刘文 严小东 吴曼 等

摘要：采用超滤及微滤膜法对生活污水进行分级，以荧光光谱为基本分析手段，结合荧光区域积分（FRI）法研究不同分子量区间组分的荧光特性。结果表明，不同分子量区间水样的同步荧光光谱图（SFS）中均含有3类荧光峰，分别为类蛋白质峰、类富里酸峰及类腐殖酸峰，其中类蛋白质峰荧光最强；类蛋白质、类腐殖酸及类富里酸的SFS区间积分强度大小顺序为类蛋白质区域>类腐殖酸区域>类富里酸区域，表明生活污水中蛋白质含量最高，腐殖酸次之，富里酸最少；各水样三维荧光光谱（EEM）图中主要存在4类荧光峰，分别为Peak T1、Peak T2、Peak A、Peak C，其中类蛋白质峰强度明显强于类腐殖酸；荧光区域积分（FRI）分析表明，类蛋白质占总标准体积60%～70%，进一步表明蛋白质为水体有机物的主要成分；膜孔径越小，类腐殖酸含量越高，腐殖化程度越高。

关键词：有机物；分子量分布；荧光光谱；荧光区域积分

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：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）

有机物分子量分布可以在一定程度上反映水体中有机物特性[1]。不同的水处理工艺对不同分子量有机物的去除效果相差很大。了解污水的分子量分布特点，对研究水体中有机物分布特性以及水处理过程中污染物的降解机理具有重要的作用，有助于合理选择处理工艺，提高水处理效果，节约成本。

生活污水中的有机物复杂多样，目前还无法完全获得其准确的结构和组成信息。荧光光谱法相较于其他分析方法，具有成本低、预处理简单、灵敏度高（比紫外光谱法高2～3个数量级）、不破坏样品等优点，被广泛运用于水体有机物研究[2-4]。荧光区域积分（FRI）法将荧光图谱分成多个区间后进行积分，减少光谱重叠相互干扰对光谱分析引起的误差。目前，国内外学者对污水中有机物分离分级研究较多。贾陈忠等[5]运用三维荧光光谱技术研究了垃圾渗滤液中6种有机物组分的荧光特性。Imai等[6]运用树脂和体积排阻色谱对生活污水出水和渗滤液出水进行了研究。这些研究对有机物的指纹光谱荧光峰及其特性做了一定的定性分析，但对生活污水分离分级后不同组分荧光光谱积分分析的研究甚少。

本研究以某高校生活污水为研究对象，采用超滤膜法对其进行分子量分级，得到分别包含不同分子量区间有机物的试验水样，运用同步荧光光谱、三维荧光光谱技术及区域积分法，对水体中不同分子量区间有机物的荧光特性进行表征和比较分析，旨在探究水体中不同分子量区间有机物的分布特性，为合理选择处理工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验水样

试验水样取自某高校生活污水外排口，其常规指标为CODcr=120～280 mg/L，TOC=25～52 mg/L，TN=31～51 mg/L，NH3-N=27～42 mg/L。水样用4 L棕色聚丙烯瓶密封，4 ℃下保存备用。

1.2 不同分子量有机物分级

1.2.1 膜预处理 试验所用的微孔滤膜（0.22、0.45、1.20、5.00 μm）材质均为醋酸纤维素（CA），直径为50 mm，使用前微孔滤膜均用超纯水蒸煮至少3次，每次不少于1 h，用超纯水冲洗后放于冰箱中备用。试验所用的超滤膜（1、10、100 ku）均为美国Amicon公司生产的PL系列再生纤维素（RF）滤膜，膜直径为63.5 mm，超滤膜在使用前用去离子水浸泡漂洗3次，每次至少1 h，去除滤膜可能带来的污染，处理完后放于冰箱中备用。超滤膜配套美国Millipore 8200型超滤杯使用，有效容积为180 mL，有效膜面积为28.7 cm2，最大耐压为0.53 MPa，配套磁力搅拌装置，压力驱动力为N2，过滤压力为0.1～0.3 MPa。

有机物的分子量与其粒径大小有关联，故本研究中用膜孔径代表其相应的分子量。

1.2.2 膜过滤试验 为减小浓差极化的影响，本试验采用连续逐级过滤法对不同分子量有机物进行分级。具体步骤如下：水样依次通过0.22、0.45、1.20、5.00 μm微孔滤膜，1、10、100 ku超滤膜。各分子量膜过滤水样前，先过滤200 mL超纯水，过滤水样时先废弃初液约100 mL，在超滤时每次取样后必须剩余一定量水样并将之废弃，以保证不压干超滤杯中的水样而影响超滤膜的性能。

