基于三維熒光區(qū)域積分法的污水廠污水中溶性有機(jī)物分析

基于三維熒光區(qū)域積分法的污水廠污水中溶性有機(jī)物分析

在廢水中溶解的有機(jī)物質(zhì)（有機(jī)物質(zhì)，如回水）約占總有機(jī)物的30%40%，是處理污水處理的主要目標(biāo)。傳統(tǒng)的有機(jī)污染物指標(biāo),如化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、總有機(jī)碳(TOC),只能表示有機(jī)物的總量,無(wú)法區(qū)分易降解、可降解和難降解的有機(jī)物,也難以反映污水處理過(guò)程中各類溶解性有機(jī)物的組成和含量。城市污水中DOM主要包括氨基酸、腐殖質(zhì)、油脂、親水性有機(jī)酸和表面活性劑等有機(jī)污染物,這些有機(jī)物大多含有熒光基團(tuán),在特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射下會(huì)產(chǎn)生特征波長(zhǎng)的發(fā)射光。當(dāng)樣品濃度較低時(shí),熒光強(qiáng)度與發(fā)光物質(zhì)濃度成正比。熒光分析法測(cè)量簡(jiǎn)便,靈敏度比紫外-可見(jiàn)吸光法還要高2~3個(gè)數(shù)量級(jí),在定性區(qū)分和定量測(cè)定污水中DOM方面具有很廣的應(yīng)用空間。近年來(lái),同步熒光(synchronous-scanfluorescencespectroscopy,SFS)和三維熒光(excitation-emissionmatrix,EEM)技術(shù)已成功地應(yīng)用于環(huán)境水體中DOM的識(shí)別和解析,包括河流、湖泊、地下水等水體的監(jiān)測(cè),水質(zhì)評(píng)價(jià)等方面。其中三維熒光具有高靈敏度、高選擇性、高信息量等優(yōu)點(diǎn),一些研究者已將該技術(shù)用于污水處理領(lǐng)域。三維熒光光譜是一定范圍內(nèi)激發(fā)(excitation,Ex)、發(fā)射(emission,Em)波長(zhǎng)條件下熒光強(qiáng)度的集合,含有豐富的有機(jī)污染物熒光信息,大多數(shù)研究者采用尋峰法對(duì)這些熒光信息進(jìn)行解析。但是由于熒光峰通常是由若干相互疊加的熒光基團(tuán)產(chǎn)生的信號(hào),有些可能無(wú)法識(shí)別或識(shí)別不準(zhǔn)確。此外,尋峰法只考慮三維光譜中特定峰值,不能充分使用熒光指紋所攜帶的所有信息。熒光區(qū)域積分(fluorescenceregionalintegration,FRI)是另一種熒光光譜解析方法,可對(duì)多組分體系中熒光光譜的重疊對(duì)象進(jìn)行光譜識(shí)別和表征,在一定程度上能夠克服以上不足。本研究主要以三維熒光光譜技術(shù)為手段,對(duì)北京某典型城市污水廠處理過(guò)程中水體DOM的熒光特征進(jìn)行解析,采用三維熒光區(qū)域積分提取有效的熒光指紋信息,表征污水處理過(guò)程中不同類型有機(jī)物的降解規(guī)律。同時(shí)比較三維熒光、同步熒光兩者熒光指數(shù)與DOM含量變化的相關(guān)性,對(duì)三維熒光區(qū)域積分表征城市污水有機(jī)物去除的優(yōu)劣度進(jìn)行綜合評(píng)估,為優(yōu)化城市污水廠的運(yùn)行、管理和監(jiān)控提供技術(shù)參考。1材料和方法1.1試樣的制備和樣品的采集本研究所采集的水樣來(lái)自北京市某大型城市污水廠。該污水廠采用廊道式缺氧-好氧(A-O)工藝,共設(shè)24座曝氣池,每座長(zhǎng)96m,寬28m,深6m。每座池隔成3條寬9.3m的廊道,第一廊道的進(jìn)水端劃出長(zhǎng)45m作為缺氧區(qū)。污水經(jīng)初沉池進(jìn)入曝氣池第一廊道,隨后呈推流式依次折返經(jīng)過(guò)第二、三廊道,最后進(jìn)入二沉池。二沉池污泥回流進(jìn)入曝氣池缺氧段,污泥回流比50%~60%,每座曝氣池前端回流污泥流入量10000~16000m3/d。各采樣點(diǎn)位置如圖1所示,樣品S1取自初沉池出水,曝氣池缺氧段順?biāo)髁飨蛎扛?5m依次采集樣品S2~S4,曝氣池好氧段順?biāo)髁飨蛎扛?0m依次采集樣品S5~S10。