智國(guó)錚

(上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082)

前 言

溶解性有機(jī)物(Dissolved Organic Matter，DOM)廣泛存在于各類水體中，是可以通過0.45μm濾膜的有機(jī)物混合體[1]，包括腐殖質(zhì)(腐殖酸、富里酸)和一些親水性有機(jī)酸、核酸、氨基酸、碳水化合物、表面活性劑等，主要來源于人、動(dòng)物的分泌物和排泄物、生活用水的排放、生物的自然消解以及細(xì)菌分解產(chǎn)物等[2]。這些物質(zhì)中大多含有熒光基團(tuán)，在特定的激發(fā)波長(zhǎng)照射下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)特征波長(zhǎng)的發(fā)射光，不同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)不同，所吸收光的波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)也不同。三維熒光光譜技術(shù)(Three Dimensinonal Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectra，3DEEM)能夠通過獲得激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度信息，準(zhǔn)確獲取熒光組分的組成及濃度等信息，對(duì)多組分物質(zhì)進(jìn)行光譜識(shí)別和表征。不同水體的熒光光譜存在差異，主要體現(xiàn)在圖譜形狀、熒光峰位置、熒光峰強(qiáng)度及熒光峰個(gè)數(shù)等方面，在污廢水方面，其表現(xiàn)出的熒光特征差異為表征、區(qū)別水體性質(zhì)提供了依據(jù)，可以用于自然水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、污水處理效果評(píng)價(jià)，以及水體污染溯源和突發(fā)性外水進(jìn)入判斷等方面。

1 三維熒光光譜技術(shù)原理

物質(zhì)分子在受到短波長(zhǎng)激發(fā)光照射后，通過吸收光子能量，分子中的電子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，以輻射躍遷的方式回到基態(tài)，并發(fā)射出能夠反映物質(zhì)特性的長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光[3]。待測(cè)物質(zhì)分子成為激發(fā)態(tài)時(shí)所吸收的光為激發(fā)光，處于激發(fā)態(tài)的分子回到基態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的光為發(fā)射光。熒光主要發(fā)生在帶有芳香環(huán)或共軛雙鍵等不飽和鍵的功能基團(tuán)[4]，包括腐殖酸類和蛋白質(zhì)類，其中，腐殖酸是自然界中常見的有機(jī)物，普遍存在于天然水體、土壤以及沉積物中，蛋白質(zhì)是城市污水中的主要污染物，主要來自于洗滌廢水、食品殘余物和排泄物等，其熒光性質(zhì)由具有芳香結(jié)構(gòu)的氨基酸產(chǎn)生，包括色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸，其中苯丙氨酸的熒光強(qiáng)度較低，很少被檢測(cè)到[5-6]。

通過三維熒光光譜得到的熒光強(qiáng)度隨激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)變化的關(guān)系譜圖即為三維熒光光譜，包括激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)及熒光強(qiáng)度三個(gè)方面，三維熒光光譜攜帶豐富的光譜信息，根據(jù)不同物質(zhì)的光譜特征，可以提取表征污染物三維熒光光譜的特征參量，定量表達(dá)光譜信息，從而鑒別不同種類的環(huán)境污染物。目前已有大量研究對(duì)DOM的熒光區(qū)域進(jìn)行了劃分[7～10]，如上圖所示，區(qū)域Ⅰ～Ⅱ?yàn)楹辑h(huán)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，區(qū)域Ⅲ為富里酸類物質(zhì)，區(qū)域Ⅳ為微生物代謝產(chǎn)物，區(qū)域Ⅴ為腐殖酸類物質(zhì)，其中腐殖酸類物質(zhì)可以進(jìn)一步進(jìn)行劃分，如陸源腐殖酸類、難降解腐殖酸類等。

圖 水體中各種DOM熒光區(qū)域劃分Fig. Classification of various DOM fluorescence regions in water

1.1 三維熒光光譜矩陣數(shù)學(xué)修正

EEM光譜原始數(shù)據(jù)中除DOM信號(hào)峰以外，還存在一二階瑞利散射和拉曼散射，會(huì)對(duì)待測(cè)物質(zhì)本身的熒光峰產(chǎn)生影響，特別是一階瑞利散射存在較大的熒光強(qiáng)度。在處理和分析三維熒光數(shù)據(jù)前，需要對(duì)熒光光譜的矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)修正。