1.3 荧光光谱分析

1.3.1 同步荧光光谱（SFS）分析 荧光仪器为美国Perkin Elmer LS-55。SFS扫描参数：扫描范围为250～600 nm，扫描速度为500 nm/min，Δλ=30 nm。对不同样品进行适当稀释至TOC小于10 mg/L，以消除高浓度样品内滤效应干扰。

1.3.2 三维荧光光谱（EEM）分析 EEM扫描参数：Ex=200～540 nm，Em=250～600 nm，扫描速度为1 200 nm/min，激发发射带通均为10 nm。样品荧光光谱减去去离子水的荧光光谱以去除拉曼散射的影响。

1.3.3 三维荧光区域积分（FRI）分析 寻峰法可满足对有机物定性分析的需求，但其只考虑了特定荧光峰及峰值，大量荧光数据没得到充分利用，在定量分析上还有一定的缺陷，FRI可以弥补这一不足。积分标准体积间接表征了其所代表有机物的相对含量。

Chen等[7]将三维荧光光谱图分为5个区域，其中区域Ⅰ和区域Ⅱ分别为Ex/Em=（200～250）/（260～320） nm和Ex/Em=（200～250）/（320～380） nm；区域Ⅲ为Ex/Em=（200～250）/（>380） nm；区域Ⅳ为Ex/Em=（250～450）/（260～380） nm；区域Ⅴ为Ex/Em=（250～450）/（>380） nm。其中区域Ⅰ和区域Ⅱ以芳环类蛋白质物质为主，也含苯甲酸、苯乙酸等苯系物，为易降解有机物荧光区；区域Ⅲ以类富里酸物质为主，也含有酚类、醌类等物质，为可降解有机物荧光区；区域Ⅳ为以色氨酸、酪氨酸为主的微生物溶解性产物（SMPs），为可降解有机物荧光区；区域Ⅴ以类腐殖酸物质为主，含有PAHs等分子量较大、芳构化程度较高的有机物，为难降解有机物荧光区。通过Matlab软件计算三维荧光光谱各区域的积分，并将其标准化。

2 结果与分析

2.1 不同分子量有机物同步荧光光谱

同步荧光（SFS）具有选择性好、灵敏度高、干扰少等特点，能获得较清晰的独特波谱，获得更多的结构和官能团信息，适合对多组分混合物的分析，已被广泛用于评价有机物的结构和组分的变化[8]。图1为不同分子量有机物同步荧光光谱。如图1所示，不同分子量区间污水的SFS图均出现5个荧光峰，分别为峰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]将同步荧光光谱分为3个区域，其中250～308 nm为类蛋白质荧光区（PLR），主要代表类蛋白质物质和单环芳香族化合物；308～363 nm为类富里酸区域（FLR），代表3～4个苯环结构的多环芳香族化合物，或2～3个共轭体系的不饱和脂肪族结构；363～595 nm为类腐殖酸区域（HLR），代表5～7个苯环结构的多环芳香族化合物[3，4]。显然峰1为类蛋白质荧光峰，属易降解类物质，其在各水样中的含量相对较高；峰2为类富里酸荧光峰，属可降解类物质，在各水样中含量较类蛋白质物质低，同时表明水体中可能存在多环芳香族化合物或共轭不饱和脂肪族结构；峰3、峰4、峰5为类腐殖酸荧光峰，含量相对较低，该类物质分子量大、结构复杂、芳构化程度高，大多数属于难降解类物质[8]。

由图2可知，生活污水（Inf）有机物各组分中PLR值最高，HLR次之，FLR最小，即类蛋白质含量最高，类腐殖酸次之，类富里酸最低。类蛋白质是生活污水中的典型有机物，是区别于天然水和工业废水的典型特征之一，含量相对较高。富里酸主要来源于土壤，通过有限的校园地表径流带入下水管道的富里酸有限，故类富里酸含量较低。FLR和HLR荧光强度积分（AFLR，AHLR）占整个波长的比例可表征有机物的腐殖化程度[9]，即AFLR值越高则腐殖化程度越低，AHLR值越高则腐殖化程度越高。图2反映过膜后的水样腐殖化程度均较生活污水高。生活污水中含有大量类蛋白质，腐殖化程度不高；因膜过滤作用，以类蛋白质为主的大分子被截留，过滤液AFLR

