活性污泥胞外聚合物结合/解离污水中雌激素的动态机制与过程调控

The removal efficiency of estrogens are relatively lower in most wastewater treatment plants, leading to the presence of estrogen residues in effluents and a high environmental risk. In order to improve the estrogens removal efficiency, the removal and migration mechanism of estrogens in activated sludge system should be explored thoroughly. During the process of estrogens removal, extracellular polymeric substances (EPS) of activated sludge can interact with estrogens by association/disassociation, influencing the migration and removal of estrogens in wastewater treatment plants directly. However, systematic research on the crucial roles of EPS in the removal of estrogens are still lacked. In this proposal, combining surface plasmon resonance (SPR) with isothermal titration calorimetry (ITC) technology, the kinetics and thermodynamics of interactions between EPS and estrogens will be characterized and the influencing factors will also be discovered. The interaction mechanism will be discussed in depth, and the contributions of EPS to the migration and removal of estrogens during wastewater treatment process will also be explored. Theoretical basis and new solutions were proposed for improving the removal efficiency of estrogens in activated sludge system, by optimizing biological treatment process and strengthening the binding function of EPS to estrogens.

现有采用活性污泥法的城市污水厂对雌激素的去除效率较低，导致雌激素残留随出水排出，存在很高的环境风险。为了强化活性污泥对雌激素的去除效果，需要对雌激素的迁移去除机制进行深入的解析。在雌激素去除过程中，活性污泥胞外聚合物(Extracellular polymeric substances, EPS)可以与之发生动态的结合/解离作用，直接影响其在活性污泥系统中的迁移和去除行为。然而目前针对EPS与雌激素的相互作用仍然缺乏系统性的研究工作。本项目拟基于表面等离子共振与等温滴定量热技术的结合，建立表征活性污泥EPS与雌激素相互作用的动力学和热力学分析方法，探索EPS结合/解离雌激素的动态作用机制，考察EPS和雌激素相互作用的主控因素，阐明EPS在雌激素迁移和去除过程中所起的作用。本研究为优选生物处理工艺，强化EPS对雌激素的结合功能，提高雌激素在活性污泥体系的去除效率提供理论依据和新的思路。

双酚A（BPA）是一种典型的环境雌激素，随着近年来在工业生产中的广泛应用，不断进入到废水生物处理系统当中。现有采用活性污泥法的城市污水厂对双酚A的去除效率不高，导致双酚A残留随出水排出，存在很高的环境风险。在双酚A的去除过程中，活性污泥胞外聚合物（EPS）可以与之发生动态的结合/解离作用，直接影响其在活性污泥系统中的迁移和去除行为。然而目前针对EPS与双酚A的相互作用仍然缺乏系统性的研究工作。本项目基于表面等离子共振与等温滴定量热技术的结合，建立了表征活性污泥EPS与双酚A相互作用的动力学和热力学分析方法，探索了EPS结合/解离双酚A的动态作用机制，考察了EPS和双酚A相互作用的主控因素，阐明EPS在双酚A迁移和去除过程中所起的作用。研究结果表明：EPS与BPA的结合过程可自发进行，主要由疏水力、静电相互作用和氢键驱动；与腐殖酸类组分相比，EPS中的蛋白类组分对BPA具有更强的亲和力；在与BPA发生结合后，EPS的随机卷曲结构收缩成相对紧密的核状；中性pH、高离子强度和高温有利于EPS对BPA的结合作用，从而将BPA稳定在污泥EPS中。随着pH值的增加，腐殖酸组分（HA）和BPA之间结合作用的热力学机制发生变化，从熵驱动变为熵焓协同驱动；在酸性条件下（pH 3.0-6.5），疏水力起主导作用；在中性条件下，疏水力和氢键的协同作用增加了结合强度；在碱性条件下（7.5-12.0），疏水力，氢键和静电的共同作用降低了结合强度；因此中性pH有利于腐殖酸组分与BPA结合形成稳定的复合物。项目研究结果有助于深入理解活性污泥EPS对BPA迁移和去除过程所起的作用，为BPA在活性污泥系统的强化去除提供理论依据和新的思路。