王 悅，彭小武，程 艷，王文全，王曉愚，孟永霞，張 健

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆環(huán)境污染防治與風險控制重點實驗室，烏魯木齊 830012；3.新疆環(huán)境保護科學研究院，烏魯木齊 830012；4.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；5.上?，k源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003)

0 引 言

【研究意義】近年來，隨著我國制藥業(yè)和食品業(yè)的迅猛發(fā)展，酵母工業(yè)增長勢頭強勁；同時出口量也大幅提高，年平均遞增超過20%。其主要是利用廢糖蜜作生長碳源，以硫酸銨、氯化鈉、硫酸鎂、磷酸銨等作營養(yǎng)鹽生產(chǎn)酵母。由于酵母不能完全利用廢糖蜜中的有機物，剩余有機物以及酵母在生長代謝過程中產(chǎn)生的新有機物均進入廢水中，產(chǎn)生高濃度的有機廢水。酵母工業(yè)廢水中有機物按其狀態(tài)可分為溶解性有機物(dissolved organic matter，DOM)和顆粒有機物(particulate organic matter，POM)兩類，其中DOM占總有機物的30%～40%，也是工業(yè)廢水處理的主要對象[1，2]。DOM是一類非均質(zhì)混合物，主要包括類蛋白、類氨基酸、親水性有機酸和類腐殖酸等，組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。它一般通過其配位基團(如酚羥基和羧基等)與工業(yè)廢水及沉積物中其他物質(zhì)相互作用[3]。三維熒光光譜(three—dimensionalexcitation emission matrix fluorescence spectroscopy，3DEEM)可用于檢測含芳烴基團的有機化合物和它們的烷基同系物，是一種靈敏、快速和簡便有效的有機物檢測方法。不同芳烴組分和分子結(jié)構(gòu)的烷基或環(huán)烷芳烴同系物在不同發(fā)射和激發(fā)波長下產(chǎn)生各自的特征熒光“指紋”，并具有不同的熒光強度[4]。采用三維熒光光譜技術(shù)研究酵母產(chǎn)品加工企業(yè)污水DOM熒光“指紋”的特征，不僅對于了解和掌握該行業(yè)廢水處理效果，進一步改進處理工藝具有參考作用；更重要的是可為環(huán)境水體水污染溯源提供科學依據(jù)。【前人研究進展】目前，三維熒光光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水溶性有機污染物分析與研究。已有研究表明，水溶性有機物的三維熒光光譜圖通常表現(xiàn)為4類熒光峰：紫外區(qū)類腐殖酸熒光峰A峰[5]，其激發(fā)波長(λEx)與發(fā)射波長(λEm)的比值范圍為240～265/425～435 nm；可見區(qū)類腐殖酸熒光峰C峰[6]，激發(fā)波長(λEx)與發(fā)射波長(λEm)的比值范圍為310～360/370～450 nm；類酪氨酸熒光峰B峰，其激發(fā)波長(λEx)與發(fā)射波長(λEm)的比值范圍為270～275/295～300 nm或260～290/300～350 nm；類色氨酸熒光峰T峰，其激發(fā)波長(λEx)與發(fā)射波長(λEm)的比值范圍為230～235/345～390 nm[7]。其中A峰和C峰主要為陸源污染，B峰與T峰主要與微生物降解產(chǎn)生的芳香性類蛋白結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括外源輸入中生活、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)排水等攜帶的微生物以及水體中自身的微生物[8]。傅青平等[5]利用三維熒光光譜研究了河流、湖泊等不同來源DOM的熒光光譜特性，對各類熒光峰譜的特性做出了相應(yīng)解釋；蔣劍凱等[9]用三維熒光指紋技術(shù)對北京某公園2個相鄰的景觀湖水水質(zhì)進行了長期定期監(jiān)測，探究了水質(zhì)的主要影響因子和變化規(guī)律，結(jié)果表明，2個湖湖水均有明顯的類蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)酸的熒光，且類蛋白質(zhì)的熒光強度較強；楊毅等[10]研究了pH對城市生活污水二級出水中DOM的三維熒光光譜特性的影響，指出pH改變可使得DOM的聚合度以及粒徑發(fā)生變化，從而影響熒光基團，導(dǎo)致DOM熒光強度的變化。很多研究用生物源指數(shù)(BIX)、熒光指數(shù)(FI)和腐殖化指數(shù)(HIX)等3項熒光指標來表示DOM的不同來源，如胡霞等[11]、王齊磊等[12]利用這3項指標追蹤了河流、湖泊等DOM的不同來源。大量研究證實，在DOM發(fā)射波長為355 nm處的吸收系數(shù)，即a(355)可用來表征水體DOM的濃度變化，且a(355)越大表明DOM濃度越高[11，13-16]?！颈狙芯壳腥朦c】水體DOM的熒光特征受較多環(huán)境因素的影響，如環(huán)境溫度、pH和DOM濃度等，這些環(huán)境因素都或多或少引起水體DOM熒光光譜的熒光強度和熒光峰位置的變化，從而導(dǎo)致熒光光譜性質(zhì)的改變。要實現(xiàn)水體污染物的快速準確溯源，獲得相對穩(wěn)定的污染源三維熒光光譜特征是必須要解決的問題。研究污染源進入受納水體后的三維熒光光譜隨環(huán)境因子的變化特征，是進行污染溯源的重要基礎(chǔ)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用三維熒光光譜技術(shù)，以某城市酵母廠污水為研究對象，分析企業(yè)水體DOM的三維熒光光譜特性，探討不同濃度以及pH條件對該企業(yè)污水DOM三維熒光指紋特性的影響規(guī)律，為確定該企業(yè)污水相對穩(wěn)定的三維熒光指紋奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

