光譜參數(shù)法快速識(shí)別石油烴污染場(chǎng)地水體特征

馬 妍，趙航正，虞敏達(dá)，崔 駿，單光春，鄭一鳴，張亞茹，何小松*

1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3. 中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

引 言

石油是不可或缺的能源，也是煉油廠和石油化工產(chǎn)業(yè)的原材料，用于生產(chǎn)燃料、合成聚合物和石化產(chǎn)品。石油在開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工過程中都可能泄漏和含油廢水直接排放等問題導(dǎo)致水體污染。由于石油中含有大量有毒有害物質(zhì)，如苯、甲苯、萘和蒽都可以致癌、致畸和致突變，這引起了人們對(duì)水體石油污染的關(guān)注[1]。此外，當(dāng)污染物和水體中可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)相互作用后，會(huì)影響污染物的溶解、吸附/解吸、生物有效性、毒性以及遷移特性[2]?？焖贉?zhǔn)確識(shí)別石油污染程度及分布特征，將有助于高效修復(fù)此類水體污染。

絕大數(shù)石油類組分均具有π鍵和孤對(duì)電子等不飽和結(jié)構(gòu)的發(fā)色基團(tuán)，其可以吸收紫外或可見光，而其中共軛體系(如苯環(huán))的強(qiáng)吸收基團(tuán)吸光后又可產(chǎn)生熒光?；诖颂匦?，可采用紫外-可見光(UV-Vis)、同步熒光和三維激發(fā)-發(fā)射矩陣(EEM)光譜來快速獲取有機(jī)物的含量、組成及結(jié)構(gòu)信息[3]。目前已有學(xué)者基于光譜開發(fā)對(duì)石油組分定量的新技術(shù)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式估算石油烴濃度和多環(huán)芳烴(PAHs)濃度。例如，使用平行因子法處理EEM圖譜可以對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行定性定量分析[4]，EEM圖譜類色氨酸區(qū)域的熒光強(qiáng)度與生物需氧量(BOD)有很好的線性相關(guān)[5]。已有研究證明光譜圖的熒光峰位置可以辨認(rèn)有機(jī)物[6]。然而，石油進(jìn)入水體環(huán)境中經(jīng)過長時(shí)間的轉(zhuǎn)化，光譜圖變得更為復(fù)雜。到目前為止，還沒有學(xué)者在實(shí)際石油污染場(chǎng)地證實(shí)光譜能否監(jiān)測(cè)水體中石油組分變化。

本研究以典型石油污染場(chǎng)地為研究對(duì)象，運(yùn)用氣相/液相色譜-質(zhì)譜(GC/LC-MS)結(jié)合紫外吸收光譜(UV-Vis)、同步熒光光譜和EEM光譜研究水體中溶解有機(jī)物的組成和狀況，并使用多元線性回歸證明水質(zhì)參數(shù)與光譜參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以期為地下水石油污染修復(fù)提供關(guān)鍵信息和設(shè)計(jì)合適的污染物快速檢測(cè)設(shè)備提供新工具。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

2019年9月，從甘肅省慶城縣石化老廠區(qū)采集水體樣品，該地區(qū)地下水按照賦存條件和埋藏特征主要分為河谷潛水和碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。河谷潛水含水層主要為第四系砂礫層孔隙潛水，含水層一般只有0.5～2 m厚，含水層巖性主要為細(xì)砂和砂礫石，滲透系數(shù)在0.1～2.7 m·d-1之間； 碎屑巖類孔隙裂隙承壓水的賦水介質(zhì)為細(xì)砂與中粗砂巖，含水層厚度大于300 m； 采樣點(diǎn)如圖1，P1—P9為河谷潛水，深度為14～16 m，其中P1在石油污染場(chǎng)地西北方1.1 km處，為附近居民飲水井，沒有受到石油污染。C10為碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，深度約為100 m。S11為馬蓮河河水。使用棕色玻璃瓶(1 L)采集地下水用于揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和石油烴組分分析，所有樣品儲(chǔ)存在裝有冰袋的避光容器中連夜運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。按照《水和廢水檢測(cè)分析方法(第四版)》規(guī)定進(jìn)行采集，運(yùn)輸，儲(chǔ)存和分析水樣，以盡量減少成分變化。樣品到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行有機(jī)物分析，隨后進(jìn)行其他參數(shù)測(cè)定。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Location of the study area and sampling sites

