水平潜流人工湿地光谱研究：溶解性有机物去除特性

1.测试方法和数据处理

对人工湿地系统中溶解性有机物的采样时间为2010年8月。采样前，使用铬酸洗液清洗作为样品瓶的250 mL棕色磨口试剂瓶，用去离子水冲洗后于105℃烘干，待用；同样用铬酸洗液清洗保存样品的125 mL棕色磨口试剂瓶，再用去离子水清洗后于450℃马弗炉中烘烧3 h，待用；将抽滤水样时需要使用的GF/F膜（0.7nm，25 mm，Whatman，UK）于450℃马弗炉中烘烧3 h，待用。

采取水样，使用预先灼烧过的GF/F膜抽滤后，装入125 mL棕色磨口试剂瓶，待用，当天完成测试。

样品在同济大学长江水环境教育部重点实验室崇明水环境研究基地，采用紫外-可见吸收光谱（750～250 nm；SHIMADZU，UV2450 UV-Visible Spectrophotometer）以及三维荧光光谱（three-dimensional excitation emission matrix，3D EEM；HITACHI，F4500 Fluorescence Spectrophotometer）进行测定分析。

样品的吸光度用紫外-可见分光光度计测定，波长扫描范围为700～200 nm，以1 nm为步长，中速扫描。使用超纯水做基线，空白为去离子水。三维荧光光谱用荧光分光光度计测定，参数设置为PMT电压700V，带通Ex=5 nm、Em=10 nm，响应时间0.5s，扫描速度12 000 nm/min，扫描光谱波长范围为Ex=220～400 nm、Em=250～550 nm，空白为超纯水。本书中出现的相对荧光强度（记为I）是指荧光光度计仪器检测出的荧光峰的峰值。荧光强度用硫酸奎宁单位（QSU）来进行标准化，以消除不同仪器之间的差别，便于对不同文献中的数据进行比较。1 QSU等于溶解于0.1m硫酸溶液中1 μg/L的硫酸奎宁溶液在350/450 nm（激发/发射）波长下的荧光强度。

（1）紫外-可见吸收光谱

为了消除仪器之间的差别，国际上普遍使用吸收系数来表征有色溶解有机物的浓度，从而使数据之间可以进行比较，具体操作如下：吸收系数的计算：

式中　a′λ——波长λ未校正的吸收系数，m-1；

Dλ——吸光度；

r——光程路径，m。

由于过滤清液中可能残留细小颗粒从而引起散射，为此作如下散射效应订正：

式中　aλ——经校正后波长λ处的吸收系数，m-1；

a′λ——波长λ未校正的吸收系数，m-1；

λ——波长，nm。

不同文献选择不同波长处的吸收系数来表征有色溶解有机物的浓度，但较多使用355 nm处的吸收系数a355来表征。为了与相关的文献结果之间具有可比性，本书中也使用355 nm处的吸收系数a355来表征。另外，用a250与a365的比值a250/a365来表征有色溶解有机物的分子量大小。

（2）三维荧光光谱数据处理方法

本文使用ORIGIN 7.0和SUFER 8.0处理三维荧光光谱数据得到三维荧光光谱谱图，具体步骤不在此赘述。

（3）平行因子计算模型拟合方法

三维荧光光谱结合平行因子分析法（Parallel factor analysis，PARAFAC）有助于从定性和定量两个角度来分析溶解性有机物的特征和来源。PARAFAC模型也称三线性模型，是对PCA推广的一种分解方法。把一个I×J×K的三维数据集X分解为三个载荷矩阵A、B和C，其数学表达式为

式中　Xijk——第i个样品的第j个发射波长和第k个激发波长处的荧光强度；

aif——第i个样品的第f组分浓度得分；

bjf，ckf——第f组分在第j个发射波长和第k个激发波长上的估算数值；

F——组分数目；

eijk——模型残差。

标准的PARAFAC模型算法是基于交互最小二乘算法时的残差平方和最小。

水散射峰的存在会影响三维荧光光谱定量分析和谱图荧光基团的分析，特别是对于低浓度的溶解性有机物样品，水的散射峰会严重干扰样品检测和荧光光谱峰的判断。水的散射峰对荧光光谱的影响主要是拉曼散射（Raman scattering）和瑞利散射（Rayleigh scattering）。通常，扣除空白可以去除部分拉曼散射的影响，而拉曼标准化处理则可以去除拉曼散射和部分瑞利散射。