取某城市酵母廠污水處理設(shè)施的進口及出口原水作為試驗水樣，采樣時間為2019年6月30日。用于進行三維熒光試驗的水樣保存于100 mL的棕色玻璃瓶，依次編號，采樣后立即運回實驗室通過0.45 um濾膜過濾后置于4℃冰箱中冷藏規(guī)水質(zhì)指標的水樣，按照地表水和污水監(jiān)測規(guī)范(HJ/T 91-2002)的要求，在現(xiàn)場進行預(yù)處理(添加保護劑)后，在4℃的環(huán)境下避光保存，帶回后進行凱氏氮、化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標的測定，采樣同時現(xiàn)場測定水樣的pH及溫度。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

DOM濃度試驗：不改變酵母廠污水處理設(shè)施進水與出水的pH值，將水樣分別稀釋1、2、3、4、5、6倍，將溫度保持為25℃，分別對各稀釋水樣其進行三維熒光光譜測定。

pH效應(yīng)試驗：用0.1 mol/L的HClO4與0.1 mol/L的NaOH溶液分別將酵母廠污水處理進、出口水樣pH調(diào)節(jié)至2、4、5、6、8、10、12，溫度設(shè)置為25℃后測定各樣品的三維熒光光譜。

1.2.2 參數(shù)測定

試驗所涉及常規(guī)污染指標均采用國家標準所規(guī)定的方法測定。COD采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)，凱氏氮采用硒催化礦化法(GB11891-89)[17]，TN采用過硫酸鉀—紫外分光光度法(GB11894-89)[18]，TP采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)[19]。

各樣品三維熒光光譜采用HORIBA公司生產(chǎn)的Aqualog熒光光譜儀測定，激發(fā)光源為150 W氙燈，激發(fā)波長(Ex)與(Em)發(fā)射波長的掃描范圍分別是240～800和245～845 nm，積分時間為0.1 s，狹縫寬度為3 nm，所用比色皿為1 cm四通石英比色皿。用Milli-Q水作為空白樣，Aqualog系統(tǒng)自動扣除樣品的拉曼散射，并消除瑞利散射的影響。

1.2.3 熒光指數(shù)與a(355)

(1)熒光指數(shù)(FI)