樣品S11為二沉池出水。采集的水樣放入聚四氟乙烯塑料瓶?jī)?nèi),迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。水樣經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后置于玻璃瓶中,在4℃冰箱內(nèi)保存待用。所有水樣分析在24h內(nèi)完成。1.2熒光光譜掃描波長(zhǎng)的選擇樣品TOC采用德國(guó)耶拿公司生產(chǎn)的multiN/C2100型TOC儀測(cè)定。熒光光譜采用日本日立公司生產(chǎn)的HitachiF-7000熒光分光光度計(jì)測(cè)定,設(shè)定儀器PMT電壓:700V;狹縫寬帶:Ex=5nm,Em=5nm,響應(yīng)時(shí)間:自動(dòng)。三維熒光光譜掃描的激發(fā)波長(zhǎng)Ex=200~450nm,發(fā)射波長(zhǎng)Em=260~550nm,掃描速度:1200nm/min。同步熒光掃描波長(zhǎng):260~550nm,波長(zhǎng)差Δλ=Em-Ex=30nm,掃描速度:200nm/min。實(shí)驗(yàn)空白水為Milli-Q超純水。1.3熒光區(qū)域積分體積和積分面積的計(jì)算方法三維熒光光譜在解析之前,先通過(guò)減空白和內(nèi)插值法,修正三維熒光光譜被一次瑞利散射、二次瑞利散射及拉曼散射影響的區(qū)域,隨后采用熒光區(qū)域積分(FRI)對(duì)EEM光譜進(jìn)行定量分析。將三維熒光光譜分為5個(gè)區(qū)域,其中區(qū)域I和II所在范圍分別為Ex/Em=(200~250)nm/(260~320)nm和Ex/Em=(200~250)nm/(320~380)nm;區(qū)域III和IV所在范圍分別為Ex/Em=(200~250)nm/(>380)nm和Ex/Em=(250~450)nm/(260~380)nm;區(qū)域V所在范圍Ex/Em=(250~450)nm/(>380)nm。通過(guò)Origin8.0計(jì)算某熒光區(qū)域的積分體積Φi,即具有相似性質(zhì)有機(jī)物的累積熒光強(qiáng)度,對(duì)某熒光區(qū)域的積分體積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到某熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積Φi,n,從而反映了這一區(qū)域的特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的相對(duì)含量,最后計(jì)算某熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積占總積分標(biāo)準(zhǔn)體積的比例Pi,n。同步熒光光譜在260~300nm范圍內(nèi)的積分面積通過(guò)熒光分光光度計(jì)自帶軟件進(jìn)行計(jì)算,記為A260~300。采用多元統(tǒng)計(jì)軟件SPSS16.0對(duì)各水樣三維熒光FRI數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析(hierarchicalclusteranalysis,HCA),采用SPSS16.0檢驗(yàn)水樣TOC與各熒光指數(shù)的相關(guān)度水平。2結(jié)果與討論2.1污水生物處理前后的熒光峰污水廠主要采樣點(diǎn)水樣的EEM和SFS光譜見(jiàn)圖2。在初沉池出水的EEM圖譜中出現(xiàn)4個(gè)非常明顯的類蛋白熒光峰(B1、B2、T1、T2)。其中峰B1、B2熒光中心位置分別為Ex/Em=220/305nm和Ex/Em=275/305nm,屬于酪氨酸熒光,分別位于圖譜的區(qū)域I和IV。峰T1、T2熒光中心位置分別為Ex/Em=220/345nm和Ex/Em=275/345nm,屬于色氨酸熒光,分別位于圖譜的區(qū)域II和IV。另外在EEM圖譜的區(qū)域III,有一個(gè)熒光強(qiáng)度相對(duì)較弱的紫外區(qū)類富里酸熒光峰(峰A)。