《Journal of Water Process Engineering》：Spectroscopic and chromatographic comparison of dissolved organic matter variation to expose operational defects of municipal wastewater treatment plant resulting from carbon source dosing strategy
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本研究对比分析了两座采用相同A2OWTF工艺但不同碳源投加策略的污水处理厂DOM组分变化，发现B厂因过早投加碳源导致污泥亲水性增强，疏水型富里酸吸附不足，从而影响特定DOM（如蛋白质、氨基酸）去除效率。通过HPSEC、UV-Vis及荧光光谱技术揭示DOM组分差异，验证了优化碳源投加策略对提升污水处理效能的重要性。
薛哲华|赵淼淼|柴晓莉|陈晨宇|尚芳泽|傅浩|张振洲
中国电力生态环境集团有限公司，深圳，518102，中国
摘要
本研究通过常规废水质量指标、激发-发射矩阵（EEM）光谱、紫外-可见光（UV–vis）光谱和高性能尺寸排阻色谱（HPSEC）技术，比较了两种采用相同厌氧-缺氧-好氧及三级过滤（A2OWTF）工艺但碳源投加策略不同的污水处理厂（WWTPs）中溶解有机物（DOM）的变化情况。研究发现，污水处理厂B在去除特定DOM成分方面存在明显缺陷。尽管两厂出水废水质量指标总体差异不大，但EEM荧光区域积分（FRI）分析显示，与可降解蛋白质和氨基酸相关的ΦI,n、ΦII,n和ΦIV,n的去除率在污水处理厂B明显低于污水处理厂A。UV–vis二阶导数光谱分析表明，蛋白质物质仅在污水处理厂B的处理过程中存在。HPSEC进一步通过比较两厂最终HPSEC分离组分I的去除率证实了这一异常现象。此外，污水处理厂A在HPSEC分离组分II和III的去除率上也高于污水处理厂B。这可能是因为污水处理厂B的厌氧单元过早投加了碳源，导致其活性污泥优先利用了乙酸。此外，推测污水处理厂B的活性污泥表面过于亲水，无法吸附疏水性腐殖质（HS）。因此，应重视合适的碳源投加策略，以促进污水处理厂的高效运行。
引言
人类活动导致的过量营养物质排放引发了全球范围内的富营养化问题，这可能引发藻类大量繁殖，对水生生态系统和人类健康造成危害[1]、[2]。为了减轻其负面影响，市政污水处理厂（WWTPs）不断通过活性污泥强化对氮和磷等营养物质的生物去除[3]、[4]。由于废水中可生物利用的有机物含量有限，必须通过投加外部碳源来支持反硝化和除磷过程[5]。然而，外部碳源的投加以及由此产生的过量污泥处理成本增加了污水处理的总成本，占比超过50%[6]。因此，需要精确控制外部碳源的投加量，以最低化学消耗量满足污水处理厂的排放标准[7]、[8]。具体而言，应在进水中的可生物利用和可去除有机成分被耗尽的情况下投加外部碳源。因此，将更先进的分析技术引入常规污水处理厂监测中，以反映整个处理过程中特定有机成分的化学性质和含量具有重要意义。这有助于研究在外部碳源投加影响下，污水处理厂进水中可生物利用有机成分的利用效率。溶解有机物（DOM）是一种由多种有机化合物组成的混合物，是参与生物废水处理的有机物质的直接形式[9]、[10]。因此，引入污水处理厂监测的有机成分分析技术应基于DOM的特性进行。但目前，市政污水处理厂中DOM的变化主要通过生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、溶解有机碳（DOC）等常规“总体”废水质量指标来衡量，这些指标无法提供DOM组成的信息[3]。因此，已经有多种先进的有机成分分析技术应用于污水处理厂的DOM组成分析，如色谱-质谱[11]、[12]、核磁共振[13]、[14]、流场-流分馏[15]、[16]等。但这些技术成本较高，预处理繁琐，且需要操作人员具备较高技能，限制了其在市政污水处理厂中的广泛应用。