三維熒光特征指數(shù)可以進一步解析和反映水體中 DOM 的來源、污染程度等。其中，熒光指數(shù)(FI)[20]是指激發(fā)波長為370 nm時，發(fā)射波在450和500 nm處熒光強度的比值。其可區(qū)分DOM的陸地來源和微生物來源，當FI<1.4，則表示DOM主要來自土壤或陸源，當FI值介于1.4～1.9，則代表污水DOM既有內(nèi)部微生物活動產(chǎn)生也有外部土壤或陸源輸入[21]。

(2)生物源指數(shù)BIX

生物源指數(shù)BIX 指激發(fā)波長為310 nm時，發(fā)射波長在380和430 nm處熒光強度的比值，反映DOM中自生源的貢獻率[22]，BIX值在0.8～1時，說明水體DOM表現(xiàn)為較強的自生源特征；當BIX>1時，則表示DOM受外源影響較大[23]。

(3)腐殖化指數(shù)HIX

腐殖化指數(shù)HIX為在激發(fā)波長λEx=254 nm時，激發(fā)波長λEm為435～480 nm與300～345 nm波段內(nèi)的熒光強度積分值(或平均值)的比率[24]。HIX可用于估計溶解有機質(zhì)的腐殖化程度，有研究表明，一般當HIX<4，代表腐殖化程度較低[23]。(4)a(355)

研究采用a(355)作為水樣DOM的濃度，其是指在發(fā)射波長為355 nm處的吸收系數(shù)，計算公式為：a(λ)=2.303D(λ)/L，其中D(λ)為波長λ處的吸光度，L為光程路徑(m)[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 酵母廠污水處理進出水熒光特征

研究表明，該企業(yè)污水處理進水出現(xiàn)明顯的B峰和C峰，出水出現(xiàn)明顯的C峰和A峰。進水主要為類蛋白熒光峰與腐殖酸熒光峰，出水主要為腐殖酸熒光峰，基本沒有類蛋白熒光峰的出現(xiàn)。進水的類蛋白熒光強度高達9 002 a.u，出水C峰強度是進水的1.73倍。圖1，表1

表1 某城市酵母廠污水處理廠進出水熒光峰位置和熒光強度Table 1 Fluorescence peak position and fluorescence intensity of influent and effluent from a municipal yeast plant wastewater treatment plant

圖1 某城市酵母廠污水處理進水口、出水口三維熒光光譜Fig. 1 Three-dimensional fluorescence spectra of inlet and outlet of sewage treatment plant of an urban yeast plant

未經(jīng)處理的廢水各常規(guī)污染指標都非常高，呈現(xiàn)典型的有機污染特性，可為環(huán)境水體帶來較高的有機污染風險。而經(jīng)過UASB[1]工藝處理后出，出口水體凱氏氮濃度相比進水減少了98.6%，總氮減少94.4%，總磷減少了90%，COD減少了97.1%，而出水的類蛋白熒光峰也基本消失，表明進水極高的類蛋白熒光強度與凱氏氮、COD、總氮和總磷等指標存在正相關(guān)關(guān)系。表2

表2 某城市酵母廠污水處理進出水常規(guī)參數(shù)指標Table 2 Routine parameters of influent and effluent from a yeast plant in a city

研究表明，該廠污水處理進、出水的FI值均在1.4～1.9，進水的FI值更接近1.9，其內(nèi)源特征更為明顯，而出水更接近外源特征。進水的BIX>1，出水BIX在0.8～1，也表示進水有較強的自生源特征，出水則受外源影響較大。污水處理進口水樣HIX<1，經(jīng)過UASB工藝處理后的排水具有較高的腐殖化特征。表3

表3 某城市酵母廠污水處理進、出水熒光指數(shù)Table 3 Fluorescence index of inlet and outlet water of a sewage treatment of a city yeast plant