2.紫外-可见光谱扫描对有色溶解有机物在湿地空间变化的表征

紫外-可见光谱扫描主要是分析溶解性有机物中的有色溶解有机物（CDOM），虽然其并不能完全反映污水中有机物的变化，但是其对湿地中溶解性有机物的降解还是具有一定的参考价值。不同文献选择不同波长处的吸收系数来表征有色溶解有机物的浓度，但较多使用355 nm处的吸收系数a355来表征。UV254是衡量水中有机物指标的一项重要控制参数，天然水体和污水处理厂二级处理出水中的主要有机污染物（占DOC的40%～60%），如木质素、丹宁、腐殖质和各种芳香族有机化合物，在254 nm处有强烈的吸收，并且国内外许多文献资料表明水中水中色度、TOC、DOC、CODCr等和UV254值的大小具有一定的相关性，所以通过UV254可间接反映水中有机污染物的程度，故可以采用其作为水中有机物含量的替代参数。分析表明，有机污染物的分子量越大，水体中的UV254值越高，分子量大于3 000 Da以上的有机物是水中紫外吸收的主体。紫外-可见吸收光谱中的a300/a400是衡量腐殖质的腐殖化程度、芳香性及分子量的相关参数，一般而言，随着a300/a400的减小，腐殖质的腐殖化程度、芳香性相对增大。Artinger的研究表明，腐殖化程度较高时，a300/a400小于3.5。De Haan的研究表明，a250/a365随着分子量的增加而减少，呈负相关性。因此本书选择250 nm，254 nm，300 nm，355 nm，365 nm，400 nm这5个波长处的吸收系数进行分析。取2010年8月23日两种人工湿地进出水及其沿程空间样点进行分析。

陶粒填料和沸石填料水平潜流人工湿地各点特征吸收系数和比值如表6-4和表6-5所示。从a355来看，基本上人工湿地中各点的吸收系数都呈现出沿程降低的趋势，但是在人工湿地的前1/2段，两种人工湿地a355值的变化趋势却略有不同，陶粒填料湿地CW-1随着湿地的长度逐渐下降，吸收系数降低了43.3%，而沸石填料湿地CW-2的a355值却呈现出先上升后下降的趋势，从湿地进水口到湿地1/2处吸收系数下降了10%。在湿地的后1/2段，CW-1、CW-2的a355值基本没有发生变化。污水经过人工湿地处理后，CW-1出水的a355值远低于CW-2，分别为0.015，0.025。这与a254和DOC的变化趋势惊人地相似，如图6-19所示。将紫外-可见吸收光谱和DOC做相关性分析，结果表明在两种人工湿地中所取的样品在254 nm和355 nm处的吸收系数与DOC有一定的线性关系，相关系数R2分别为0.882，0.909。从关系图中可以得出水中的DOC和DOM的变化趋势是一致的，证明人工湿地污水中的DOM在污水总有机质中占有很大比例。(https://www.xing528.com)

