基于分子量分布的生活污水熒光光譜研究

劉文 嚴小東 吳曼 等

摘要：采用超濾及微濾膜法對生活污水進行分級，以熒光光譜為基本分析手段，結合熒光區域積分（FRI）法研究不同分子量區間組分的熒光特性。結果表明，不同分子量區間水樣的同步熒光光譜圖（SFS）中均含有3類熒光峰，分別為類蛋白質峰、類富里酸峰及類腐殖酸峰，其中類蛋白質峰熒光最強；類蛋白質、類腐殖酸及類富里酸的SFS區間積分強度大小順序為類蛋白質區域>類腐殖酸區域>類富里酸區域，表明生活污水中蛋白質含量最高，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，其中類蛋白質峰強度明顯強于類腐殖酸；熒光區域積分（FRI）分析表明，類蛋白質占總標準體積60%～70%，進一步表明蛋白質為水體有機物的主要成分；膜孔徑越小，類腐殖酸含量越高，腐殖化程度越高。

關鍵詞：有機物；分子量分布；熒光光譜；熒光區域積分

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：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）

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

生活污水中的有機物復雜多樣，目前還無法完全獲得其準確的結構和組成信息。熒光光譜法相較于其他分析方法，具有成本低、預處理簡單、靈敏度高（比紫外光譜法高2～3個數量級）、不破壞樣品等優點，被廣泛運用于水體有機物研究[2-4]。熒光區域積分（FRI）法將熒光圖譜分成多個區間后進行積分，減少光譜重疊相互干擾對光譜分析引起的誤差。目前，國內外學者對污水中有機物分離分級研究較多。賈陳忠等[5]運用三維熒光光譜技術研究了垃圾滲濾液中6種有機物組分的熒光特性。Imai等[6]運用樹脂和體積排阻色譜對生活污水出水和滲濾液出水進行了研究。這些研究對有機物的指紋光譜熒光峰及其特性做了一定的定性分析，但對生活污水分離分級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象，采用超濾膜法對其進行分子量分級，得到分別包含不同分子量區間有機物的試驗水樣，運用同步熒光光譜、三維熒光光譜技術及區域積分法，對水體中不同分子量區間有機物的熒光特性進行表征和比較分析，旨在探究水體中不同分子量區間有機物的分布特性，為合理選擇處理工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣

試驗水樣取自某高校生活污水外排口，其常規指標為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 ℃下保存備用。

1.2 不同分子量有機物分級

1.2.1 膜預處理 試驗所用的微孔濾膜（0.22、0.45、1.20、5.00 μm）材質均為醋酸纖維素（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。試驗所用的超濾膜（1、10、100 ku）均為美國Amicon公司生產的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，壓力驅動力為N2，過濾壓力為0.1～0.3 MPa。

有機物的分子量與其粒徑大小有關聯，故本研究中用膜孔徑代表其相應的分子量。

1.2.2 膜過濾試驗 為減小濃差極化的影響，本試驗采用連續逐級過濾法對不同分子量有機物進行分級。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，過濾水樣時先廢棄初液約100 mL，在超濾時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Perkin Elmer LS-55。SFS掃描參數：掃描范圍為250～600 nm，掃描速度為500 nm/min，Δλ=30 nm。對不同樣品進行適當稀釋至TOC小于10 mg/L，以消除高濃度樣品內濾效應干擾。

1.3.2 三維熒光光譜（EEM）分析 EEM掃描參數：Ex=200～540 nm，Em=250～600 nm，掃描速度為1 200 nm/min，激發發射帶通均為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 三維熒光區域積分（FRI）分析 尋峰法可滿足對有機物定性分析的需求，但其只考慮了特定熒光峰及峰值，大量熒光數據沒得到充分利用，在定量分析上還有一定的缺陷，FRI可以彌補這一不足。積分標準體積間接表征了其所代表有機物的相對含量。

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

2 結果與分析

2.1 不同分子量有機物同步熒光光譜

同步熒光（SFS）具有選擇性好、靈敏度高、干擾少等特點，能獲得較清晰的獨特波譜，獲得更多的結構和官能團信息，適合對多組分混合物的分析，已被廣泛用于評價有機物的結構和組分的變化[8]。圖1為不同分子量有機物同步熒光光譜。如圖1所示，不同分子量區間污水的SFS圖均出現5個熒光峰，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個區域，其中250～308 nm為類蛋白質熒光區（PLR），主要代表類蛋白質物質和單環芳香族化合物；308～363 nm為類富里酸區域（FLR），代表3～4個苯環結構的多環芳香族化合物，或2～3個共軛體系的不飽和脂肪族結構；363～595 nm為類腐殖酸區域（HLR），代表5～7個苯環結構的多環芳香族化合物[3，4]。顯然峰1為類蛋白質熒光峰，屬易降解類物質，其在各水樣中的含量相對較高；峰2為類富里酸熒光峰，屬可降解類物質，在各水樣中含量較類蛋白質物質低，同時表明水體中可能存在多環芳香族化合物或共軛不飽和脂肪族結構；峰3、峰4、峰5為類腐殖酸熒光峰，含量相對較低，該類物質分子量大、結構復雜、芳構化程度高，大多數屬于難降解類物質[8]。

由圖2可知，生活污水（Inf）有機物各組分中PLR值最高，HLR次之，FLR最小，即類蛋白質含量最高，類腐殖酸次之，類富里酸最低。類蛋白質是生活污水中的典型有機物，是區別于天然水和工業廢水的典型特征之一，含量相對較高。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熒光強度積分（AFLR，AHLR）占整個波長的比例可表征有機物的腐殖化程度[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，腐殖化程度不高；因膜過濾作用，以類蛋白質為主的大分子被截留，過濾液AFLR