2.2 DOM濃度對三維熒光特征的影響

由于現(xiàn)場測定的該廠污水處理進、出口水樣pH均在7.8左右，溫度為25℃，所以在保持水樣溫度為25℃，pH值不變的條件下，改變水樣的濃度，測定各稀釋水樣的三維熒光光譜，獲取各熒光峰的位置和熒光強度特征值。隨著稀釋倍數(shù)的增加，進口水樣的B峰出現(xiàn)逐漸藍移的現(xiàn)象，C峰在稀釋1～4倍的時候熒光峰位置發(fā)生藍移，稀釋4～6倍時出現(xiàn)紅移的現(xiàn)象。出水的A峰在稀釋1～2倍時出現(xiàn)了藍移，在2～4時發(fā)生紅移，然后趨于平穩(wěn)。而C峰的位置變化不明顯。進出口水體的各熒光峰強度都呈下降的趨勢，而且具有相似的變化趨勢，以稀釋倍數(shù)為1～3期間呈現(xiàn)快速下降趨勢，3～6倍熒光強度下降趨勢變緩。圖2，表4

表4 酵母廠污水處理進出口水樣不同濃度的三維熒光強度Table 4 Three-dimensional fluorescence intensity of different concentrations of water samples at import and export of sewage treatment plant

隨著水樣稀釋的倍數(shù)增大，進、出口水樣的DOM濃度a(355)都呈現(xiàn)下降的趨勢，稀釋2～3倍的時候a(355)急劇下降，稀釋3倍以上其下降速度比較平緩，且進口水樣的a(355)在稀釋5倍的情況下基本保持不變，這也與各熒光峰強度的變化相一致。圖2

圖2 進出水樣不同濃度的熒光特征指數(shù)變化規(guī)律Fig. 2 Fluorescence characteristic index variation of inlet and outlet water samples with different concentrations

2.3 pH對熒光特性的影響

研究表明，進水pH為2～6時，類蛋白峰B峰位置幾乎沒有發(fā)生變化，λEx/Em最大值都出現(xiàn)在270/300 nm左右。pH>6時，熒光峰位置發(fā)生紅移，pH=12時，最大的λEx/Em位置紅移至275/350 nm。相對于腐殖質(zhì)峰C峰，pH在2～8時，熒光峰位置發(fā)生了藍移，λEx/Em最大值從339/423 nm偏移到了317/316 nm，pH值在8～12時熒光峰位置趨于平穩(wěn)，幾乎沒有發(fā)生偏移現(xiàn)象。出口水樣因為經(jīng)過處理的原因，水體內(nèi)的微生物活動特別微弱，出水水樣中沒有檢測到類蛋白熒光峰。圖3-a

出水水樣在酸性條件下(pH=2～5)多出了一個M峰，介于A峰與C峰中間的一個類腐殖質(zhì)峰，由于進口水樣并沒有M峰的出現(xiàn)，因此，M峰的出現(xiàn)可能與pH值有極大關(guān)系，堿性條件可能對M峰具有淬滅作用。A峰在pH為2～6時熒光峰發(fā)生藍移，當pH>6，隨著pH值的上升，A峰位置幾乎沒有明顯偏移。pH=2～5時，C峰位置幾乎沒有發(fā)生變化，在pH值從5增加到6時，M峰消失，C峰位置出現(xiàn)了明顯的藍移現(xiàn)象，λEx/Em最大值從338/423 nm偏移到了326/395 nm，與A峰一樣在pH為6～12時，C峰位置無明顯變化。類蛋白熒光峰受到pH值變化的影響導(dǎo)致熒光峰偏移程度遠大于類腐殖酸熒光峰，類蛋白質(zhì)峰對pH值變化的反應(yīng)更為強烈。圖3-b

圖3 酵母廠污水處理進出水在不同pH值條件下的熒光光譜圖Fig. 3 Fluorescence spectra of effluent and effluent from yeast plant under different pH values

研究表明，改變進、出口水樣的初始pH值會導(dǎo)致各熒光峰強度發(fā)生不同程度變化。從試驗結(jié)果可以看出，隨著pH的增大，B峰熒光強度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，大概在pH=6時熒光強度達到最大值，即類蛋白熒光B峰在pH值為2～12變化較劇烈，且熒光強度最大值出現(xiàn)在pH=6，最低值出現(xiàn)在pH=12。C峰熒光強度同樣呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，但是其最大值出現(xiàn)在pH=10的時候，當pH值減小，水樣呈酸性的時候，C峰的熒光強度呈現(xiàn)隨pH降低而減小的態(tài)勢。