表6-4　陶粒-水平潜流人工湿地各点DOC值、特征吸收系数及比值

表6-5　沸石-水平潜流人工湿地各点DOC值、特征吸收系数及比值

图6-19　特征吸光度、吸收系数、DOC含量沿程变化规律及其相互关系

a300/a400越大，腐殖质的腐殖化程度、芳香性越低，总的来看，各采样点a300/a400均远大于3.5，这表示各点水样的腐殖化程度均不高，芳构化程度较低。CW-1、CW-2湿地进水中的a300/a400均小于湿地出水，这说明经过人工湿地的处理，污水中的腐殖化程度和芳香性均有了不同程度的下降。在湿地中，a300/a400呈现出先升高后下降的趋势，腐殖化程度的变化趋势与之相反，先降低后略微升高。在湿地中，腐殖化程度高的物质往往很难被植物和微生物利用分解，这个趋势可能反映了水平潜流人工湿地中有机物的利用状况。在人工湿地的前段，由于植物微生物对湿地中有机物的吸收利用，使人工湿地中有机物的浓度降低，被植物、微生物利用吸收的不仅含有易于分解的溶解性有机质，而且还包含了一部分难于被生物利用的腐殖化程度相对较高的物质，所以在人工湿地前半段，污水的腐殖化程度沿着其在湿地床中流动距离的增加而降低；在湿地后半段，随着植物、微生物生长活动所产生的复杂稳定的有机物——腐殖质的增多，出水的腐殖化程度也随之略微升高。

a250/a365可表征水中溶解性有机物的分子量，研究表明，a250/a365与溶解性有机物的重均分子量呈反比。从表6-4和6-5中可以看出，a250/a365基本上是沿程逐渐升高，反映分子量逐渐降低的趋势，与凝胶过滤色谱所得的结论相一致，这可能是由于人工湿地系统对有机物良好的降解作用，使得水中的大分子有机污染物不断地向低碳小分子转化，虽然植物、微生物的生长活动会产生一些复杂、稳定的大分子有机物，但是其产生量并不会影响水中的有机物向低碳小分子转化的趋势。与CW-2系统相比，CW-1系统对有机污染物向低碳小分子转化更为彻底，对有机污染物的去除效果更好。

3.三维荧光光谱扫描对溶解有机物在湿地空间变化的特征

三维荧光光谱在天然水体或受污染水体中的溶解性有机物研究中被广泛应用，其具有灵敏度高、受干扰小、检测速度快、对样品无破损、用样量少以及对物质具有良好鉴定性等优点。与吸收光谱相比，三维荧光光谱可以揭示不同性质的荧光峰的位置及其相对的荧光强度等信息，进而能够揭示溶解性有机物组成和来源。目前已见报道的常见荧光基团（图6-20）有：类色氨酸荧光基团S（Ex=220～230 nm，Em=320～350 nm）和T（Ex=270～280 nm，Em=320～350 nm）；类酪氨酸荧光基团D（Ex=220～ 230 nm，Em=300～310 nm）和B（Ex=270～280 nm，Em=300～310 nm）；紫外类富里酸荧光基团A（Ex=230～260 nm，Em=380～480 nm）；可 见类富里酸荧光基团C（Ex=320～350 nm，Em=420～480 nm）和M（Ex=290～320 nm，Em=370～420 nm）；类腐殖酸荧光基团E（Ex=350～440 nm，Em=430～510 nm）。

图6-20　有色溶解有机物常见荧光基团的3DEEM示意图

表6-6　水平潜流人工湿地各采样点EEMs特征荧光峰比较

水平潜流人工湿地采样点水样中溶解性有机物的EEMs图谱如图6-21所示。在进水中可以分辨出有四个荧光峰出现，分别是可见类富里酸M、紫外类富里酸A、类色氨酸S和类色氨酸T。分析荧光光谱数据中四个特征荧光峰的出峰位置及变化（表6-6），出水中M峰的相对荧光强度分别降低了19.15%，13.58%，S峰降低了3.51%，2.17%，T峰降低了10.67%，12.64%，而A峰几乎没有发生变化。M峰和T峰的相对荧光强度在沿程上逐渐减小，M峰和T峰基本上全都是在人工湿地的前1/2段被削减，S峰呈现出先增大后减小的趋势。S峰和T峰属于类蛋白质物质，M峰和A峰属于类腐殖质物质。国内外文献均表明，类蛋白峰能很好地表征水环境的污染状况，一般生活污水或微生物活动强烈的水体都可以表现出极强的类蛋白荧光，因此可以把S、T峰的削减视为有机污染物在湿地系统中的分解去除作用。同时我们可以发现，虽然T峰是溶解性微生物代谢产物，但是其还是能够被湿地中的植物、微生物所分解利用，S峰的荧光强度并没有明显地减小，这可能是因为色氨酸类芳香族蛋白质不能够为湿地中的植物与微生物所降解利用。M峰为可见类富里酸物质，A峰为紫外类富里酸物质，都属于类腐殖质物质，M峰相对荧光强度的降低说明了本人工湿地小试系统只对类腐殖质中的可见类富里酸具有削减作用。一般来说，类腐殖质物质化学性质较为稳定、难于分解，较难被生物利用，而人工湿地系统对其却有去除作用，从这个意义上来说，人工湿地系统对有机物的去除应该得到加分。