高性能尺寸排阻色谱（HPSEC）[17]、[18]、[19]和分子光谱[20]、[21]在频繁分析DOM方面具有更大应用潜力，因为它们具有低成本、操作简便、速度快、样品量小和预处理要求低的优点[22]、[23]、[24]。即使使用最便宜的紫外-可见光（UV–vis）吸收检测器，HPSEC也能直接显示污水处理厂处理过程中DOM成分的存在和变化[25]。此外，HPSEC UVA比率指数（URI，即210 nm（UVA210）与254 nm（UVA254）处的吸光度比值）分析可通过描述HPSEC URI变化趋势[26]、HPSEC URI峰值[27]、HPSEC URI分数平均值[28]和HPSEC URI峰型[26]，进一步揭示市政污水处理厂DOM成分的化学性质[26]。UV–vis和荧光光谱是挖掘污水处理厂DOM组成信息的强大分子光谱工具，它们可以在连续波长范围内进行DOM特性分析，覆盖更完整的DOM成分[21]、[30]。光谱数据处理方法，如UV–vis光谱差分、荧光激发-发射矩阵（EEM）分析、平行因子（PARAFAC）分析和自组织映射（SOM）分析，是污水处理厂DOM光谱分析的核心，有助于揭示原本复杂无特征光谱中隐藏的化学信息[31]、[32]。将HPSEC与分子光谱结合使用，可以更好地揭示市政污水处理厂中DOM的变化情况。
已有研究探讨了外部碳源投加对市政污水处理厂运行的影响，但这些研究主要集中在碳源类型对氮和磷去除的影响[33]、[34]、投加位置对总氮去除率和碳源消耗的影响[35]，以及碳源投加对活性污泥聚集性质的影响[36]。目前，很少有研究讨论碳源投加策略（如投加位置和投加量）对污水处理厂进水中DOM成分利用效率的影响，以评估碳源投加的合理性。
本研究比较了两种采用相同厌氧-缺氧-好氧及三级过滤（A2OWTF）工艺但外部碳源投加位置不同的典型全规模市政污水处理厂的DOM变化特征。通过HPSEC、UV–vis和荧光光谱技术，研究了两厂在DOM利用效率和机制上的差异。研究结果从DOM组成变化的新角度揭示了外部碳源投加策略导致的污水处理厂运行缺陷，也说明了将便捷的色谱和光谱技术引入常规监测以提升污水处理厂运行效率的价值。
采样地点与策略
采样来自两座采用相同A2OWTF工艺运行的市政污水处理厂（坐标：119○50′28′′ E, 31○56′52′′ N，污水处理厂A；119○59′18′′ E, 31○41′45′′ N，污水处理厂B），其进水均为不含工业污染物的生活污水。两厂均向处理过程中投加了质量百分比为20%的乙酸作为外部碳源，以增强营养物质的去除效果。其中，污水处理厂A的投加点位于缺氧单元，而污水处理厂B的投加点位于厌氧单元。
与常规废水质量指标的比较
污水处理厂A和B在不同处理单元后的进水及出水常规废水质量指标总结见补充材料表S1和S2。由于两厂处理的是同一城市的生活污水，其进水DOC浓度相近，约为20 mg/L。两厂的DOC去除率均超过50%，TN去除率均超过60%，且运行正常，最终出水质量指标良好。
结论
本研究比较了两种采用相同进水来源和工艺但碳源投加策略不同的污水处理厂的DOM变化情况。通过常规废水质量指标以及DOM光谱和色谱分析，从DOM组成变化的新角度发现，不合适的碳源投加策略可能导致利用和去除效率不足的运行缺陷。
作者贡献声明
薛哲华：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。赵淼淼：撰写与编辑、资源协调、方法设计、数据分析、项目监督。柴晓莉：撰写与编辑、项目监督、资源管理、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。陈晨宇：资源协调、方法设计、资金争取、数据分析。尚芳泽：资源管理、项目统筹
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207500）和中国电力生态环境集团关键技术项目（ST-ZB-ZC-JY-JS-2024-11）的支持。
