基于分子量分布的生活污水熒光光譜研究

劉文 嚴(yán)小東 吳曼 等

摘要：采用超濾及微濾膜法對(duì)生活污水進(jìn)行分級(jí)，以熒光光譜為基本分析手段，結(jié)合熒光區(qū)域積分（FRI）法研究不同分子量區(qū)間組分的熒光特性。結(jié)果表明，不同分子量區(qū)間水樣的同步熒光光譜圖（SFS）中均含有3類熒光峰，分別為類蛋白質(zhì)峰、類富里酸峰及類腐殖酸峰，其中類蛋白質(zhì)峰熒光最強(qiáng)；類蛋白質(zhì)、類腐殖酸及類富里酸的SFS區(qū)間積分強(qiáng)度大小順序?yàn)轭惖鞍踪|(zhì)區(qū)域>類腐殖酸區(qū)域>類富里酸區(qū)域，表明生活污水中蛋白質(zhì)含量最高，腐殖酸次之，富里酸最少；各水樣三維熒光光譜（EEM）圖中主要存在4類熒光峰，分別為Peak T1、Peak T2、Peak A、Peak C，其中類蛋白質(zhì)峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于類腐殖酸；熒光區(qū)域積分（FRI）分析表明，類蛋白質(zhì)占總標(biāo)準(zhǔn)體積60%～70%，進(jìn)一步表明蛋白質(zhì)為水體有機(jī)物的主要成分；膜孔徑越小，類腐殖酸含量越高，腐殖化程度越高。

關(guān)鍵詞：有機(jī)物；分子量分布；熒光光譜；熒光區(qū)域積分

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）04-0872-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.014

Fluorescence Spectroscopy Analysis of Domestic Wastewater

Based on Molecular Weight Distribution

LIU Wen， YAN Xiao-dong， WU Man， SUN Mei-xiang， LIU Hui-ying， DAI Jie

（College of Chemistry and Environmental Engineering， Yangtze University， Jingzhou 434023， Hubei， China）

Abstract： A domestic wastewater was classified by ultrafiltration and microfiltration membrane separation. The fluorescence characteristics of domestic wastewater in different molecular weight ranges were investigated by fluorescence spectrum and fluorescence regional integration（FRI）. The results showed that the synchronous fluorescence spectroscopy（SFS） of different molecular weight ranges all had three kinds of fluorescence peak： protein-like fluorescence peak， fulvic-like peak and humic-like peak， the intensity of protein-like peak was relatively higher than others. The interval integral of SFS showed that protein-like region>humic-like region>fulvic-like region. That was to say that the contents were protein-like > humic-like > fulvic-like. Three-dimensional fluorescence spectra （EEM） of all water samples had four fluorescence peaks which were Peak T1， Peak T2， Peak A and Peak C， and the protein-like peak was stronger than humic-like. The analysis of FRI showed that protein-like in the total standard volume was from 60% to 70%， also proved that the protein was the main component of the water organics， and the smaller membrane pores， the higher contents of the humic-like， the higher degree of humification.

Key words： organic；molecular weight distribution；fluorescence spectrum；fluorescence regional integration（FRI）

有機(jī)物分子量分布可以在一定程度上反映水體中有機(jī)物特性[1]。不同的水處理工藝對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除效果相差很大。了解污水的分子量分布特點(diǎn)，對(duì)研究水體中有機(jī)物分布特性以及水處理過程中污染物的降解機(jī)理具有重要的作用，有助于合理選擇處理工藝，提高水處理效果，節(jié)約成本。

