田曦，劉瑩 ，左妍 ，紀曉娜 ，任志敏 ，李雪嬌，呂顏宏，邊德軍*

（1.長春工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012）

近年來國內許多學者將三維熒光光譜 （Three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy，3D-EEMs）技術應用于污水處理領域，任武昂等［1］研究了常溫下污水處理工藝中有機污染物經各處理單元后在組成、結構、光譜特性等方面的變化，用以追蹤水中溶解性有機物 （Dissolved Organic Matter，DOM）的來源、特性分析及變化規(guī)律。蘇鵬等［2］對常溫下無回流 A1／O／A2／VFCW裝置處理生活污水過程中各反應單元DOM進行監(jiān)測和分析，解析各反應單元有機物的組分及變化規(guī)律。周明羅等［3］采用三維熒光光譜和紫外光譜技術對MBBR處理校園污水處理過程中DOM類型、組成及含量的變化特征進行分析。

目前國內關于常溫污水中DOM的研究報道較多，而對低溫污水中DOM的研究鮮有報道。我國北方城市污水處理廠冬季運行過程中，由于溫度的降低，出現(xiàn)污水處理效果變差，出水水質不達標等問題［4］，正是在這些問題的基礎上，研制出了微壓內循環(huán)多生物相反應器 （Micro-Pressure Inner-Loop Bioreactor，MPR）。研究表明當溫度降到11℃時，序批式MPR出水的CODcr仍低于20mg／L，同時該反應器出水中 TP、氨氮、TN均達到GB18918—2002中的一級A標準，具有較強的同步有機物去除和脫氮性能［5］。MPR的內部流場分布規(guī)律、抗沖擊負荷性能、低溫菌群分析以及序批式MPR和SBR反應器對比降解性能的報道較多，但對MPR處理低溫生活污水中DOM熒光特性分析方面鮮有報道。

本文以11℃環(huán)境下序批式MPR內歷時水樣中DOM為研究對象，采用紫外-可見光譜、3DEEMs技術分析DOM內各熒光組分在MPR中遷移轉化規(guī)律，結合熒光區(qū)域積分法 （Fluorescence Regional Integration，F(xiàn)RI）定量分析MPR內低溫污水中DOM降解變化規(guī)律和DOM中各組分的去除特性。為低溫環(huán)境下MPR中DOM的研究提供了一個全面的理解，以期為低溫下MPR工藝的優(yōu)化控制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗裝置材料為有機玻璃板，分為上下兩部分，上部作用主要是抬高水位，使反應器內部處于微小壓力狀態(tài)，尺寸為500×80×60mm；下部為主反應區(qū)，尺寸為800×600×110mm，反應器有效容積為54L。采用空氣壓縮機進行單點曝氣，曝氣管固定在反應器的右下角，通過管道上的彌散孔，產生細小氣泡，推動水流向同一方向。當水流遇到頂部擋板時，它向左改變方向，在反應器中再循環(huán)，形成渦流，將污水與污泥混合。

1.2 試驗設計及運行條件

本試驗用水采用模擬城市污水，在恒溫房內進水箱中投加定量的可溶性淀粉、乙酸鈉、NH4Cl、KH2PO4、牛肉膏、蛋白胨、氫氧化鈉。

序批式MPR在恒溫房內，保證其運行時水溫保持在 （11±0.5）℃。序批式MPR每天運行兩個周期，具體的操作流程如下：進水0.5h，曝氣7h，沉淀4h，排水0.5h，利用轉子流量計控制曝氣量在 （3.5±0.2）mg／L，pH控制在8.0～8.5。三維熒光光譜測定過程中始終保持在11℃條件下測定，與MPR內水溫一致。

1.3 取樣時間及水樣保存

本試驗第一個水樣為進水，MPR曝氣1h后取出第二個水樣，之后每隔2h取樣一次，直至單個反應周期結束，共取出7個水樣。所有水樣經0.45μm濾膜過濾并且在24h內完成分析。所有水樣均為5個點位的混合水樣。

1.4 測量方法

1）紫外吸光光譜分析

紫外吸收光譜采用島津UV-2550型分光光度計測定。以純水為空白，測定各水樣的全波段譜圖及在 365nm（A365）、254nm（UV254）處的吸光度，計算得到E2／E3（UV254／A365），同時計算比紫外吸光度 SUVA254（SUVA254＝ （100×UV254／ρ（TOC）），SR為275～295與350～400波段斜率之比。TOC采用日本島津公司的TOC-5000A型總有機碳分析儀器測定。