在區(qū)域V有一個(gè)狹長(zhǎng)的肩峰(峰C),屬于可見(jiàn)光區(qū)類富里酸熒光峰。隨著污水處理流程的進(jìn)行,以上各熒光峰的強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),尤其以類蛋白熒光峰B1、T1下降最為明顯。說(shuō)明污水生物處理過(guò)程中,微生物的降解作用對(duì)蛋白質(zhì)等有機(jī)物有顯著的去除。圖2中酪氨酸和色氨酸的熒光峰強(qiáng)度比值B2/B1和T2/T1分別由0.7和1.1(S1)增加到5.0和1.8(S11),這一結(jié)果與吳靜等的研究結(jié)果一致。各種類蛋白熒光物質(zhì)在Ex/Em=280/340nm和225/340nm兩位置附近的熒光強(qiáng)度之比是各不相同的。城市污水經(jīng)好氧處理以后這兩個(gè)位置的熒光強(qiáng)度比明顯增大,表明城市污水中除酪氨酸和色氨酸以外,還存在其他類蛋白物質(zhì),也可能生成了新的類蛋白熒光物質(zhì)。此外,還與不同類蛋白物質(zhì)生物可降解性的差異有關(guān)。熒光峰B1和T1主要位于區(qū)域I和II,而熒光峰B2和T2主要位于區(qū)域IV,污水處理過(guò)程中熒光峰強(qiáng)度比B2/B1和T2/T1的增大,說(shuō)明區(qū)域IV的熒光峰強(qiáng)度的降幅小于區(qū)域I和II的熒光峰,從一個(gè)側(cè)面也可以說(shuō)明區(qū)域I和II的熒光物質(zhì)較區(qū)域IV的熒光物質(zhì)更易于生物降解。此外,從樣品S8開(kāi)始峰T1的激發(fā)波長(zhǎng)由220nm紅移至230nm,這種紅移現(xiàn)象可以解釋為色氨酸在污水處理過(guò)程中被氧化后,熒光基團(tuán)中羰基、羧基和羥基的數(shù)量增加,導(dǎo)致其共軛效應(yīng)增強(qiáng)。圖2(f)為城市污水處理過(guò)程主要采樣點(diǎn)水樣的同步熒光光譜。如圖所示,不同處理階段水樣DOM的同步熒光光譜中均出現(xiàn)3個(gè)特征熒光峰。根據(jù)已有報(bào)道可知,260~300nm范圍內(nèi)的峰A與蛋白質(zhì)類易降解物質(zhì)有關(guān),而300~500nm內(nèi)的峰B和峰C由類腐殖質(zhì)等分子量較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,芳構(gòu)化程度較高的有機(jī)物形成。峰A的中心位置位于波長(zhǎng)275nm附近,隨著污水處理流程的進(jìn)行,峰A的熒光強(qiáng)度E275和積分面積A260~300均顯著降低(表1),說(shuō)明酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等物質(zhì)被微生物大量降解。而峰B和峰C的熒光強(qiáng)度和積分面積在污水處理過(guò)程中無(wú)明顯變化,表明兩者與污水中難降解有機(jī)物有關(guān)。2.2污水中有機(jī)物的含量根據(jù)FRI計(jì)算方法,得到EEM光譜5個(gè)區(qū)域的積分標(biāo)準(zhǔn)體積Φi,n(表1)。由圖2可知,區(qū)域I熒光信號(hào)主要由酪氨酸等類蛋白有機(jī)物產(chǎn)生,區(qū)域II主要與色氨酸有關(guān),另外,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,苯甲酸、苯乙酸等多種苯系物的熒光信號(hào)也在上述區(qū)域。區(qū)域III的熒光信號(hào)主要由紫外區(qū)類富里酸、酚類、醌類等物質(zhì)產(chǎn)生,區(qū)域IV主要由污水處理過(guò)程中微生物代謝產(chǎn)物的熒光產(chǎn)生,如蛋白、輔酶、小分子有機(jī)酸、色素等。而區(qū)域V則與可見(jiàn)光區(qū)類富里酸、胡敏酸、多環(huán)芳烴等分子量較大、芳構(gòu)化程度較高的有機(jī)物有關(guān)。各區(qū)域的積分標(biāo)準(zhǔn)體積Φi,n間接表征了各區(qū)域所代表有機(jī)物的相對(duì)含量。由表1可知,區(qū)域I和II的Φi,n均隨污水處理過(guò)程TOC的降低而顯著下降,兩者從S1到S11降幅分別為94.3%和88.3%。