生活污水中的有機(jī)物復(fù)雜多樣，目前還無法完全獲得其準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)和組成信息。熒光光譜法相較于其他分析方法，具有成本低、預(yù)處理簡(jiǎn)單、靈敏度高（比紫外光譜法高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)）、不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于水體有機(jī)物研究[2-4]。熒光區(qū)域積分（FRI）法將熒光圖譜分成多個(gè)區(qū)間后進(jìn)行積分，減少光譜重疊相互干擾對(duì)光譜分析引起的誤差。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污水中有機(jī)物分離分級(jí)研究較多。賈陳忠等[5]運(yùn)用三維熒光光譜技術(shù)研究了垃圾滲濾液中6種有機(jī)物組分的熒光特性。Imai等[6]運(yùn)用樹脂和體積排阻色譜對(duì)生活污水出水和滲濾液出水進(jìn)行了研究。這些研究對(duì)有機(jī)物的指紋光譜熒光峰及其特性做了一定的定性分析，但對(duì)生活污水分離分級(jí)后不同組分熒光光譜積分分析的研究甚少。

本研究以某高校生活污水為研究對(duì)象，采用超濾膜法對(duì)其進(jìn)行分子量分級(jí)，得到分別包含不同分子量區(qū)間有機(jī)物的試驗(yàn)水樣，運(yùn)用同步熒光光譜、三維熒光光譜技術(shù)及區(qū)域積分法，對(duì)水體中不同分子量區(qū)間有機(jī)物的熒光特性進(jìn)行表征和比較分析，旨在探究水體中不同分子量區(qū)間有機(jī)物的分布特性，為合理選擇處理工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣取自某高校生活污水外排口，其常規(guī)指標(biāo)為CODcr=120～280 mg/L，TOC=25～52 mg/L，TN=31～51 mg/L，NH3-N=27～42 mg/L。水樣用4 L棕色聚丙烯瓶密封，4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 不同分子量有機(jī)物分級(jí)

1.2.1 膜預(yù)處理 試驗(yàn)所用的微孔濾膜（0.22、0.45、1.20、5.00 μm）材質(zhì)均為醋酸纖維素（CA），直徑為50 mm，使用前微孔濾膜均用超純水蒸煮至少3次，每次不少于1 h，用超純水沖洗后放于冰箱中備用。試驗(yàn)所用的超濾膜（1、10、100 ku）均為美國(guó)Amicon公司生產(chǎn)的PL系列再生纖維素（RF）濾膜，膜直徑為63.5 mm，超濾膜在使用前用去離子水浸泡漂洗3次，每次至少1 h，去除濾膜可能帶來的污染，處理完后放于冰箱中備用。超濾膜配套美國(guó)Millipore 8200型超濾杯使用，有效容積為180 mL，有效膜面積為28.7 cm2，最大耐壓為0.53 MPa，配套磁力攪拌裝置，壓力驅(qū)動(dòng)力為N2，過濾壓力為0.1～0.3 MPa。

有機(jī)物的分子量與其粒徑大小有關(guān)聯(lián)，故本研究中用膜孔徑代表其相應(yīng)的分子量。

1.2.2 膜過濾試驗(yàn) 為減小濃差極化的影響，本試驗(yàn)采用連續(xù)逐級(jí)過濾法對(duì)不同分子量有機(jī)物進(jìn)行分級(jí)。具體步驟如下：水樣依次通過0.22、0.45、1.20、5.00 μm微孔濾膜，1、10、100 ku超濾膜。各分子量膜過濾水樣前，先過濾200 mL超純水，過濾水樣時(shí)先廢棄初液約100 mL，在超濾時(shí)每次取樣后必須剩余一定量水樣并將之廢棄，以保證不壓干超濾杯中的水樣而影響超濾膜的性能。

1.3 熒光光譜分析

1.3.1 同步熒光光譜（SFS）分析 熒光儀器為美國(guó)Perkin Elmer LS-55。SFS掃描參數(shù)：掃描范圍為250～600 nm，掃描速度為500 nm/min，Δλ=30 nm。對(duì)不同樣品進(jìn)行適當(dāng)稀釋至TOC小于10 mg/L，以消除高濃度樣品內(nèi)濾效應(yīng)干擾。