1.2 理化指標(biāo)分析

1.3 光譜學(xué)表征

UV-Vis采用Evolution 3000分光光度計(jì)表征，以超純水作為空白，用1 cm的石英比色皿在200～600 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算SUVA254，A200～240，A240～400和A253/203[7]； 同步熒光光譜和EEM光譜采用日立F-7000熒光光譜儀進(jìn)行表征，同步熒光光譜掃描范圍為200～600 nm，Δλ為55 nm，計(jì)算S250～308，S308～363和S363～595； EEM光譜的激發(fā)波長(Ex)的掃描范圍為200～450 nm，發(fā)射波長(Em)的掃描范圍為280～550 nm，掃描速度為2 400 nm·min-1，響應(yīng)時(shí)間為0.5 s。激發(fā)和發(fā)射光的帶通均為5 nm，以P1樣品為空白，扣除瑞利散射和拉曼散射，計(jì)算β∶α，HIX，BIX和FI[7]。EEM光譜劃分為五個(gè)激發(fā)-發(fā)射區(qū)域[8]，區(qū)域Ⅰ(芳香蛋白Ⅰ)： Ex/Em=200～250 nm/300～330 nm； 區(qū)域Ⅱ(芳香蛋白Ⅱ)： Ex/Em=200～250 nm/330～380 nm； 區(qū)域Ⅲ(富里酸)： Ex/Em=200～250 nm/380～550 nm； 區(qū)域Ⅳ(微生物副產(chǎn)物)： Ex/Em=250～450 nm/280～380 nm； 區(qū)域Ⅴ(類腐殖酸)： Ex/Em=250～450 nm/380～550 nm，并進(jìn)行熒光區(qū)域積分(FRI)，F(xiàn)RI是基于EEM光譜面積與熒光強(qiáng)度的積分，獲得該區(qū)域體積，對(duì)EEM圖譜進(jìn)行了定量分析。所有樣品均在室溫下進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 25.0對(duì)光譜參數(shù)和水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性和多元線性回歸分析，使用Excel 2019計(jì)算光譜參數(shù)，使用Origin 2020進(jìn)行圖表繪制和光譜圖區(qū)域積分，使用ArcGIS 10.7繪制采樣點(diǎn)分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)水體光譜特征

對(duì)研究區(qū)水體進(jìn)行了光譜表征，可以更快速便捷地獲取水體有機(jī)物的特征。圖2顯示了研究區(qū)水體UV-Vis及其參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以看出P1和S11在220 nm處有吸收峰，即硝酸鹽吸收峰； P7和P9在233 nm處有吸收峰，說明該處水體含有大量共軛醛或共軛酮； P5水體在233和283 nm處有吸收峰，說明該處水體含有大量苯酚類物質(zhì)。由于水體中DOM官能團(tuán)眾多且相互之間存在著干擾，UV-Vis并沒有表現(xiàn)出很多的吸收峰，吸光度都隨著波長急劇下降。研究區(qū)水體SUV254，A200～240，A240～400和A253/203參數(shù)表明受污染水體中有機(jī)物都表現(xiàn)出老化狀態(tài)，即有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含有大量芳香族化合物且含有大量的羥基、羰基、羧基和酯類等取代基，表明受污染潛水中有機(jī)物穩(wěn)定性強(qiáng)，降解性差； 由于硝酸鹽在220 nm處有吸收峰，導(dǎo)致P1和S11的A200～240值較高。

同步熒光表征結(jié)果與UV-Vis表征結(jié)果類似，如圖3，都表明了石油污染物處在老化狀態(tài)。與UV-Vis表征結(jié)果不同的是，同步熒光參數(shù)結(jié)果表現(xiàn)出受污染潛水中也含有大量低

圖2 污染場(chǎng)地水體UV-Vis(a)及其參數(shù)，SUV254(b); A200～240和A240～400 (c)； A253/203(d)Fig.2 UV-Vis (a) and its parameters of water in contaminated site，(b) parameters SUV254; (c) A200～240,A240～400； (d) A253/203

圖3 污染場(chǎng)地水體同步熒光光譜(a)及其參數(shù),(b) I325/257和I360/275; (c) S363～595,S250～308,S308～363

分子量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有機(jī)物，多環(huán)芳烴類有機(jī)物最多的是1～2環(huán)的，次之是3～4環(huán)，4環(huán)以上有機(jī)物最少，這與檢測(cè)結(jié)果一致。

