基于三维荧光区域积分法的污水厂污水中溶性有机物分析

基于三维荧光区域积分法的污水厂污水中溶性有机物分析

在废水中溶解的有机物质（有机物质，如回水）约占总有机物的30%40%，是处理污水处理的主要目标。传统的有机污染物指标,如化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC),只能表示有机物的总量,无法区分易降解、可降解和难降解的有机物,也难以反映污水处理过程中各类溶解性有机物的组成和含量。城市污水中DOM主要包括氨基酸、腐殖质、油脂、亲水性有机酸和表面活性剂等有机污染物,这些有机物大多含有荧光基团,在特定波长的激发光照射下会产生特征波长的发射光。当样品浓度较低时,荧光强度与发光物质浓度成正比。荧光分析法测量简便,灵敏度比紫外-可见吸光法还要高2~3个数量级,在定性区分和定量测定污水中DOM方面具有很广的应用空间。近年来,同步荧光(synchronous-scanfluorescencespectroscopy,SFS)和三维荧光(excitation-emissionmatrix,EEM)技术已成功地应用于环境水体中DOM的识别和解析,包括河流、湖泊、地下水等水体的监测,水质评价等方面。其中三维荧光具有高灵敏度、高选择性、高信息量等优点,一些研究者已将该技术用于污水处理领域。三维荧光光谱是一定范围内激发(excitation,Ex)、发射(emission,Em)波长条件下荧光强度的集合,含有丰富的有机污染物荧光信息,大多数研究者采用寻峰法对这些荧光信息进行解析。但是由于荧光峰通常是由若干相互叠加的荧光基团产生的信号,有些可能无法识别或识别不准确。此外,寻峰法只考虑三维光谱中特定峰值,不能充分使用荧光指纹所携带的所有信息。荧光区域积分(fluorescenceregionalintegration,FRI)是另一种荧光光谱解析方法,可对多组分体系中荧光光谱的重叠对象进行光谱识别和表征,在一定程度上能够克服以上不足。本研究主要以三维荧光光谱技术为手段,对北京某典型城市污水厂处理过程中水体DOM的荧光特征进行解析,采用三维荧光区域积分提取有效的荧光指纹信息,表征污水处理过程中不同类型有机物的降解规律。同时比较三维荧光、同步荧光两者荧光指数与DOM含量变化的相关性,对三维荧光区域积分表征城市污水有机物去除的优劣度进行综合评估,为优化城市污水厂的运行、管理和监控提供技术参考。1材料和方法1.1试样的制备和样品的采集本研究所采集的水样来自北京市某大型城市污水厂。该污水厂采用廊道式缺氧-好氧(A-O)工艺,共设24座曝气池,每座长96m,宽28m,深6m。每座池隔成3条宽9.3m的廊道,第一廊道的进水端划出长45m作为缺氧区。污水经初沉池进入曝气池第一廊道,随后呈推流式依次折返经过第二、三廊道,最后进入二沉池。二沉池污泥回流进入曝气池缺氧段,污泥回流比50%~60%,每座曝气池前端回流污泥流入量10000~16000m3/d。各采样点位置如图1所示,样品S1取自初沉池出水,曝气池缺氧段顺水流流向每隔15m依次采集样品S2~S4,曝气池好氧段顺水流流向每隔30m依次采集样品S5~S10。样品S11为二沉池出水。采集的水样放入聚四氟乙烯塑料瓶内,迅速带回实验室。水样经0.45μm滤膜过滤后置于玻璃瓶中,在4℃冰箱内保存待用。所有水样分析在24h内完成。1.2荧光光谱扫描波长的选择样品TOC采用德国耶拿公司生产的multiN/C2100型TOC仪测定。荧光光谱采用日本日立公司生产的HitachiF-7000荧光分光光度计测定,设定仪器PMT电压:700V;狭缝宽带:Ex=5nm,Em=5nm,响应时间:自动。三维荧光光谱扫描的激发波长Ex=200~450nm,发射波长Em=260~550nm,扫描速度:1200nm/min。同步荧光扫描波长:260~550nm,波长差Δλ=Em-Ex=30nm,扫描速度:200nm/min。实验空白水为Milli-Q超纯水。