2.2 不同分子量有机物三维荧光光谱

污水中含有大量的油脂、蛋白质、表面活性剂、腐殖酸、富里酸等共轭的具有荧光效应的有机物（FOM），FOM在特定激发波长下具有不同的荧光光谱，能够揭示多有机物水样组成和浓度差异，像指纹一样与水样中有机物一一对应，故称为水质的荧光指纹[10]。Coble[11]将水环境中的荧光峰分为6类：Peak A，类腐殖酸荧光峰，Ex/Em=（237～260）/（400～500） nm；Peak B，类酪氨酸荧光峰，Ex/Em=（225～237）/（309～321） nm，275/310 nm；Peak T1，类色氨酸荧光峰，Ex/Em=275/340 nm；Peak T2，类色氨酸荧光峰，Ex/Em=225～237/340～381 nm；Peak C，类腐殖酸荧光峰，Ex/Em=300～370/400～500 nm；Peak M，海洋腐殖酸荧光峰，Ex/Em=312/380～410 nm。

不同分子量区间水样三维荧光光谱图见图3，其对应的荧光峰位置及强度见表1。从图3和表1中可知，4类比较明显的荧光峰分别是位于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为低激发类色氨酸荧光峰、Peak T1为高激发类色氨酸荧光峰，来源于洗涤、餐厨、排泄等；Peak A、Peak C为类腐殖酸荧光峰。类蛋白质荧光峰强度远大于类腐殖酸，Peak T2荧光强度大于Peak T1，这与杨赛等[12]和Reynolds等[13]对污水荧光特性研究的结果是一致的，即污水中蛋白质荧光峰最强。也与陈茂福等[14]研究的清华大学校园生活污水的荧光特征是一致的。有机物从颗粒-溶解有机物（PDOM）到DOM的过程中其荧光峰位置基本不变，只是强度随着分子量降低而减小。类蛋白质荧光峰随着分子量降低，峰中心逐渐模糊；而类腐殖质荧光峰随着分子量降低，峰中心逐渐清晰。这可能是膜过滤作用将含量较高的蛋白质截留，使得原有的类蛋白质峰对类腐殖酸峰干扰和掩蔽作用减弱。

水样过5 μm膜后，区域Ⅴ的类腐殖质就有明显的成峰趋势，过0.45 μm膜后Ⅴ区荧光峰明显，但Peak T2和Peak T1荧光中心不明显，并且在一定程度上发生了偏移。表3显示过0.22 μm膜后，类蛋白质荧光峰中心向发射波长发生了5～10 nm的红移。根据Wang等[15]和Chen等[16]的研究，荧光峰的红移与荧光基团中羰基、羧基、羟基和胺基的增加有关，可能是由于膜的截留作用，使得滤过液有机物中相关的官能团含量相对增加有关。水样过0.45 μm膜后，出现了一个比较明显的峰，位于Ex/Em=291/400 nm左右，为可见区类富里酸峰，其强度与Peak T1相当，含量相对不高，极易被附近的Peak T1、Peak A、Peak C掩蔽，符合土壤带入的特点。但该峰在过100 ku膜后就不明显，说明该峰代表的有机物的分子量大于100 ku。

2.3 三维荧光光谱区域积分分析

不同分子量区间水样EEM的区域积分分布见图4。在各水样中，以类酪氨酸、类色氨酸为主的类蛋白区（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区）约占总体荧光强度的60%～70%，进一步说明类蛋白质占水体有机物的绝大部分，与SFS、SFS区间积分及EEM分析法得到的结果一致。可生物降解部分（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区）约占总荧光强度的90%左右，最高可达93%，说明该生活污水可生化性极强，选择合适的工艺使之达标排放是可实现的。FRI可作为一种快速判别水体可生化性的方法加以推广使用。从PDOM到DOM，类腐殖酸相对比例逐渐增大，腐殖化程度逐渐增加，这也进一步说明膜对类蛋白质大分子具有一定的截留作用，类腐殖酸的分子量小于类蛋白质。

3 结论

1）不同分子量区间水样SFS图均有3类荧光峰，分别为类蛋白质荧光峰，类富里酸荧光峰及类腐殖酸荧光峰，其中类蛋白质荧光峰强度相对较强，表明类蛋白质在水样中含量相对较高。

2）不同分子量区间生活污水中类蛋白质，类腐殖酸及类富里酸的SFS区间积分强度大小顺序为类蛋白质区域>类腐殖酸区域>类富里酸区域，表明生活污水中蛋白质含量最高，腐殖酸次之，富里酸最少。过膜后水样的腐殖化程度均较过膜前生活污水高。

3）EEM图谱说明，水体中主要存在4类荧光峰，分别为Peak T1、Peak T2、Peak A、Peak C，其中类蛋白质峰荧光强度明显强于类腐殖酸强度，蛋白质为水体的主要有机物。

4）荧光区域积分分析数据显示，类蛋白质占总荧光区域标准体积的60%～70%，则进一步表明蛋白质为该低生活污水主要成分；膜孔径越小，类腐殖酸含量越高，腐殖化程度越高。

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