應用二維相關同步熒光光譜研究市政污水中溶解性有機物組分*

于本心 張廣彩 孫迎雪

(1.北京工商大學生態環境學院，北京 100048；2.中國環境科學研究院，流域水環境污染綜合治理研究中心，北京 100012)

市政污水中溶解性有機物(DOM)約占總有機物質量的30%～40%[1]，含有大量能夠產生熒光的帶有共軛鍵的官能團[2-4]。DOM的組分和含量不同，其熒光峰位置和熒光強度也就不同[5]。在一定濃度范圍內，熒光DOM含量與其熒光強度有關[6]。而且，熒光光譜是一種簡單快速、靈敏度高、選擇性強、成本低廉的檢測技術，已被廣泛用于識別水中DOM的組分和半定量分析[7-10]。

熒光光譜中的同步熒光光譜和三維熒光光譜已經成功地應用于污水中DOM組分識別和解析，并用于市政污水中DOM組分的去除特征研究[11-13]，但不能辨識熒光峰重疊的組分。利用二維相關(2D-COS)方法處理同步熒光光譜，不僅能通過延展熒光峰來分離重疊的熒光峰，而且能分析它們之間的相對含量，解釋它們的降解轉化過程[14-17]，還可利用主成分分析(PCA)方法對數據進行降維[18]。

本研究運用同步熒光光譜分析北京某大型市政污水處理廠處理過程中市政污水的DOM，應用PCA進行數據降維，識別出不同熒光峰位置的DOM組分，利用光譜積分面積對各DOM組分進行半定量，并計算它們的去除率，最后引入2D-COS方法研究污水處理過程中各DOM熒光組分，可為優化污水處理工段和提升污水處理效率提供技術參考。

1 方 法

1.1 樣品采集

水樣采自北京某大型市政污水處理廠，該廠污水處理能力為1.0×106m3/d，分別在沉砂池(1#)、初沉池(2#)、厭氧單元(3#)、缺氧單元(4#)、兼氧單元(5#)、好氧單元(6#)和二沉池(7#)的出水口設置了7個采樣點。在每個采樣點采集兩個平行樣品，帶回實驗室后過0.45 μm濾膜后在4 ℃條件下保存，2 d內完成熒光檢測。

1.2 同步熒光光譜檢測

利用熒光分光光度計(Hitachi F-7000，日本)檢測同步熒光。光源為150 W氙燈，光電倍增電壓為700 V，激發和發射狹縫寬度均設為5 nm，響應時間為0.5 s，掃描速率為240 nm/min，設置掃描時儀器自動校正。同步熒光掃描的激發波長為260～550 nm，發射波長與激發波長的波長差為30 nm，以Mill-Q水為空白，水樣光譜扣除空白[19-20]。

1.3 數據處理

用熒光分光光度計自帶的FL Solutions 2.1軟件計算各DOM組分光譜積分面積進行半定量。應用2D-shige軟件繪制2D-COS同步熒光光譜的同步和異步圖譜[21]。利用SPSS軟件進行PCA。

2 結 果

2.1 同步熒光光譜特征

由圖1可見，市政污水在不同處理過程中DOM同步熒光光譜都呈現出1個強尖峰和4個弱肩峰，其中強尖峰位于激發波長277 nm附近，屬于類酪氨酸熒光峰(TYLF)，由于該峰極強而覆蓋了激發波長310 nm附近的類色氨酸熒光峰(TRLF)，因此把這兩個峰統稱為類蛋白熒光峰(PLF)，是市政污水DOM的主要成分，主要源于人類生活污水中的較新鮮蛋白質[22]。第1個弱肩峰位于激發波長330 nm附近，屬于微生物代謝產物熒光峰(MLF)。第2和第3個弱肩峰分別位于激發波長370、420 nm附近，分別屬于紫外光區和可見光區的類富里酸熒光峰(FLF)。第4個弱肩峰位于激發波長480 nm附近，屬于類胡敏酸熒光峰(HLF)。總體而言，各熒光峰沿程減弱。

注：箭頭所示的熒光峰由上到下依次對應采樣點1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#。

各處理單元中污水DOM組分的熒光強度見表1。PLF的熒光強度由大到小依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#，表明類蛋白物質在污水處理單元中持續被去除，尤其是3#中PLF熒光強度大幅下降。但MLF和FLF在3#中熒光強度最大，HLF在2#中熒光強度最大。