區(qū)域III和IV的Φi,n也呈下降趨勢(shì),降幅相對(duì)較小。區(qū)域V的降幅最小,僅為37.5%。上述結(jié)果進(jìn)一步證明,區(qū)域I和II為易降解DOM熒光區(qū),區(qū)域III和IV屬于可降解DOM熒光區(qū),區(qū)域V為難降解DOM熒光區(qū)。另外,從表1中可以發(fā)現(xiàn),污水處理流程缺氧段TOC的去除率達(dá)到45.3%,同時(shí)區(qū)域I和II的Φi,n在缺氧段的降幅也分別達(dá)到62.0%和46.8%。說(shuō)明污水中DOM,特別是易降解基質(zhì)在缺氧段得到大量去除。這可能是由于缺氧段微生物將大量有機(jī)物作為碳源用于反硝化作用,類蛋白等易降解基質(zhì)得到優(yōu)先利用,從而使有機(jī)物含量顯著降低。區(qū)域IV的Φi,n在缺氧段的降幅達(dá)到57.6%,說(shuō)明這一區(qū)域所代表的蛋白質(zhì)、小分子有機(jī)酸等可降解基質(zhì)也能作為碳源被反硝化菌利用,使得這一區(qū)域所代表的有機(jī)物得到大量去除。圖3顯示了各樣品EEM圖譜中5個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積所占比例Pi,n。從圖中可以發(fā)現(xiàn),初沉池出水(S1)中類蛋白物質(zhì)(PI,n和PII,n)所占比例約為50%,其值隨污水處理過(guò)程不斷降低。區(qū)域III所占比例PIII,n保持相對(duì)穩(wěn)定,微生物代謝產(chǎn)物和難降解有機(jī)物所占比例(PIV,n和PV,n)均呈逐漸上升的趨勢(shì)。為了研究各水樣三維熒光指紋特征的相似性,將圖3中各水樣的EEM數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行聚類分析。如圖4所示,當(dāng)歐幾里得距離小于10時(shí),所有樣品可以清晰的分為3類。第1類為初沉池出水(S1),第2類由缺氧段3組水樣組成,與第1類存在一定的相似度,第3類由好氧段和二沉池出水組成。第3類中好氧段S10與二沉池出水S11相似度最高,表明從S10開(kāi)始,即曝氣池順?biāo)鞣较蚣s225m處,溶解性有機(jī)物去除已基本完成。從好氧段S7開(kāi)始,所有水樣(S7~S11)可聚為一大類,說(shuō)明從S7開(kāi)始,污水有機(jī)物特征與二沉池出水已經(jīng)較為相似。這也可以從表1中TOC和Φi,n的數(shù)據(jù)分析上得到證實(shí)。同時(shí)好氧段各水樣也存在較好的區(qū)分度,說(shuō)明采用EEM區(qū)域積分和聚類分析可以有效地辨別污水中DOM的指紋特征。2.3其他熒光指數(shù)法對(duì)表1中各水樣熒光指數(shù)與TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)(表2),各熒光指數(shù)與TOC均存在顯著的正相關(guān)。從表1熒光指數(shù)分析結(jié)果看,TOC是逐步下降的,而熒光指數(shù)S8~S11已趨于穩(wěn)定,甚至在S11還有所升高。TOC反映的是污水中溶解性有機(jī)物的總體含量,而各熒光指數(shù)代表的是污水中不同類型熒光物質(zhì)的含量。兩者的變化趨勢(shì)存在一定的相關(guān)性,采用熒光指數(shù)能夠表征污水中DOM的含量,但是熒光指數(shù)的變化規(guī)律與TOC不會(huì)完全一致。EEM中區(qū)域I、II、III、V的Φi,n與TOC的皮爾森指數(shù)均在0.9以上,其中區(qū)域II和III分別達(dá)到0.964和0.970。同步熒光指數(shù)A260~300和E275與TOC的相關(guān)性相對(duì)較弱,其皮爾森指數(shù)分別為0.888和0.865。各熒光指數(shù)與TOC的相關(guān)度從大到小依次為ΦIII,n>ΦII,n>ΦI,n>ΦV,n>ΦIV,n>A260~300>E275。以上結(jié)果表明,采用EEM區(qū)域積分較同步熒光指數(shù),可以更為有效地表征城市污水中有機(jī)物的變化趨勢(shì),同時(shí)能夠較好地區(qū)分污水中易降解、可降解和難降解有機(jī)物