度的增大，最终归一化膜通量反而不断减小，膜污染加重。
Ma等研究了Fe3+对膜污染的影响，发现在低剂量时膜污染加重，高剂量时膜污染减轻。从各EPS组分的衰减曲线可知投加的铁离子浓度存在临界点，在临界点前膜污染随着铁离子浓度的增大而减轻，临界点后膜污染则随着铁离子浓度增大而加重。SMP、TB-EPS、MFR都出现了以铁离子浓度为临界点产生不同程度膜污染的情况，由此可得铁离子浓度临界值应在40~60mg/L之间。
2.2 膜污染模型拟合
为了深入研究膜污染机理，利用膜污染模型进行拟合，表1显示了4种组分的模型拟合结果。
在SMP中，A组以标准堵塞模型为主，而B、C、D、E组均是对滤饼层模型拟合度最好，其中D组的滤饼层拟合R2高达0.9938。在LB-EPS中，A、B、C、D、E组随着铁离子浓度的增加，先是以滤饼层模型为主，然后变成以标准堵塞模型、中间堵塞模型及滤饼层模型为主，最终变成以中间堵塞和滤饼层模型为主。在TB-EPS中，中间堵塞模型和滤饼层模型的拟合度均很高，其中滤饼层模型的拟合度几乎无变化，最终TB-EPS的拟合模型以标准堵塞模型、中间堵塞模型及滤饼层模型为主。在MFR中，从A组到E组，完全堵塞模型的拟合度有明显增大，MFR在四个模型均有较高的拟合度。
2.3 EPS成分分析
分别测定了各组提取的EPS在超滤前、后的组分及含量，结果见图4，因为EPS的主要组分为多糖、蛋白质和腐殖酸，所以用三者之和代表EPS的总含量。从EPS组分的总量来看，投加不同浓度铁离子组在超滤前后存在显著差异，在SMP中A、B、C、D组的截留量有序增加，而E组的截留量则突然减小，这种情况与膜通量的衰减曲线一致。在LB-EPS和TB-EPS中，均在B组有最好的截留效果。Lu等发现EPS的主要成分是蛋白质和多糖，腐殖酸的含量则较少。从单一组分的含量来看，在超滤前蛋白质均是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。其中每一组中截留量最大的也均为蛋白质，这表明蛋白质是超滤膜的主要污染物。
为了更加清楚地了解铁离子与EPS各组分相互作用对有机物的影响，对各组超滤前后的三维荧光数据采用平行因子分析法进行主成分分解，确定3组分为最适模型。三维荧光和响应值测定结果显示，组分1分别在激发/发射波长（λEx/λEm）为200nm/290nm和260nm/290nm处出现峰值，其荧光特性与酪氨酸类蛋白质类似；组分2出现峰值的激发/发射波长为220nm/340nm，荧光特征与色氨酸类蛋白质相似；组分3出现峰值的激发/发射波长在250nm/450nm处，表示腐殖酸类物质。
最大荧光强度值（Fmax）可表现荧光物质的相对浓度，对比各组Fmax值（见图5），各组SMP、LB-EPS、TB-EPS的主要荧光物质均以酪氨酸类蛋白质为主，经过超滤后，主要下降的物质为酪氨酸和色氨酸类蛋白质，说明这两者是被超滤膜截留的主要蛋白质成分。
如表2所示，在SMP中B、C、D组超滤后的铁离子浓度均很低，接近0，而E组的铁离子浓度突然增加；在LB-EPS、TB-EPS、MFR三个组分中呈现出相似的现象，超滤前后铁离子的变化量改变不大，甚至在LB-EPS及TB-EPS中几乎无变化。
有研究指出多糖与铁容易生成稳定的络合物，张海丰等认为将Fe3+加入混合液中后，会迅速形成氢氧化铁沉淀，未形成氢氧化铁的Fe3+可与EPS发生电中和、架桥作用。对比SMP、LB-EPS、TB-EPS、MFR超滤后三价铁离子的截留量，推测在SMP、LB-EPS、TB-EPS中，一部分铁离子与多糖、蛋白质结合形成络合物，另一部分由于电中和及吸附架桥作用分布于溶液中，结合上文所述EPS中SMP的含量最高，进一步推测可能是SMP中可结合的多糖、蛋白质更多，因此当铁离子浓度在E组水平时，超过了铁离子可结合的临界值，因此超滤后铁离子浓度出现突然增加的情况，而LB-EPS、TB-EPS、MFR中与三价铁离子作用的物质有限，因此三价铁离子的截留量几乎无变化。
2.4 膜面化学组分表征
膜片的FTIR光谱如图6所示。由于B、C、D、E的FTIR光谱相似，因此只展示了A组与D组。3280和2930cm-1处的峰分别与羟基（—OH）和碳氢单键（C—H）的拉伸振动有关，1050cm-1处的峰代表的是碳氧单键（C—O），反映了多糖类物质的存在。1650和1550cm-1处的峰分别与蛋白质物质的碳氧双键（C=O）和氮氢键（N—H）拉伸振动有关，这对应氨基酸缩合方式组成的蛋白质类物质的多肽链结构。在870cm-1处的峰对应于—CH2化学键的拉伸振动。此外，LB-EPS、TB-EPS在1650和1550cm-1处的吸光度明显大于SMP，说明SMP被截留的多糖类物质更多，而LB-EPS和TB-EPS中被截留的主要是多糖类和蛋白质类物质。
由图6还可知，D组的SMP、LB-EPS、TB-EPS光谱图的波峰强度相较于A组有所减弱，这说明D组SMP、LB-EPS、TB-EPS的化学官能团丰度降低了。Nishikawa等人在使用FTIR光谱研究聚酰亚胺薄膜的分子相互作用时，发现C=O和C=C化学键之间存在分子相互作用，两种物质之间相互作用后化学键可能会断裂，化学键的拉伸振动会减弱或加剧。这说明一方面铁离子与SMP、LB-EPS、TB-EPS混合后，造成其化学键断裂，随后铁离子与其结合；另一方面，化学键分子作用和静电作用也可能导致官能团的拉伸振动减弱，因而降低了FTIR光谱中化学官能团的丰度。
3、结论
①从通量衰减曲线可知SMP、TB-EPS、MFR中都出现了以铁离子浓度为临界点产生不同程度膜污染的情况，随着铁离子浓度的增加，膜污染呈现出先减轻后加重的情况，由此可得铁离子浓度临界值在40~60mg/L之间。且加入铁离子后对SMP、MFR的完全堵塞模型拟合度影响最大，对LB-EPS、TB-EPS则是完全堵塞和标准堵塞影响程度最大。
②蛋白质为EPS的主要成分，且在各EPS组分中SMP与铁离子有更强的结合能力。
③FTIR光谱结果再次证明多糖和蛋白质是污染物的主要成分，加入的铁离子与EPS的相互作用影响了膜面污染物的分布，导致各组分的官能团丰度降低，影响了通量衰减速率和过滤性能，对膜污染作用机制产生影响。
④铁离子会与藻菌共生体产生的EPS发生作用，从而影响膜污染。造成膜污染的原因是EPS的主要成分蛋白质，蛋白质污染物则以酪氨酸类蛋白质为主。SMP与铁离子的结合能力强于其他组分，是EPS膜污染的主要贡献者。（来源：南昌大学资源与环境学院 鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室）