表1 各處理單元中污水DOM組分的熒光強度

2.2 同步熒光的PCA

KMO統計量為0.84，大于0.50，并且p<0.01，表明污水中DOM的同步熒光數據適用于PCA[23]。7個采樣點的同步熒光光譜數據的共同度為0.994～1.000，表明同步熒光光譜數據在PCA過程中保留了大部分信息。對同步熒光光譜數據矩陣進行PCA，得到兩個主成分，解釋總方差的99.50%，其中主成分1(PC1)解釋96.75%，主成分2(PC2)解釋2.75%。

PCA結果見圖2。由圖2(a)可見，PC1的得分曲線呈現1個尖峰和4肩峰，其中尖峰(激發波長278 nm處)為PLF，第1個肩峰(激發波長332 nm處)為MLF，第2個肩峰(激發波長373 nm處)和第3個肩峰(激發波長425 nm處)為FLF，第4個肩峰(激發波長482 nm處)為HLF；PC2的得分曲線也呈現1個尖峰和4個肩峰，其中尖峰(激發波長274 nm處)為PLF，比PC1藍移了4 nm，第1個肩峰(激發波長310 nm處)為被覆蓋的TRLF，第2個肩峰(激發波長362 nm處)和第3個肩峰(激發波長415 nm處)為FLF，分別比PC1藍移了11、10 nm，第4個肩峰(激發波長470 nm處)為HLF，比PC1藍移了12 nm，在PC2中沒有出現MLF，表明所有采樣點的MLF均沒有發生波長漂移現象。由圖2(b)可見，7個采樣點被分成了兩組，第1組包括1#和2#，位于第1象限；第2組包括3#～7#，位于第4象限。

圖2 PCA結果Fig.2 Results of PCA

2.3 半定量分析DOM組分的去除情況

為了更加準確地分析DOM的去除情況，分別對激發波長260～320、320～360、360～460、460～550 nm范圍內的熒光強度進行積分來半定量表征PLF、MLF、FLF和HLF相對含量。PLF在1#～7#中的比例分別為86.55%、84.50%、70.10%、69.03%、65.81%、63.01%、61.17%，定量化地說明了PLF是污水DOM的主要成分。

PLF、MLF、FLF和HLF的總去除率分別為75.92%、1.38%、0.35%、20.71%，表明污水處理過程主要針對PLF進行去除。由圖3可見，PLF在初沉池、厭氧單元、缺氧單元、兼氧單元、好氧單元和二沉池6個處理單元中的去除率分別為19.60%、50.90、7.76%、18.50%、14.08%、5.57%，其中在厭氧單元中去除率最大，說明PLF易于被厭氧微生物降解。MLF、FLF和HLF在一些處理單元中出現負的去除率，說明MLF、FLF和HLF很有可能是PLF經微生物代謝產生的中間產物。

圖3 污水處理過程中DOM各組分的去除率Fig.3 Removal efficiency of each fraction in the sewage treatment process

2.4 2D-COS同步熒光分析

通過2D-COS同步熒光光譜的同步和異步圖譜分析，可以把PLF中熒光峰重疊的TYLF、TRLF區分開來，但HLF由于熒光強度非常弱，在2D-COS同步和異步光譜中沒有顯現出來，TYLF、TRLF、MLF和FLF 4個同步熒光光譜的熒光峰熒光強度變化表明，在污水處理過程中，去除率為TYLF>TRLF>MLF>FLF。

3 結 論

利用同步熒光光譜分析北京某大型市政污水處理廠處理過程中市政污水的DOM，發現1個強尖峰和4個弱肩峰，1個強尖峰為PLF，是市政污水DOM的主要成分，第1個弱肩峰為MLF，第2和第3個弱肩峰為FLF，第4個弱肩峰為HLF。PLF在污水處理單元中持續被去除，主要靠厭氧微生物降解。MLF、FLF和HLF很有可能是PLF經微生物代謝產生的中間產物。通過2D-COS同步熒光光譜的同步和異步圖譜可以把PLF中熒光峰重疊的TYLF、TRLF區分開來。