由于該場(chǎng)地水體中DOM主要是石油污染物，而不是天然DOM，因此使用天然DOM不能較好解釋樣品EEM光譜圖分區(qū)結(jié)果?；诜謪^(qū)結(jié)果，如圖4中P2-P9，C10，S11將樣品EEM光譜圖可以分為4種。(1)P2，P5和P9表現(xiàn)出Ⅱ和Ⅳ區(qū)明顯熒光峰，Ⅰ區(qū)存在肩峰，其EEM熒光光譜圖表現(xiàn)出DOM主要是石油污染物，已有研究表明[15]，Ex/Em=228/340 nm附近的熒光峰與萘系物有密切關(guān)系，說明P2，P5和P9樣品主要為萘系物污染，與GC/LC-MS檢測(cè)結(jié)果一致； (2)P3，P4，P6，P8和C10樣品表現(xiàn)出Ⅱ區(qū)最高熒光峰，Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ都存在肩峰，有報(bào)道[9]，Ex/Em=256/363 nm附近的熒光峰與菲系物有密切關(guān)系，說明P3，P4，P6，P8和C10樣品主要為萘系物和菲系物污染，與GC/LC-MS檢測(cè)結(jié)果一致； (3)P7樣品EEM光譜圖與其他污染樣品EEM光譜圖不同，表現(xiàn)出在Ⅰ和Ⅳ區(qū)有明顯熒光峰，Ⅴ區(qū)存在肩峰，先前研究表明[6]，Ex/Em=260/280 nm處熒光值與苯系物有很強(qiáng)的相關(guān)性，說明P7樣品主要為苯系物污染，與GC/LC-MS檢測(cè)結(jié)果一致； (4)由于S11樣品并沒有受到石油污染，其EEM光譜圖主要是天然DOM，Ⅱ區(qū)出現(xiàn)明顯熒光峰，Ⅳ和Ⅴ區(qū)出現(xiàn)肩峰，說明樣品中含有大量類色氨酸物質(zhì)。據(jù)報(bào)道[10]，Ex/Em=280/345 nm附近熒光與1環(huán)和2環(huán)芳烴化合物有關(guān)，Ex/Em=240/375 nm附近熒光與3環(huán)芳烴化合物有關(guān)，Ex/Em=220/400 nm附近與3環(huán)和4環(huán)芳烴化合物有關(guān)，Ex/Em=260/440 nm附近與5環(huán)芳烴化合物有關(guān)，與本研究結(jié)果類似。EEM光譜參數(shù)圖4(a,b)說明了所有污染樣品中的有機(jī)物都經(jīng)過了長時(shí)間的生物轉(zhuǎn)化，但不同污染樣品的生物轉(zhuǎn)化程度和腐殖化程度不同，如P6樣品有機(jī)物腐殖化程度最高，P2樣品有機(jī)物腐殖化程度最低。有研究表明[11]，有機(jī)物腐殖化程度越高，越難降解，說明P6樣品中的有機(jī)物很難降解。

使用三維熒光區(qū)域積分法(FRI)對(duì)化合物進(jìn)行半定量分析，可以快速有效地定量有多個(gè)熒光峰和熒光區(qū)域的化合物。從圖4(c)可以看出，P1和S11樣品的各區(qū)域體積占比類似，說明P1和S11樣品中有機(jī)物有同一來源或者相互連通； 所有樣品樣本Ⅳ和Ⅴ區(qū)體積都占總積分體積的50%以上，說明樣品中微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，產(chǎn)生大量羥基、羰基、羧基和烷氧基等官能團(tuán)，與UV-Vis檢測(cè)結(jié)果類似。

2.2 光譜參數(shù)識(shí)別石油污染水體

圖4 污染場(chǎng)地水體三維熒光圖P2-P9，C10-C11及其參數(shù)HIX與β∶α(a),BIX和FI(b),Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ(c)

圖5 光譜參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.5 Correlation between spectral parametersand environmental factors

表示不同石油烴組分。

對(duì)不同碳鏈長度的石油烴C6-C9組分采用UV-Vis參數(shù)S308～363，SUVA254和三維熒光光譜Ⅰ區(qū)指示； C10-C14組分和總石油烴(TPH)濃度采用三維熒光Ⅳ區(qū)快速指示； C15-C28和C29-C40可采用三維熒光Ⅰ區(qū)體積快速指示，擬合效果好顯著性差異均小于0.01。濃度與光譜參數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析。結(jié)果表明，不同碳鏈長度的石油烴都可以用光譜參數(shù)進(jìn)行多元線性擬合，且擬合效果較好，顯著性均小于0.01。C10-C40和TPH的濃度均可以使用FRI進(jìn)行定量分析，因此，可以通過利用石油污染水體的光譜參數(shù)對(duì)石油烴濃度和組成進(jìn)行預(yù)測(cè)，利于評(píng)估水體石油污染狀況，便于管理人員對(duì)水體石油污染進(jìn)行控制。并且已有傳感器形式的三維熒光設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲取水體EEM光譜圖[12]，使實(shí)時(shí)原位獲得水體的石油烴組成和濃度成為可能。