1.3.2 三維熒光光譜（EEM）分析 EEM掃描參數(shù)：Ex=200～540 nm，Em=250～600 nm，掃描速度為1 200 nm/min，激發(fā)發(fā)射帶通均為10 nm。樣品熒光光譜減去去離子水的熒光光譜以去除拉曼散射的影響。

1.3.3 三維熒光區(qū)域積分（FRI）分析 尋峰法可滿足對(duì)有機(jī)物定性分析的需求，但其只考慮了特定熒光峰及峰值，大量熒光數(shù)據(jù)沒得到充分利用，在定量分析上還有一定的缺陷，F(xiàn)RI可以彌補(bǔ)這一不足。積分標(biāo)準(zhǔn)體積間接表征了其所代表有機(jī)物的相對(duì)含量。

Chen等[7]將三維熒光光譜圖分為5個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ分別為Ex/Em=（200～250）/（260～320） nm和Ex/Em=（200～250）/（320～380） nm；區(qū)域Ⅲ為Ex/Em=（200～250）/（>380） nm；區(qū)域Ⅳ為Ex/Em=（250～450）/（260～380） nm；區(qū)域Ⅴ為Ex/Em=（250～450）/（>380） nm。其中區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ以芳環(huán)類蛋白質(zhì)物質(zhì)為主，也含苯甲酸、苯乙酸等苯系物，為易降解有機(jī)物熒光區(qū)；區(qū)域Ⅲ以類富里酸物質(zhì)為主，也含有酚類、醌類等物質(zhì)，為可降解有機(jī)物熒光區(qū)；區(qū)域Ⅳ為以色氨酸、酪氨酸為主的微生物溶解性產(chǎn)物（SMPs），為可降解有機(jī)物熒光區(qū)；區(qū)域Ⅴ以類腐殖酸物質(zhì)為主，含有PAHs等分子量較大、芳構(gòu)化程度較高的有機(jī)物，為難降解有機(jī)物熒光區(qū)。通過Matlab軟件計(jì)算三維熒光光譜各區(qū)域的積分，并將其標(biāo)準(zhǔn)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同分子量有機(jī)物同步熒光光譜

同步熒光（SFS）具有選擇性好、靈敏度高、干擾少等特點(diǎn)，能獲得較清晰的獨(dú)特波譜，獲得更多的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)信息，適合對(duì)多組分混合物的分析，已被廣泛用于評(píng)價(jià)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和組分的變化[8]。圖1為不同分子量有機(jī)物同步熒光光譜。如圖1所示，不同分子量區(qū)間污水的SFS圖均出現(xiàn)5個(gè)熒光峰，分別為峰1（250～300 nm）、峰2（310～350 nm）、峰3（380～400 nm）、峰4（440～460 nm）、峰5（490～510 nm）。Peuravuori等[9]將同步熒光光譜分為3個(gè)區(qū)域，其中250～308 nm為類蛋白質(zhì)熒光區(qū)（PLR），主要代表類蛋白質(zhì)物質(zhì)和單環(huán)芳香族化合物；308～363 nm為類富里酸區(qū)域（FLR），代表3～4個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳香族化合物，或2～3個(gè)共軛體系的不飽和脂肪族結(jié)構(gòu)；363～595 nm為類腐殖酸區(qū)域（HLR），代表5～7個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳香族化合物[3，4]。顯然峰1為類蛋白質(zhì)熒光峰，屬易降解類物質(zhì)，其在各水樣中的含量相對(duì)較高；峰2為類富里酸熒光峰，屬可降解類物質(zhì)，在各水樣中含量較類蛋白質(zhì)物質(zhì)低，同時(shí)表明水體中可能存在多環(huán)芳香族化合物或共軛不飽和脂肪族結(jié)構(gòu)；峰3、峰4、峰5為類腐殖酸熒光峰，含量相對(duì)較低，該類物質(zhì)分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、芳構(gòu)化程度高，大多數(shù)屬于難降解類物質(zhì)[8]。