常用的去除瑞利散射的方法包括置零法、空白扣除法、Delaunay三角形內(nèi)插值法等[11]，其中，對(duì)于置零法，由于瑞利散射在熒光光譜中的位置位于發(fā)射波長(zhǎng)與激發(fā)波長(zhǎng)相等的區(qū)域，出現(xiàn)的位置較為固定，該方法通過將該區(qū)域及其附近值設(shè)置為零，能夠消除瑞利散射的干擾，然而該方法會(huì)損失散射區(qū)域的熒光信息，不利于分析的準(zhǔn)確性。空白扣除法通過將樣本的光譜矩陣數(shù)據(jù)減去空白水樣的數(shù)據(jù)，達(dá)到消除瑞利散射的目的。Delaunay三角形內(nèi)插值法通過利用散射峰周圍的有效數(shù)據(jù)擬合散射區(qū)域的數(shù)值，可以有針對(duì)性地處理散射區(qū)域，而不改變非散射區(qū)的熒光強(qiáng)度，該方法能夠保證熒光物質(zhì)光譜信息的真實(shí)性，應(yīng)用較為普遍。

拉曼散射的強(qiáng)度一般較低，在高純水的原始三維熒光圖譜中可以清晰看到，通過將樣品的原始三維熒光光譜矩陣數(shù)據(jù)減去高純水的矩陣數(shù)據(jù)，可以避免水分子導(dǎo)致的拉曼散射效應(yīng)。

1.2 平行因子分析模型

三維熒光光譜中包含了大量信息，但是由于熒光團(tuán)之間存在相互干擾和重疊的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的峰識(shí)別方法只能識(shí)別譜圖中的幾個(gè)峰值點(diǎn)，會(huì)造成大量數(shù)據(jù)的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致熒光組分的識(shí)別和判斷出現(xiàn)偏差，需要采用相關(guān)方法進(jìn)行組分分解。平行因子分析模型(PARAFAC)是一種基于三線性分解理論，采用交替最小二乘法原理進(jìn)行三維矩陣分解的算法，能夠?qū)?fù)雜的三維熒光矩陣分解為獨(dú)立的熒光組分，公式如下[12]：

式中：xijk表示第i個(gè)樣品在激發(fā)波長(zhǎng)k和發(fā)射波長(zhǎng)j處的熒光強(qiáng)度；

ain表示第i個(gè)樣品中第N個(gè)熒光組分的相對(duì)濃度；

bjn表示第N個(gè)熒光組分的發(fā)射矩陣載荷值；

ckn表示第N個(gè)熒光組分的激發(fā)矩陣載荷值；

εijk表示殘差立方陣E(I×J×K)的殘差元素；

N表示正確擬合PARAFAC模型所需要的組分?jǐn)?shù)，根據(jù)對(duì)半檢驗(yàn)法進(jìn)行確定。

ain與第i個(gè)樣品的第n個(gè)分析成分的物質(zhì)濃度成比例關(guān)系，bjn與矩陣bn的第n個(gè)分析成分在發(fā)射波長(zhǎng)j下的熒光量子率成線性關(guān)系，ckn與激發(fā)波長(zhǎng)k下的特殊吸收因子成線性比例關(guān)系。

通過利用PARAFAC模型，在沒有噪聲、其他參數(shù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)假設(shè)、沒有光譜形狀假設(shè)的情況下，混合物的熒光峰信號(hào)能夠分離為單獨(dú)組分，從而避免多組分熒光重疊的現(xiàn)象。

2 三維熒光光譜技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用

水環(huán)境中的DOM來源包括外源和內(nèi)源，其中外源主要為大氣、陸地等系統(tǒng)中的有機(jī)物通過降雨、地表徑流以及滲透等過程進(jìn)入水體，表現(xiàn)為腐殖酸類占主要成分[13]。內(nèi)源主要與水體生物的活動(dòng)密切相關(guān)，如藻類或水體微生物等通過自身的腐爛分解產(chǎn)生，主要組分為蛋白質(zhì)類[14]。目前三維熒光光譜技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用主要通過利用不同水體表現(xiàn)出的熒光特征差異，對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以及對(duì)污染來源進(jìn)行追溯，包括自然水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、水體污染溯源、污水處理效果評(píng)價(jià)等。