图6-21　水平潜流人工湿地中各采样点溶解性有机物的EEMs图谱

荧光指数（fluorescence index，f450/500）可表征溶解性有机物中腐殖质的来源。f450/500是指激发光波长Ex为370 nm时，荧光发射光谱在450 nm与500 nm处的强度比值。McKnight et al.（2001）提出，陆源溶解性有机物和生物来源溶解性有机物这两个端源f450/500值分别为1.4和1.9。本书中人工湿地进出水的f450/500值分别为1.84，1.91，1.81，说明湿地水样中的腐殖质主要为生物来源。同时，富里酸芳香性与荧光指数f450/500呈负相关，较高的f450/500值揭示了湿地出水中腐殖类物质芳香性较弱，含有的苯环结构较少。

一些研究认为，类蛋白荧光强度与可见类富里酸荧光强度比值r（S，M）一般可以反映水体的污染情况。r（S，M）计算公式为

r(S，M)=IS/IM

其中，IS和IM分别为类蛋白荧光强度和可见类富里酸荧光强度。各点的r（S，M）如表6-7所示。r（S，M）值为1.13～1.40。而研究受污染河流溶解性有机物的r（S，M）一般大于1.5，说明湿地进出水的污染程度不高。

紫外类富里酸荧光强度与可见区类富里酸荧光强度比值r（A，M）是一个与有机质结构和成熟度有关的指标，r（A，M）值受有机质分子的大小、溶液pH等因素影响。r（A，M）计算公式为

r(A，M)=IA/IM

其中，IA和IM分别为紫外类富里酸荧光强度和可见类富里酸荧光强度。

r（A，M）值如果发生变化，说明在溶解性有机物中将至少含有两种类型的富里酸荧光基团。如果只含有一种基团，则r（A，M）应该为一个定值。系统各点r（A，M）如表6-7所示，r（A，M）值发生了变化，说明系统进出水溶解性有机物中不止含有一种富里酸荧光基团。

表6-7　水平潜流人工湿地各采样点水样中溶解性有机物的荧光参数

腐殖化指数（HIX）可以用于估算有机质的腐殖化程度或成熟度，HIX是H/L的值，定义为波长254 nm处激发下，发射波长在435～480 nm（H）与300～345 nm（L）波段内的荧光强度平均值的比率。研究认为腐殖化程度较高的有机物具有较高的HIX（10～16），主要来自陆源，而较低的数值（＜4）有可能为生物来源。湿地中各点的HIX如表6-7所示，可见HIX值均小于4，说明人工湿地进出水腐殖化程度都较低，湿地中的有机物有可能来自微生物的生命活动和死亡分解。

从PARAFAC分析得到2个荧光组分Component1（C1）和Component2（C2），2组分激发发射光谱和轮廓图如图6-22所示。C1的最佳激发/发射波长为Ex=232～235 nm（283～286 nm）/Em=342～350 nm，属于类色氨酸荧光基团S、T；C2的最佳激发/发射波长为Ex=253～259 nm（337～343 nm）/Em=434～446 nm，属于类富里酸荧光基团C、A。与Coble（1996）划分的荧光峰比较发现，C1的最佳激发/发射波长与紫外类富里酸荧光峰A的激发/发射波长较为吻合，C2的最佳激发/发射波长分别与类色氨酸荧光峰S、T的激发/发射波长较为吻合，这说明C1、C2可能分别与荧光峰A、S和T有关。

图6-22　C1、C2组分的激发和发射光谱以及轮廓线