2.2 不同分子量有機物三維熒光光譜

污水中含有大量的油脂、蛋白質、表面活性劑、腐殖酸、富里酸等共軛的具有熒光效應的有機物（FOM），FOM在特定激發波長下具有不同的熒光光譜，能夠揭示多有機物水樣組成和濃度差異，像指紋一樣與水樣中有機物一一對應，故稱為水質的熒光指紋[10]。Coble[11]將水環境中的熒光峰分為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。

不同分子量區間水樣三維熒光光譜圖見圖3，其對應的熒光峰位置及強度見表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為低激發類色氨酸熒光峰、Peak T1為高激發類色氨酸熒光峰，來源于洗滌、餐廚、排泄等；Peak A、Peak C為類腐殖酸熒光峰。類蛋白質熒光峰強度遠大于類腐殖酸，Peak T2熒光強度大于Peak T1，這與楊賽等[12]和Reynolds等[13]對污水熒光特性研究的結果是一致的，即污水中蛋白質熒光峰最強。也與陳茂福等[14]研究的清華大學校園生活污水的熒光特征是一致的。有機物從顆粒-溶解有機物（PDOM）到DOM的過程中其熒光峰位置基本不變，只是強度隨著分子量降低而減小。類蛋白質熒光峰隨著分子量降低，峰中心逐漸模糊；而類腐殖質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截留，使得原有的類蛋白質峰對類腐殖酸峰干擾和掩蔽作用減弱。

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

2.3 三維熒光光譜區域積分分析

不同分子量區間水樣EEM的區域積分分布見圖4。在各水樣中，以類酪氨酸、類色氨酸為主的類蛋白區（Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅳ區）約占總體熒光強度的60%～70%，進一步說明類蛋白質占水體有機物的絕大部分，與SFS、SFS區間積分及EEM分析法得到的結果一致。可生物降解部分（Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區）約占總熒光強度的90%左右，最高可達93%，說明該生活污水可生化性極強，選擇合適的工藝使之達標排放是可實現的。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，類腐殖酸相對比例逐漸增大，腐殖化程度逐漸增加，這也進一步說明膜對類蛋白質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。

3 結論

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

2）不同分子量區間生活污水中類蛋白質，類腐殖酸及類富里酸的SFS區間積分強度大小順序為類蛋白質區域>類腐殖酸區域>類富里酸區域，表明生活污水中蛋白質含量最高，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，其中類蛋白質峰熒光強度明顯強于類腐殖酸強度，蛋白質為水體的主要有機物。

4）熒光區域積分分析數據顯示，類蛋白質占總熒光區域標準體積的60%～70%，則進一步表明蛋白質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。

參考文獻：

[1] CHANG C N， CHAO A， LEE F S. Influence of molecular weight distribution of organic substances on the removal efficiency of DBP sina conventional water treatment plant[J]. Water Science and Technology，2000，41（10）：43-49.

[2] 薛 爽，梁 雷，趙慶良，等.二級處理出水中溶解性有機物的熒光特性[J].環境科學與技術，2010，33（7）：177-182.

[3] SANTOS L M， SIM？簟ES M L， MELO W J， et al. Application of chemometric methods in the evaluation of chemical and spectroscopic data on organic matter from oxisols in sewage sludge applications[J].Geoderma，2010，155（1-2）：121-127.

[4] 姚璐璐，涂 響，于會彬，等.三維熒光區域積分評估城市污水中溶解性有機物去除[J].環境工程學報，2013，7（2）：411-416.

[5] 賈陳忠，王焰新，張彩香，等.滲濾液中溶解性有機物組分的三維熒光特性[J].光譜學與光譜學分析，2012，32（6）：1575-1579.

[6] IMAI A， FUKUSHIMA T， MATSUSHIGE K， et al. Characterization of dissolved organic matter in effluents from wastewater treatment plants[J].Water Research，2002，36（4）：859-870.

[7] CHEN W， WESTERHOFF P， LEENHEER J A， et al. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter[J]. Environmental Science & Technology，2003，37（24）：5701-5710.

[8] AHAMAD S R， REYNOLDS D M. Synchronous fluorescence spectroscopy of wastewater and some potential constituents[J]. Water Research，1995，29（6）：1599-1602.

[9] PEURAVUORI J， KOIVIKKO R， PIHLAJA K. Characterization， differentiation and classification of aquatic humic matter separated with different sorbents： Synchronous scanning fluorescence spectroscopy[J]. Water Research， 2002，36（18）：4552-4562.

[10] WU J， PONS M N， POTIER O. Wastewater fingerprinting by UV visible and synchronous fluorescence spectroscopy[J]. Water Science and Technology，2006，53（4-5）：449-456.

[11] COBLE P G. Characterization of marine and terrestrial in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy[J]. Marine Chemistry，1996，51（4）： 325-346.

[12] 楊 賽，周啟星，華 濤.市政污水A/DAT-IAT系統中溶解性有機物表征與生態安全[J].環境科學，2014，35（2）：633-642.

[13] REYNOLDS D M， AHMAD S R. Rapid and direct determination of wastewater BOD values using a fluorescence technique[J].Water Research，1997，31（8）：2012-2018.

[14] 陳茂福，吳 靜，律嚴勵，等.城市污水的三維熒光指紋特征[J].光學學報，2008，28（3）： 578-582.

[15] WANG Z W， WU Z C， TANG S J. Characterization of dissolved organic matter in a submerged membrane bioreactor by using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy[J].Water Research，2009，43（6）：1533-1540.

[16] CHEN J， GU B， LEBOEUF E J， et al. Spectroscopic characterization of the structural and functional properties of natural organic matter fractions[J]. Chemosphere， 2002，48（1）：59-68.