由圖2可知，生活污水（Inf）有機(jī)物各組分中PLR值最高，HLR次之，F(xiàn)LR最小，即類蛋白質(zhì)含量最高，類腐殖酸次之，類富里酸最低。類蛋白質(zhì)是生活污水中的典型有機(jī)物，是區(qū)別于天然水和工業(yè)廢水的典型特征之一，含量相對(duì)較高。富里酸主要來源于土壤，通過有限的校園地表徑流帶入下水管道的富里酸有限，故類富里酸含量較低。FLR和HLR熒光強(qiáng)度積分（AFLR，AHLR）占整個(gè)波長(zhǎng)的比例可表征有機(jī)物的腐殖化程度[9]，即AFLR值越高則腐殖化程度越低，AHLR值越高則腐殖化程度越高。圖2反映過膜后的水樣腐殖化程度均較生活污水高。生活污水中含有大量類蛋白質(zhì)，腐殖化程度不高；因膜過濾作用，以類蛋白質(zhì)為主的大分子被截留，過濾液AFLR

2.2 不同分子量有機(jī)物三維熒光光譜

污水中含有大量的油脂、蛋白質(zhì)、表面活性劑、腐殖酸、富里酸等共軛的具有熒光效應(yīng)的有機(jī)物（FOM），F(xiàn)OM在特定激發(fā)波長(zhǎng)下具有不同的熒光光譜，能夠揭示多有機(jī)物水樣組成和濃度差異，像指紋一樣與水樣中有機(jī)物一一對(duì)應(yīng)，故稱為水質(zhì)的熒光指紋[10]。Coble[11]將水環(huán)境中的熒光峰分為6類：Peak A，類腐殖酸熒光峰，Ex/Em=（237～260）/（400～500） nm；Peak B，類酪氨酸熒光峰，Ex/Em=（225～237）/（309～321） nm，275/310 nm；Peak T1，類色氨酸熒光峰，Ex/Em=275/340 nm；Peak T2，類色氨酸熒光峰，Ex/Em=225～237/340～381 nm；Peak C，類腐殖酸熒光峰，Ex/Em=300～370/400～500 nm；Peak M，海洋腐殖酸熒光峰，Ex/Em=312/380～410 nm。

不同分子量區(qū)間水樣三維熒光光譜圖見圖3，其對(duì)應(yīng)的熒光峰位置及強(qiáng)度見表1。從圖3和表1中可知，4類比較明顯的熒光峰分別是位于Ex/Em=222/346 nm的Peak T2、Ex/Em=280/346 nm的Peak T1、Ex/Em=310/360 nm的Peak A及Ex/Em=339/420 nm的Peak C，其中Peak T2為低激發(fā)類色氨酸熒光峰、Peak T1為高激發(fā)類色氨酸熒光峰，來源于洗滌、餐廚、排泄等；Peak A、Peak C為類腐殖酸熒光峰。類蛋白質(zhì)熒光峰強(qiáng)度遠(yuǎn)大于類腐殖酸，Peak T2熒光強(qiáng)度大于Peak T1，這與楊賽等[12]和Reynolds等[13]對(duì)污水熒光特性研究的結(jié)果是一致的，即污水中蛋白質(zhì)熒光峰最強(qiáng)。也與陳茂福等[14]研究的清華大學(xué)校園生活污水的熒光特征是一致的。有機(jī)物從顆粒-溶解有機(jī)物（PDOM）到DOM的過程中其熒光峰位置基本不變，只是強(qiáng)度隨著分子量降低而減小。類蛋白質(zhì)熒光峰隨著分子量降低，峰中心逐漸模糊；而類腐殖質(zhì)熒光峰隨著分子量降低，峰中心逐漸清晰。這可能是膜過濾作用將含量較高的蛋白質(zhì)截留，使得原有的類蛋白質(zhì)峰對(duì)類腐殖酸峰干擾和掩蔽作用減弱。