2.1 自然水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

三維熒光光譜技術(shù)能夠用于海洋、湖泊、河流、地下水等自然水體污染源的解析研究，可以判斷水體受外源輸入和內(nèi)源輸入的影響程度。純凈自然水體中的DOM熒光物質(zhì)主要由有機(jī)物在水體中分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)組成，城鎮(zhèn)化程度的加大會(huì)導(dǎo)致水體中蛋白質(zhì)熒光峰強(qiáng)度逐漸增加[15]。Borup Brett等[16]分別對(duì)西班牙Fork污水處理廠以及受納水體的熒光特性進(jìn)行了研究，分析了受納水體與污水排放之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在污水廠上游水樣中僅有富里酸峰存在，而在污水排放口和下游樣品中均有明顯的富里酸峰和色氨酸峰存在，因此當(dāng)水體中檢測(cè)到富里酸峰和色氨酸峰時(shí)，表明有廢水存在。張歡[17]應(yīng)用該方法對(duì)派河和南淝河進(jìn)行了DOM光譜分析，通過利用熒光指數(shù)FI、生物源指數(shù)BIX和腐殖化指數(shù)HIX，在空間和時(shí)間上對(duì)污染源進(jìn)行了解析。結(jié)果表明派河DOM來源具有內(nèi)源和陸源輸入雙重特點(diǎn)，主要由于接納了各大支流的匯水及污水廠尾水，同時(shí)灌溉用水和降雨徑流中攜帶的大量腐爛植物和土壤腐殖質(zhì)，成為重要的外源有機(jī)質(zhì)輸入來源。因此，該方法可以通過對(duì)自然水體和污水各自熒光特征的分析，判斷水體受到污染的程度。

三維熒光光譜技術(shù)還可以用于解析地下水中溶解性有機(jī)物的組成特征和季節(jié)性變化規(guī)律。何小松等[18]對(duì)山東壽光市的地下水進(jìn)行了有機(jī)物的三維熒光檢測(cè)，共設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)，分別在1月、5月、8月及12月進(jìn)行采樣，結(jié)果表明地下水中有機(jī)物主要來自于微生物，在夏季和秋季較強(qiáng)，冬季減弱。腐殖酸類組成穩(wěn)定，隨季節(jié)變化小，蛋白質(zhì)類物質(zhì)組分來源差異較大，隨季節(jié)變化明顯。

2.2 水體污染溯源

目前三維熒光光譜技術(shù)也被引入到排水系統(tǒng)領(lǐng)域，包括不同污染源特征解析、排水管網(wǎng)來水情況解析等。在污染源方面，由于不同類型的污廢水所包含的熒光類溶解性有機(jī)物存在差異，對(duì)應(yīng)的熒光圖譜也會(huì)產(chǎn)生差別，已有大量關(guān)于不同類型污廢水特征的研究，包括印染廢水、造紙廢水、煉油廢水、生活污水等。周圓等[19]對(duì)印染廢水的特征及污水處理效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明印染初始廢水中主要存在酪氨酸類和色氨酸類的蛋白質(zhì)熒光峰、微生物源腐殖酸類、陸源腐殖酸類，經(jīng)過處理后，蛋白質(zhì)的熒光強(qiáng)度明顯降低，其中色氨酸類物質(zhì)被顯著去除，在出水中僅在陸源腐殖酸類區(qū)域檢測(cè)到熒光峰存在，表明該物質(zhì)較難被生物降解。Sandra Ciputra等[20]對(duì)原始造紙廢水以及經(jīng)過離子交換樹脂處理、顆粒活性炭吸附、納濾處理后水體的三維熒光特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明原始造紙廢水包含陸源腐殖酸類、難降解腐殖酸類、酪氨酸類和色氨酸類4種組分，其中以腐殖酸類組分熒光強(qiáng)度最大，在經(jīng)過工藝處理后，酪氨酸類和色氨酸類組分去除效果最佳，腐殖酸類去除效率最低，說明腐殖酸類的物質(zhì)性質(zhì)最為穩(wěn)定。

在不同污染源熒光特征解析的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步對(duì)排水管網(wǎng)的來水情況進(jìn)行溯源。Chen等[21]分別研究了生活污水、滲透性下墊面、非滲透性下墊面，以及沉積物的熒光特征，結(jié)果表明新增生活污水以色氨酸類組分為主，存留時(shí)間較長(zhǎng)的生活污水和沉積物以酪氨酸類組分為主，滲透下墊面為易被降解的陸源腐殖酸類，非滲透下墊面包含大量的人為源腐殖酸類組分。進(jìn)一步對(duì)雨天溢流污水進(jìn)行采樣，可以利用各種來源水體的熒光特征指示相應(yīng)的污染貢獻(xiàn)情況，從而對(duì)排水管網(wǎng)溢流污染狀況進(jìn)行控制。