2）三維熒光光譜分析

實驗儀器為Hitachi F-7000 Fluorescence Spectrophotometer，PMT Voltage：700V； Light Source：150W xenon lamp；Ex slit：Ex＝5nm，Em slit：Em＝5nm，response：auto。其Exwavelengh的掃描范圍為Ex＝200～450nm，Emwavelengh的掃描范圍為Em＝250～550nm；Scan speed：2400nm／min，為避免二級瑞利散射現(xiàn)象出現(xiàn)，故將295nm的截止濾光片添加在熒光發(fā)射光一側。

1.5 熒光數(shù)據(jù)的分析

在解析EEM光譜之前，先通過扣除空白，然后用內插值法處理，再將發(fā)射波長大于等于1倍激發(fā)波長處的區(qū)域及其鄰近區(qū)域 （±20nm）的結果置零，修正三維熒光光譜被一次瑞利散射及拉曼散射影響的區(qū)域，隨后采用熒光區(qū)域積分法進行定量分析［6］。EEM光譜分為 I、II、III、IV和 V區(qū)域，區(qū)域 I和 II：E x／E m＝200～250／280～330和 E x／E m＝200～250／330～380；區(qū)域 III和 IV：E x／E m＝200～250／380～550和 E x／E m＝250～450／280～380；區(qū)域 V：E x／E m＝250～450／380～550［7］。通過Origin9.1計算各熒光區(qū)域的積分體積Φi，然后對區(qū)域i的積分體積進行標準化，得到區(qū)域i的積分標準化體積Φi，n，表示熒光區(qū)域i中特定結構有機物的相對含量，各區(qū)域i的標準化積分體積占總標準化積分體積的比例即為Pi，n［8］。

積分標準化體積 （Φi，n）可以用下式表達：

式中：Φi為熒光區(qū)域 i的積分體積，au·nm2；I（λexλem）為區(qū)域中熒光強度，AU；Δλex、Δλem分別表示激發(fā)和發(fā)射波長的測定間隔，nm；Φi，n為熒光區(qū)域i的標準化積分體積，au·nm2；MFi為各個區(qū)域的乘法因子，等于相應區(qū)域投影面積的倒數(shù)；Ⅰ區(qū)為24.48，Ⅱ區(qū)為19.58，Ⅲ區(qū)為5.76，Ⅳ區(qū)為8.16，Ⅴ區(qū)為1.63。ΦT，n為總的熒光區(qū)域標準化積分體積，au·nm2；Pi，n為某一熒光區(qū)域i的標準化積分體積占總標準化積分體積的比例，%。

2 結果與討論（Results and discussion）

2.1 MPR中污水水樣紫外圖譜分析

MPR中歷時污水水樣的紫外圖譜見圖3。可知，在波長200～700nm范圍內，隨著波長的增加，所有水樣中紫外光譜的吸光度值逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)［9］。

圖1 11℃時MPR處理過程中不同時間點的紫外圖譜

溶解性有機物質屬于一類包含豐富共軛體系的有機化合物，會在光譜的紫外區(qū)有著較強的吸收能力［10］。單位有機碳含量吸光度又稱比紫外吸收值（SUVA254），該值可用于表征污水中DOM中含有雙鍵的有機物占總有機物的比例。E2／E3（UV254／A365）表征DOM小分子的比例大小，數(shù)值低說明DOM小分子比例越低；SR可表征DOM的分子質量大小，SR越低，DOM分子質量越大，DOM被微生物降解的反應活性的越大［11］。

由表1中E2／E3數(shù)值變化可知，低溫城市污水經MPR處理后，小分子物質在有機物中所占比例先降低后微微增加，但從UV254的變化可以確定有機物總量是符合大致減少的規(guī)律，E2／E3數(shù)值的增加可能是受到DOM減少所致，在整個MRP處理低溫污水的過程中，DOM中小分子物質所占比例是出水低于進水，符合微生物處理污水的一般規(guī)律，且處理效率較高；MPR出水SR數(shù)值較低，說明經MPR處理后DOM被微生物降解的反應活性有所增加。