c(C6-C9)=-947.869+2.278×S308～363-32 014.257×

SUVA254-0.002×Ⅰ

R2=0.962,p<0.001

c(C10-C14)=4.210+0.000 3×Ⅳ

R2=0.588,p<0.01

c(C15-C28)=-2 011.123+0.006×Ⅰ

R2=0.913,p<0.001

c(C29-C40)=-79.432+0.000 4×Ⅰ

R2=0.935,p<0.001

TPH=-2 007.155+0.005×ⅣR2=0.786,p<0.001

2.3 光譜參數(shù)法在石油污染水體快速檢測(cè)應(yīng)用的可能行及展望

本研究在實(shí)際場(chǎng)地證明了光譜參數(shù)法可以估計(jì)水體石油污染狀況和對(duì)水體石油污染做出預(yù)警。PAHs是石油中主要的熒光物質(zhì)，雖然單個(gè)PAH熒光強(qiáng)度與其濃度呈線性關(guān)系，如果存在多種PAHs會(huì)導(dǎo)致EEM光譜重疊，不能對(duì)其中一個(gè)PAH進(jìn)行分析。本研究試圖通過GC/LC-MS測(cè)定的苯系物濃度與其EEM光譜中特征熒光峰的峰值進(jìn)行相關(guān)性分析，但沒有得到很好的一致性，見表1。可能是由于(1)多種苯系物的EEM光譜特征熒光峰相互影響[13]； (2)水體中苯系物濃度過高會(huì)造成特征熒光峰紅移[14]?？傊?，具有2個(gè)苯環(huán)的PAHs和具有多個(gè)苯環(huán)的PAHs的EEM圖譜明顯不同，并且根據(jù)實(shí)際污染場(chǎng)地證明了EEM圖譜不同區(qū)域的積分體積與GC/LC-MS數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性； 因此，光譜參數(shù)法可以很好地估計(jì)和預(yù)測(cè)水體的石油污染狀況，R2=0.786，p<0.001。

表1 GC-MS結(jié)果與光譜特征峰值相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between GC-MS resultsand spectral characteristic peak value

由于石油污染水體中多種PAHs的EEM圖譜相互重疊，光譜參數(shù)法無法對(duì)單個(gè)PAH進(jìn)行定量分析。雖然EEM圖譜比TOC或UV-Vis分析更具特異性，但不能與GC/LC-MS分析的準(zhǔn)確性相比。EEM圖譜具有(1)更靈敏(它可以同時(shí)分析數(shù)千種化合物，而不是單個(gè)化合物)； (2)成本低(<60元/樣本)； (3)時(shí)間短(從處理樣本到測(cè)試完成僅需十幾分鐘)； (4)結(jié)合液相萃取，光譜參數(shù)法可以為石油有關(guān)的PAHs提供了一種簡(jiǎn)便的測(cè)定方法[15]。這種方法可應(yīng)用于暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的來源解析研究。

3 結(jié) 論

(1)UV-Vis、同步熒光和EEM參數(shù)表現(xiàn)出水體中含有大量芳香族化合物，有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量的羥基、羰基、羧基和酯類等取代基，且有機(jī)物經(jīng)過了長時(shí)間的生物轉(zhuǎn)化；

(2)苯系物、萘系物和菲系物的三維熒光光譜圖明顯不同。主要以苯系物污染水體的三維熒光表現(xiàn)出Ⅰ和Ⅳ區(qū)熒光峰，Ⅴ區(qū)存在肩峰，主要以萘系物污染樣品的三維熒光光譜圖表現(xiàn)出Ⅱ和Ⅳ區(qū)明顯熒光峰，Ⅰ區(qū)存在肩峰，主要以萘系物和菲系物污染樣品的三維熒光光譜圖表現(xiàn)出Ⅱ區(qū)最高熒光峰，Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ都存在肩峰；

(3)證明了光譜參數(shù)可以快速指示石油污染。S308～363，SUVA254和三維熒光光譜中Ⅰ區(qū)體積可以快速指示石油烴C6-C9組分濃度，三維熒光光譜中Ⅳ區(qū)體積可以快速指示石油烴C10-C14和TPH濃度，三維熒光光譜中Ⅰ區(qū)體積可以快速指示石油烴C15-C28和C29-C40濃度。本研究結(jié)果可以為水體石油污染快速檢測(cè)和預(yù)警提供指導(dǎo)和支持。