2.3 污水處理效果評(píng)價(jià)

三維熒光光譜技術(shù)同樣可以用于大型污水廠進(jìn)出水性質(zhì)的研究，對(duì)污水處理效果進(jìn)行分析。Shi等[22]對(duì)中國(guó)不同省市的14個(gè)采用A2O工藝的污水處理廠進(jìn)行三維熒光檢測(cè)，結(jié)果表明蛋白質(zhì)組分最容易去除，出水較進(jìn)水減少86.86%±6.38%，其次是腐殖酸類和糖類，腐殖酸是較難處理的有機(jī)成分，很難通過生物處理去除。施俊等[23]運(yùn)用該方法，研究了揚(yáng)州某污水廠進(jìn)出水中DOM組分的變化，主要含有色氨酸類、酪氨酸類和腐殖酸類3種熒光組分，其中色氨酸類和酪氨酸類屬于蛋白質(zhì)成分，主要來源于各類洗滌劑、食物和人畜的排泄物。由于城市污水通過管道輸送，不接觸土壤，腐殖酸類含量很少，主要來源于一些難降解物質(zhì)和微生物代謝產(chǎn)物。污水廠出水中色氨酸類和腐殖酸類含量相對(duì)于進(jìn)水略有增加，酪氨酸類含量下降較為明顯。在時(shí)間上，由于冬季溫度和微生物活性低，蛋白質(zhì)的降解效率相對(duì)較低，應(yīng)引起重視。綜上，三維熒光光譜技術(shù)能夠用于污水處理效果的研究，更好的指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有很好的參考和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 展 望

三維熒光光譜技術(shù)能夠通過利用不同水體中存在的熒光特征差異，只需少量的低濃度水樣，即可快速分析水環(huán)境中的污染來源和水體性質(zhì)，以及突發(fā)性外水進(jìn)入的情況?？梢远ㄐ詤^(qū)分和半定量測(cè)定污水中的蛋白質(zhì)類和腐殖酸類有機(jī)物，具有靈敏度高、選擇性好、測(cè)試迅速、消耗化學(xué)藥劑少、儀器操作簡(jiǎn)單，以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)。然而，三維熒光光譜技術(shù)僅限于對(duì)樣品中部分有機(jī)成分的熒光物質(zhì)較靈敏，而對(duì)于無機(jī)離子的濃度變化無響應(yīng)，在應(yīng)用情景上存在局限性。同時(shí)，由于三維熒光光譜特征受到pH、溫度、金屬離子等因素的影響，使用單一少量的熒光圖譜對(duì)污染特征進(jìn)行解析會(huì)存在不確定性，應(yīng)開展和建立污染源及污染受體熒光圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，三維熒光光譜技術(shù)在定量解析水環(huán)境污染來源方面，主要有最大熒光強(qiáng)度比值法[24]、熒光區(qū)域積分法[25]，但是準(zhǔn)確定量解析的能力仍存在很大不足，應(yīng)與其他污染溯源技術(shù)如水質(zhì)特征因子方法結(jié)合使用，以提高對(duì)復(fù)雜水質(zhì)的分析能力。

在未來的應(yīng)用過程中，與三維熒光技術(shù)在水環(huán)境中其他方面的應(yīng)用類似，由于排水管網(wǎng)中污水的蛋白質(zhì)組分主要來自于生活污水，同時(shí)該技術(shù)的方法較為簡(jiǎn)單、快捷，因此可以根據(jù)水體中存在的蛋白質(zhì)含量，快速分析管道中地下水的滲入情況，進(jìn)一步與管道物探檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，縮小物探檢測(cè)范圍，節(jié)省人力、物力以及時(shí)間成本。同時(shí)，由于排水管網(wǎng)旱天來水一般較為穩(wěn)定，其具有的三維熒光光譜特征也應(yīng)較為相似，因此可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位建立熒光圖譜庫(kù)，在檢測(cè)到圖譜出現(xiàn)異常時(shí)，可以用于判斷突發(fā)性外水進(jìn)入的情況。

4 總 結(jié)

三維熒光光譜技術(shù)在獲取不同污染源熒光圖譜特征的基礎(chǔ)上，可以用于自然水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、污水處理效果分析、水體污染來源和突發(fā)性外水進(jìn)入情況的解析，能夠快速反映水體的污染特征，具有操作簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)仍存在一定的缺陷，在不確定性分析以及定量解析方面，需要通過建立熒光圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)以及與其他技術(shù)結(jié)合，不斷進(jìn)行完善。