進水SUVA254值為0.631L／（m·mg），經MPR處理后升高了133%左右，表明污水處理過程對低溫污水中不飽和有機物的降解能力低于飽和有機物［12］，這是由于不飽和鍵的鍵能大于飽和鍵，同類型單鍵 （飽和有機物的特征）與不飽和鍵比較，基本按雙鍵近2倍、叁鍵近3倍的規(guī)律增加鍵能，微生物對有機物的降解受鍵能影響，而選擇性的優(yōu)先降解了飽和有機物。但并不排除MRP對不飽和有機物具有一定的降解能力，雖然較飽和有機物的降解能力弱，但在MRP形成的內循環(huán)中，較傳統(tǒng)污水處理過程大大增加了微生物和有機物的接觸時間和機會，這會增加DOM的降解效率。經MPR處理后，出水中的飽和有機物含量占總有機物含量比例較低。從SUVA254數(shù)值來看，低溫下MPR的整個處理過程中非腐殖質有機物較多。

表1 不同時間點DOM的UV-vis吸收值

2.2 MPR處理污水過程中DOM三維熒光光譜分析

MPR進水、污水處理過程中不同時間點水樣及出水的DOM三維熒光光譜見圖2。圖2（a）中峰B1和峰 B2熒光中心位置為 E x／E m＝225／305、E x／E m＝275／305，屬于酪氨酸 （含對羥苯基）熒光峰，峰B1和峰B2分別為低、高激發(fā)波長酪氨酸熒光峰，分別位于圖譜中Ⅰ和Ⅳ區(qū)域。圖2（b）中峰T1和峰T2熒光中心位置分別為Ex／Em＝225／345和Ex／Em＝275／345，屬于色氨酸 （含吲哚基）熒光峰，峰T1和峰T2分別為低、高激發(fā)波長色氨酸熒光峰，分別位于圖譜的Ⅱ和Ⅳ區(qū)域；另外在Ⅲ區(qū)域出現(xiàn)了紫外區(qū)類富里酸熒光峰 （峰A），同時在Ⅴ區(qū)域發(fā)現(xiàn)類腐殖酸熒光峰 （峰D）［13］。

進水時出現(xiàn)了酪氨酸熒光峰B1和B2，當MPR開始曝氣后，峰B1和B2消失，隨之出現(xiàn)了色氨酸熒光峰T1、T2和峰A及峰D；當MPR曝氣5h后，峰T1和T2也消失，表明類蛋白質物質的熒光峰在經生化處理后基本消失，說明芳香類蛋白質物質易降解［14］。同時也可以印證UV254的數(shù)據(jù)，在酪氨酸和色氨酸中均含有紫外發(fā)色基團。

隨著MPR處理時間的增長，從熒光峰的中心位置看，峰T2、峰A均發(fā)生了紅移，有可能是一部分分子結構中紫外發(fā)色團消失、羰基、羧基等其他官能團的含量增加導致［15］，說明經MPR處理后出水的DOM小分子比例降低，符合紫外圖譜分析中的E2／E3數(shù)值的分析結果，并使水體中腐殖酸類物質增加［16］。

色氨酸熒光峰 T1、T2熒光強度降幅分別為36.5%和17.6%，因高、低激發(fā)波長色氨酸屬于易被微生物降解的有機物，經微生物的降解，色氨酸逐漸被分解轉化，致使峰T1、T2的熒光強度減弱。峰A的熒光強度的變化趨勢先降低后趨于平緩，但是降低幅度小于色氨酸熒光峰T1、T2熒光強度，說明MPR可有效分解利用生活污水中的類色氨酸物質，對類腐殖酸物質也有很好的降解效果，并且類色氨酸物質的降解效果好于類腐殖酸物質的降解效果。

圖2 MPR不同時間點水樣DOM熒光光譜

2.3 熒光區(qū)域積分體積在MPR中的變化

根據(jù)FRI計算方法，得到EEM光譜5個區(qū)域的積分標準化體積Φi，n［17］及5個熒光區(qū)域的標準化積分體積占總標準化積分體積的比例Pi，n（圖3）。區(qū)域I及區(qū)域II的熒光信號主要由芳香蛋白類物質I、II有關，區(qū)域III的熒光信號主要由紫外區(qū)類富里酸等物質產生，區(qū)域IV主要由污水處理過程中微生物代謝產物的熒光產生。而區(qū)域V則與腐殖酸類物質有關。各區(qū)域的積分標準化體積Φi，n間接表征了5個熒光區(qū)域中特定結構有機物的相對含量。