對于出水，A峰和C峰均在pH為2～6期間隨pH的降低而降低，其中2～5時降低幅度很小，在pH為5～6時快速下降；A峰強度在pH為8時達到最大，C峰強度在pH=6時達到最大值，隨后隨著pH的增加而再次緩慢降低，總體趨勢上與進口高濃度水體的變化趨勢一致，只是在pH為5～6期間呈現(xiàn)快速降低。圖4

圖4 不同pH下酵母廠污水處理進出水熒光強度變化Fig. 4 Effects of pH on fluorescence intensity of effluent and effluent from yeast plant wastewater treatment

3 討 論

根據(jù)酵母廠污水處理進、出水FI值與BIX值，進水的內(nèi)源特征更為明顯，而出水外源特征更顯著。若水體DOM自生源特征明顯則代表微生物可利用性高，將有利于微生物的生長；而微生物活性高會有利于增加水溶性有機物中的類蛋白成分；王齊磊等[12]研究結(jié)果表明，F(xiàn)I值與BIX值呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，這也可以解釋進水DOM具有較高的類蛋白組分與其特征指數(shù)的相關(guān)性。進水具有較低的HIX值，表征當自產(chǎn)或者排污產(chǎn)生的水體會具有較低的腐殖質(zhì)指數(shù)。污水處理進口水質(zhì)為酵母產(chǎn)品加工后排放的廢水，較低的HIX值體現(xiàn)其水質(zhì)微生物活動較強，腐殖化程度較弱[25]；而出水的HIX值有所上升體現(xiàn)出污水經(jīng)過處理后其生物活性降低，水質(zhì)的穩(wěn)定性比較高，其陸源特征比較明顯，查閱之前的研究數(shù)據(jù)，出水的HIX值與該區(qū)域河流地表水的HIX值也比較接近。所以熒光特性指數(shù)能夠一定程度上的反映水體的特征。

濃度效應(yīng)試驗結(jié)果中出現(xiàn)腐殖酸熒光強度與類蛋白熒光強度隨著濃度的減少而降低的現(xiàn)象，可能是因為隨著濃度的降低，DOM溶液中所帶負電荷在逐漸增加，DOM溶液中的羥基與羧基等官能團也在相應(yīng)開始解離[26]，各個熒光峰的熒光強度也相應(yīng)降低。進、出口水樣的a(355)值在稀釋1～3倍時急劇下降，稀釋3倍以上其下降速度比較平緩，可能是因為稀釋1～3倍水樣濃度變化比較快，各官能團解離的程度也比較大。這一現(xiàn)象也進一步證明了a(355)可以用來表示水溶性有機物的濃度大小及濃度變化。