水樣過5 μm膜后，區(qū)域Ⅴ的類腐殖質(zhì)就有明顯的成峰趨勢(shì)，過0.45 μm膜后Ⅴ區(qū)熒光峰明顯，但Peak T2和Peak T1熒光中心不明顯，并且在一定程度上發(fā)生了偏移。表3顯示過0.22 μm膜后，類蛋白質(zhì)熒光峰中心向發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生了5～10 nm的紅移。根據(jù)Wang等[15]和Chen等[16]的研究，熒光峰的紅移與熒光基團(tuán)中羰基、羧基、羥基和胺基的增加有關(guān)，可能是由于膜的截留作用，使得濾過液有機(jī)物中相關(guān)的官能團(tuán)含量相對(duì)增加有關(guān)。水樣過0.45 μm膜后，出現(xiàn)了一個(gè)比較明顯的峰，位于Ex/Em=291/400 nm左右，為可見區(qū)類富里酸峰，其強(qiáng)度與Peak T1相當(dāng)，含量相對(duì)不高，極易被附近的Peak T1、Peak A、Peak C掩蔽，符合土壤帶入的特點(diǎn)。但該峰在過100 ku膜后就不明顯，說明該峰代表的有機(jī)物的分子量大于100 ku。

2.3 三維熒光光譜區(qū)域積分分析

不同分子量區(qū)間水樣EEM的區(qū)域積分分布見圖4。在各水樣中，以類酪氨酸、類色氨酸為主的類蛋白區(qū)（Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)）約占總體熒光強(qiáng)度的60%～70%，進(jìn)一步說明類蛋白質(zhì)占水體有機(jī)物的絕大部分，與SFS、SFS區(qū)間積分及EEM分析法得到的結(jié)果一致?？缮锝到獠糠郑á駞^(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)）約占總熒光強(qiáng)度的90%左右，最高可達(dá)93%，說明該生活污水可生化性極強(qiáng)，選擇合適的工藝使之達(dá)標(biāo)排放是可實(shí)現(xiàn)的。FRI可作為一種快速判別水體可生化性的方法加以推廣使用。從PDOM到DOM，類腐殖酸相對(duì)比例逐漸增大，腐殖化程度逐漸增加，這也進(jìn)一步說明膜對(duì)類蛋白質(zhì)大分子具有一定的截留作用，類腐殖酸的分子量小于類蛋白質(zhì)。

3 結(jié)論

1）不同分子量區(qū)間水樣SFS圖均有3類熒光峰，分別為類蛋白質(zhì)熒光峰，類富里酸熒光峰及類腐殖酸熒光峰，其中類蛋白質(zhì)熒光峰強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，表明類蛋白質(zhì)在水樣中含量相對(duì)較高。

2）不同分子量區(qū)間生活污水中類蛋白質(zhì)，類腐殖酸及類富里酸的SFS區(qū)間積分強(qiáng)度大小順序?yàn)轭惖鞍踪|(zhì)區(qū)域>類腐殖酸區(qū)域>類富里酸區(qū)域，表明生活污水中蛋白質(zhì)含量最高，腐殖酸次之，富里酸最少。過膜后水樣的腐殖化程度均較過膜前生活污水高。

3）EEM圖譜說明，水體中主要存在4類熒光峰，分別為Peak T1、Peak T2、Peak A、Peak C，其中類蛋白質(zhì)峰熒光強(qiáng)度明顯強(qiáng)于類腐殖酸強(qiáng)度，蛋白質(zhì)為水體的主要有機(jī)物。

4）熒光區(qū)域積分分析數(shù)據(jù)顯示，類蛋白質(zhì)占總熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積的60%～70%，則進(jìn)一步表明蛋白質(zhì)為該低生活污水主要成分；膜孔徑越小，類腐殖酸含量越高，腐殖化程度越高。

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