1.3荧光区域积分体积和积分面积的计算方法三维荧光光谱在解析之前,先通过减空白和内插值法,修正三维荧光光谱被一次瑞利散射、二次瑞利散射及拉曼散射影响的区域,随后采用荧光区域积分(FRI)对EEM光谱进行定量分析。将三维荧光光谱分为5个区域,其中区域I和II所在范围分别为Ex/Em=(200~250)nm/(260~320)nm和Ex/Em=(200~250)nm/(320~380)nm;区域III和IV所在范围分别为Ex/Em=(200~250)nm/(>380)nm和Ex/Em=(250~450)nm/(260~380)nm;区域V所在范围Ex/Em=(250~450)nm/(>380)nm。通过Origin8.0计算某荧光区域的积分体积Φi,即具有相似性质有机物的累积荧光强度,对某荧光区域的积分体积进行标准化,得到某荧光区域积分标准体积Φi,n,从而反映了这一区域的特定结构有机物的相对含量,最后计算某荧光区域积分标准体积占总积分标准体积的比例Pi,n。同步荧光光谱在260~300nm范围内的积分面积通过荧光分光光度计自带软件进行计算,记为A260~300。采用多元统计软件SPSS16.0对各水样三维荧光FRI数据进行聚类分析(hierarchicalclusteranalysis,HCA),采用SPSS16.0检验水样TOC与各荧光指数的相关度水平。2结果与讨论2.1污水生物处理前后的荧光峰污水厂主要采样点水样的EEM和SFS光谱见图2。在初沉池出水的EEM图谱中出现4个非常明显的类蛋白荧光峰(B1、B2、T1、T2)。其中峰B1、B2荧光中心位置分别为Ex/Em=220/305nm和Ex/Em=275/305nm,属于酪氨酸荧光,分别位于图谱的区域I和IV。峰T1、T2荧光中心位置分别为Ex/Em=220/345nm和Ex/Em=275/345nm,属于色氨酸荧光,分别位于图谱的区域II和IV。另外在EEM图谱的区域III,有一个荧光强度相对较弱的紫外区类富里酸荧光峰(峰A)。在区域V有一个狭长的肩峰(峰C),属于可见光区类富里酸荧光峰。随着污水处理流程的进行,以上各荧光峰的强度均呈下降趋势,尤其以类蛋白荧光峰B1、T1下降最为明显。说明污水生物处理过程中,微生物的降解作用对蛋白质等有机物有显著的去除。图2中酪氨酸和色氨酸的荧光峰强度比值B2/B1和T2/T1分别由0.7和1.1(S1)增加到5.0和1.8(S11),这一结果与吴静等的研究结果一致。各种类蛋白荧光物质在Ex/Em=280/340nm和225/340nm两位置附近的荧光强度之比是各不相同的。城市污水经好氧处理以后这两个位置的荧光强度比明显增大,表明城市污水中除酪氨酸和色氨酸以外,还存在其他类蛋白物质,也可能生成了新的类蛋白荧光物质。此外,还与不同类蛋白物质生物可降解性的差异有关。荧光峰B1和T1主要位于区域I和II,而荧光峰B2和T2主要位于区域IV,污水处理过程中荧光峰强度比B2/B1和T2/T1的增大,说明区域IV的荧光峰强度的降幅小于区域I和II的荧光峰,从一个侧面也可以说明区域I和II的荧光物质较区域IV的荧光物质更易于生物降解。此外,从样品S8开始峰T1的激发波长由220nm红移至230nm,这种红移现象可以解释为色氨酸在污水处理过程中被氧化后,荧光基团中羰基、羧基和羟基的数量增加,导致其共轭效应增强。图2(f)为城市污水处理过程主要采样点水样的同步荧光光谱。如图所示,不同处理阶段水样DOM的同步荧光光谱中均出现3个特征荧光峰。根据已有报道可知,260~300nm范围内的峰A与蛋白质类易降解物质有关,而300~500nm内的峰B和峰C由类腐殖质等分子量较大,结构复杂,芳构化程度较高的有机物形成。峰A的中心位置位于波长275nm附近,随着污水处理流程的进行,峰A的荧光强度E275和积分面积A260~300均显著降低(表1),说明酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等物质被微生物大量降解。