pH值變化對三維熒光特征的影響較明顯，pH值改變導(dǎo)致的熒光峰偏移可能歸因于腐殖質(zhì)分子中酸性官能團(酚類和酚酸酯)的熒光特征的變化。已知酚類化合物具有2個熒光最大值，其中波長較長的1個在高pH溶液中占主導(dǎo)地位，光譜位移也反映了腐殖酸分子在不同pH值下構(gòu)象的變化，對于pH變化引起的藍移現(xiàn)象可能歸因于從大量含水溶劑中增強了某些熒光團的分離[27]。而關(guān)于pH值對熒光強度的影響，進口水樣B峰熒光強度隨著pH值的增大而劇烈變化的現(xiàn)象，可能是因為類蛋白質(zhì)物質(zhì)自身不穩(wěn)定且具有易降解的性質(zhì)，溶解性有機物中酚類官能團與大量陰離子互相排斥并且類蛋白物質(zhì)分子間的氫鍵作用減弱，使得類蛋白物質(zhì)呈現(xiàn)線性結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致熒光強度增強。當pH>6時，隨著pH的增加B峰熒光強度劇烈下降，可能是DOM溶液里酚羥基解離pH范圍不同的原因[28]。C峰熒光強度隨pH值變化而變化的原因，可能是因為當pH<5時出水中溶解性有機物的帶電離子以及官能團之間的聚集性增加，將熒光團包裹在內(nèi)而導(dǎo)致熒光強度降低，也可能是因為在聚集時分子之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生了淬滅現(xiàn)象而導(dǎo)致的熒光強度降低。pH在5～10時，隨著pH值的增大，DOM中酚羥基與酸性集團的羧基不斷發(fā)生解離，DOM溶液中負電荷在不斷增加而使得膠粒與分子之間的排斥力增強，水樣中DOM溶液分子間與分子內(nèi)的氫鍵不斷發(fā)生斷裂，DOM分子間由于電子排斥作用而導(dǎo)致了腐殖質(zhì)分子的延伸使大量熒光基團暴露在溶液中從而使得腐殖質(zhì)熒光強度增加[10]。經(jīng)過處理后的出口水樣檢測到A峰與C峰隨pH變化而出現(xiàn)的現(xiàn)象，可能是因為出口水樣經(jīng)過處理后水體DOM濃度降低；低濃度的DOM溶液在酸性條件時熒光強度隨著pH值降低而快速降低，可能是因為酸性基團在起作用，而在堿性條件下因為DOM溶液的濃度比較低而使得陰離子與酚類官能團之間的排斥作用比較弱，所以當pH>6時類腐殖酸熒光強度的變化都比較平緩，這與Saar和Weber[29]的研究結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

4.1 對酵母廠污水處理廠進水進行常規(guī)水質(zhì)以及熒光檢測，結(jié)果表明，進水主要存在類蛋白峰B峰以及類腐殖質(zhì)峰C峰，而出水只有類腐殖質(zhì)峰A峰與C峰。與進水相比，出口水樣的凱氏氮、TP、TN以及COD等指標下降率至少為90%，并且類蛋白熒光峰消失；經(jīng)過UASB工藝的處理，發(fā)酵出水的水質(zhì)得到非常明顯的改善并且污水中熒光物質(zhì)的含量及組成也發(fā)生了很大的變化，也表明類蛋白熒光峰與COD等指標具有正相關(guān)關(guān)系。

4.2 隨著稀釋倍數(shù)的增加，除了出水的C峰位置幾乎沒有發(fā)生偏移，其他熒光峰位置都出現(xiàn)了不同程度的紅移和藍移。隨著水樣稀釋的倍數(shù)增大，DOM的a(355)值與各熒光峰強度出現(xiàn)了相似的下降趨勢，都是以稀釋倍數(shù)為1～3期間呈現(xiàn)快速下降趨勢，3～6倍熒光強度下降趨勢變緩。

4.3 pH值對熒光特性的影響比較大，隨著pH值的增加，類蛋白峰出現(xiàn)了藍移的現(xiàn)象，而類腐殖質(zhì)峰A峰和C峰都出現(xiàn)了不同程度的紅移現(xiàn)象。進水水樣隨著pH的增加B峰與C峰的熒光強度都呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，pH為6時B峰熒光強度達到了最大值，而C峰的最大熒光強度出現(xiàn)在pH=10的時候。出水水樣隨pH的增加A峰與C峰的變化趨勢比較相似，都是出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，A峰的最大值出現(xiàn)在pH=8，C峰的最大值出現(xiàn)在pH=6，但是2個熒光峰在水樣為堿性時，熒光強度都是緩慢降低，變化并不是很強烈。pH變化對溶解性有機物的三維熒光特性的影響最為顯著主要是與DOM溶液中熒光物質(zhì)的酚類官能團的電離有關(guān)。

4.4 該研究的酵母廠污水經(jīng)處理后，水樣的基本指標以及熒光物質(zhì)的種類、含量以及特性都發(fā)生了較大的變化，水體的DOM濃度以及pH等環(huán)境因素也會改變水體的熒光特性，而這種特性差異能夠通過3DEEM技術(shù)完整的體現(xiàn)出來。