由圖3可知，出水總的熒光區(qū)域標準化積分體積比進水總的熒光區(qū)域標準化積分體積減少了6373.7 au·nm2，MPR中的DOM含量的降幅可達到77.7%，表明MPR對低溫污水中的DOM降解性較好。

總的熒光區(qū)域標準化積分體積在污水處理過程中呈現(xiàn)的先降低后增高再降低的趨勢，同時區(qū)域I、II、Ⅳ、Ⅴ的積分標準化體積均在污水處理過程中呈現(xiàn)的先降低后增高再降低的趨勢，它們的變化趨勢都是在曝氣5h后數(shù)值最低，并在曝氣7h后有較小的增高幅度，因此推斷此處數(shù)值的波動有可能是由于MPR剛好停止曝氣而造成的。區(qū)域I降幅為95.8%，區(qū)域II降幅為83.8%，區(qū)域IV降幅為81.2%，降幅相對較大，說明MPR對芳香蛋白類物質及微生物代謝產物的降解效果較好，區(qū)域V降幅相對較小，僅為31.1%，說明污水中腐殖酸類物質難被降解。區(qū)域III的的積分標準化體積先在歷時1時增大，之后逐漸減少；又在曝氣7h后增大，之后逐漸減少，符合紫外圖譜分析分析中的SR趨勢變化，說明DOM被微生物降解的反應活性在曝氣時逐漸增大，分析可能因停曝而導致反應活性受到了影響。上述結果進一步證明，區(qū)域I、II和IV為易降解DOM熒光區(qū)，區(qū)域V為難降解DOM熒光區(qū)。

由圖4可知，PV，n在MPR處理過程中呈現(xiàn)增高的趨勢，腐殖酸類有機物含量比例隨反應時間而增高，可能受小分子物質所占比例減少的影響，進一步說明符合紫外圖譜分析中的E2／E3數(shù)值的分析結果。同時可發(fā)現(xiàn)進水中類蛋白物質含量占總DOM含量的比例 （PI，n和 PII，n之和）約為 45.0%左右，其值隨污水處理過程不斷降低，芳香蛋白類物質I去除效果尤為明顯，難降解有機物所占比例 （PV）均呈逐漸上升的趨勢。

圖3 單周期內不同熒光區(qū)域積分標準化體積變化

圖4 單周期內熒光積分標準化體積貢獻率變化

3 結論

1）分析低溫下MPR污水處理過程中三維熒光譜圖，發(fā)現(xiàn)譜圖中出現(xiàn)6個明顯的熒光峰，得到低溫污水的DOM中主要熒光物質包含芳香蛋白類物質、紫外區(qū)類富里酸等物質、微生物的代謝產物與腐殖酸類物質。

2）探究MPR內低溫污水中DOM的遷移轉化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當MPR反應時間增加時峰T2、峰A均發(fā)生了紅移，說明DOM小分子比例降低可能是導致水體中腐殖酸類物質貢獻率增加的原因。曝氣5h后，色氨酸熒光峰和酪氨酸熒光峰均消失，說明低溫下芳香類蛋白質物質的降解速度很快。

3）結合FRI法探究低溫污水中DOM含量變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單周期內 ΦI，n降幅為 95.8%，ΦII，n降幅為83.8%，同時 PI，n和 PII，n之和對區(qū)域總積分體積的貢獻率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，說明類酪氨酸物質和類色氨酸物質均屬于易降解類物質。當MPR曝氣5h后，ΦT，n的降幅已達80%，進一步表明此時已達到最佳降解效果，DOM含量和類蛋白質物質已被大量去除。

4）由 ΦIII，n和 ΦIV，n的變化趨勢可知，當 MPR曝氣5h后類富里酸物質和微生物代謝產物也被大量去除，但是其兩者貢獻率在單周期內隨著反應時間的增加基本沒有變化。單周期內類腐殖酸物質含量的變化趨勢為先降低后趨于平穩(wěn)，但PV，n的變化趨勢則是先增大后趨于平穩(wěn)。