而峰B和峰C的荧光强度和积分面积在污水处理过程中无明显变化,表明两者与污水中难降解有机物有关。2.2污水中有机物的含量根据FRI计算方法,得到EEM光谱5个区域的积分标准体积Φi,n(表1)。由图2可知,区域I荧光信号主要由酪氨酸等类蛋白有机物产生,区域II主要与色氨酸有关,另外,根据文献报道,苯甲酸、苯乙酸等多种苯系物的荧光信号也在上述区域。区域III的荧光信号主要由紫外区类富里酸、酚类、醌类等物质产生,区域IV主要由污水处理过程中微生物代谢产物的荧光产生,如蛋白、辅酶、小分子有机酸、色素等。而区域V则与可见光区类富里酸、胡敏酸、多环芳烃等分子量较大、芳构化程度较高的有机物有关。各区域的积分标准体积Φi,n间接表征了各区域所代表有机物的相对含量。由表1可知,区域I和II的Φi,n均随污水处理过程TOC的降低而显著下降,两者从S1到S11降幅分别为94.3%和88.3%。区域III和IV的Φi,n也呈下降趋势,降幅相对较小。区域V的降幅最小,仅为37.5%。上述结果进一步证明,区域I和II为易降解DOM荧光区,区域III和IV属于可降解DOM荧光区,区域V为难降解DOM荧光区。另外,从表1中可以发现,污水处理流程缺氧段TOC的去除率达到45.3%,同时区域I和II的Φi,n在缺氧段的降幅也分别达到62.0%和46.8%。说明污水中DOM,特别是易降解基质在缺氧段得到大量去除。这可能是由于缺氧段微生物将大量有机物作为碳源用于反硝化作用,类蛋白等易降解基质得到优先利用,从而使有机物含量显著降低。区域IV的Φi,n在缺氧段的降幅达到57.6%,说明这一区域所代表的蛋白质、小分子有机酸等可降解基质也能作为碳源被反硝化菌利用,使得这一区域所代表的有机物得到大量去除。图3显示了各样品EEM图谱中5个区域标准体积所占比例Pi,n。从图中可以发现,初沉池出水(S1)中类蛋白物质(PI,n和PII,n)所占比例约为50%,其值随污水处理过程不断降低。区域III所占比例PIII,n保持相对稳定,微生物代谢产物和难降解有机物所占比例(PIV,n和PV,n)均呈逐渐上升的趋势。为了研究各水样三维荧光指纹特征的相似性,将图3中各水样的EEM数据导出进行聚类分析。如图4所示,当欧几里得距离小于10时,所有样品可以清晰的分为3类。第1类为初沉池出水(S1),第2类由缺氧段3组水样组成,与第1类存在一定的相似度,第3类由好氧段和二沉池出水组成。第3类中好氧段S10与二沉池出水S11相似度最高,表明从S10开始,即曝气池顺水流方向约225m处,溶解性有机物去除已基本完成。从好氧段S7开始,所有水样(S7~S11)可聚为一大类,说明从S7开始,污水有机物特征与二沉池出水已经较为相似。这也可以从表1中TOC和Φi,n的数据分析上得到证实。同时好氧段各水样也存在较好的区分度,说明采用EEM区域积分和聚类分析可以有效地辨别污水中DOM的指纹特征。2.3其他荧光指数法对表1中各水样荧光指数与TOC数据进行相关性分析可以发现(表2),各荧光指数与TOC均存在显著的正相关。从表1荧光指数分析结果看,TOC是逐步下降的,而荧光指数S8~S11已趋于稳定,甚至在S11还有所升高。TOC反映的是污水中溶解性有机物的总体含量,而各荧光指数代表的是污水中不同类型荧光物质的含量。两者的变化趋势存在一定的相关性,采用荧光指数能够表征污水中DOM的含量,但是荧光指数的变化规律与TOC不会完全一致。EEM中区域I、II、III、V的Φi,n与TOC的皮尔森指数均在0.9以上,其中区域II和III分别达到0.964和0.970。同步荧光指数A260~300和E275与TOC的相关性相对较弱,其皮尔森指数分别为0.888和0.865。各荧光指数与TOC的相关度从大到小依次为ΦIII,n>ΦII,n>ΦI,n>ΦV,n>ΦIV,n>A260~300>E275。以上结果表明,采用EEM区域积分较同步荧光指数,可以更为有效地表征城市污水中有机物的变化趋势,同时能够较好地区分污水中易降解、可降解和难降解有机物