城市污水的三维荧光指纹特征

书书书第２８卷　第３期光　学　学　报Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．３２００８年３月犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃犕犪狉犮犺，２００８文章编号：０２５３２２３９（２００８）０３０５７８０５城市污水的三维荧光指纹特征陈茂福　吴　静　律严励　陈庆俊（清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京１０００８４）摘要　传统表征有机物含量的水质参量如化学需氧量（ＣＯＤ）和生化需氧量（ＢＯＤ）等只能表示总量，无法展示有机物成分。荧光光谱可以作为一种新型的水质表示方法，它像指纹一样与水样一一对应，被称为水质荧光指纹。采用三维荧光光谱（ＥＥＭ）技术研究了城市污水荧光指纹特征，结果表明城市污水具有４个典型荧光区，各区的荧光中心、强度以及１区荧光中心λｅｘ＝２８０ｎｍ，λｅｍ＝３４０ｎｍ与２区荧光中心λｅｘ＝２２５ｎｍ，λｅｍ＝３４０ｎｍ的荧光强度的比值可以作为城市污水的主要荧光指纹特征。荧光指纹包含了大量污染物信息，通过与城市污水中典型污染物质的荧光光谱的比对，初步确定了各荧光区可能的荧光信号来源。荧光指纹法可表示有机物类型和含量，可作为化学需氧量和生化需氧量等参量的有益补充。关键词　光谱学；环境监测；荧光指纹；三维荧光光谱；城市污水中图分类号　Ｏ４３３　　　文献标识码　Ａ　　收稿日期：２００７０６１３；收到修改稿日期：２００７０９１８基金项目：教育部科学技术研究重点项目（１０７００４）和清华大学基础研究基金（ＪＣｑｎ２００５００９）资助课题。作者简介：陈茂福（１９８２－），男，山东人，硕士研究生，主要从事水质预警方面的研究。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]导师简介：吴　静（１９７４－），女，侗族，贵州遵义人，博士，副研究员，主要从事水质预警与废水处理等方面的研究。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]，通信联系人。犉犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犘狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犕狌狀犻犮犻狆犪犾犠犪狊狋犲狑犪狋犲狉犆犺犲狀犕犪狅犳狌　犠狌犑犻狀犵　犔ü犢犪狀犾犻　犆犺犲狀犙犻狀犵犼狌狀（犈犛犘犆犛狋犪狋犲犓犲狔犑狅犻狀狋犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔，犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犜狊犻狀犵犺狌犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００８４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　犜犺犲狋狉犪犱犻狋犻狅狀犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳狑犪狋犲狉狇狌犪犾犻狋狔，狊犺狌犮犺犪狊犮犺犲犿犻犮犪犾狅狓狔犵犲狀犱犲犿犪狀犱（犆犗犇）犪狀犱犫犻狅犾狅犵犻犮犪犾狅狓狔犵犲狀犱犲犿犪狀犱（犅犗犇），狅狀犾狔狆狉犲狊犲狀狋狋狅狋犪犾狅狉犵犪狀犻犮狊狌犫狊狋犪狀犮犲犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀犪狀犱犪狉犲狏狅犻犱犳狅狉犱犻狊狆犾犪狔犻狀犵狆狅犾犾狌狋犪狀狋犮狅犿狆狅狊犻狋犻狅狀狊．犉犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狊狆犲犮狋狉狌犿，犪狀狅狏犲犾犿犲狋犺狅犱犳狅狉狑犪狋犲狉狇狌犪犾犻狋狔，犻狊狌狀犻狇狌犲犳狅狉犲犪犮犺狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉狊犪犿狆犾犲犾犻犽犲‘犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋’．犈狓犮犻狋犪狋犻狅狀犲犿犻狊狊犻狅狀犿犪狋狉犻狓（犈犈犕）狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔犻狊狌狊犲犱狋狅狊狋狌犱狔犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犿狌狀犻犮犻狆犪犾狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉．犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲狉犲犪狉犲犳狅狌狉狋狔狆犻犮犪犾犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狕狅狀犲狊犻狀犈犈犕狊狅犳犿狌狀犻犮犻狆犪犾狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉．犔狅犮犪狋犻狅狀狊犪狀犱犻狀狋犲狀狊犻狋犻犲狊狅犳犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狆犲犪犽狊狅犳犲犪犮犺狕狅狀犲犪狀犱狋犺犲狉犪狋犻狅狅犳犻狀狋犲狀狊犻狋犻犲狊犪狋λ犲狓＝２８０狀犿，λ犲犿＝３４０狀犿（犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犮犲狀狋犲狉狅犳狋犺犲１狊狋狕狅狀犲）犪狀犱λ犲狓＝２２５狀犿，λ犲犿＝３４０狀犿（犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犮犲狀狋犲狉狅犳狋犺犲２狀犱狕狅狀犲）犮狅狌犾犱犲狓犺犻犫犻狋犿犪犻狀犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犳犲犪狋狌狉犲狊．犉犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犮狅狀狋犪犻狀狊犪犵狉犲犪狋犱犲犪犾狅犳狆狅犾犾狌狋犪狀狋犻狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀．犅狔犮狅犿狆犪狉犻狀犵犈犈犕狊狅犳狋狔狆犻犮犪犾狆狅犾犾狌狋犪狀狋狊，狋犺犲犿犪犻狀犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲狊狌犫狊狋犪狀犮犲狊狅犳狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉犪狉犲犪狆狆狉狅狓犻犿犪狋犲犾狔犻犱犲狀狋犻犳犻犲犱．犉犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犿犲狋犺狅犱犮犪狀狆狉犲狊犲狀狋狅狉犵犪狀犻犮狊狌犫狊狋犪狀犮犲犪狊狑犲犾犾犪狊狋犺犲犻狉犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱犻狊狑犲犾犾犮狅犿狆犾犲犿犲狀狋犪狉狔狋狅犆犗犇犪狀犱犅犗犇．犓犲狔狑狅狉犱狊　狊狆犲犮狋狉狅狊犮狅狆狔；犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犿狅狀犻狋狅狉犻狀犵；犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋；犲狓犮犻狋犪狋犻狅狀犲犿犻狊狊犻狅狀犿犪狋狉犻狓；犿狌狀犻犮犻狆犪犾狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉１　引　　言能表征废水有机物含量和性质的水质指标一直是废水研究领域的重要内容之一。传统表征水质有机污染的指标如化学需氧量（Ｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｄｅｍａｎｄ，ＣＯＤ）和生化需氧量（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｄｅｍａｎｄ，ＢＯＤ）的测量需耗时数小时甚至数天，不能及时反映水质变化，而且只能反映有机物总量，不能展现有机物成分，例如无法区分易降解、可降解和不易降解的有机物或者降解速率快和慢的有机物。这些不足使得污水处理设施的设计和运行长期只能依赖经验。荧光分光光度法是近二十多年发展起来的新型化学分析技术。它利用分子在特定波长的激发光（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）照射下发出特征发射光（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）的３期陈茂福等：　城市污水的三维荧光指纹特征原理来检测待测物质的含量［１］。荧光法测量简便，灵敏度比紫外可见光吸收光度法高２～３个数量级，目前已广泛用于各种化学物质的定性和定量分析。污水含有大量荧光物质，如油脂、蛋白质、表面活性剂、腐殖酸、维生素、酚类等芳香族化合物、乙醇水溶液［２］、农药残留［３］、药品残余及其代谢产物等等，它的荧光光谱因污染物种类和含量不同而各异，具有与水样一一对应的特点，就像人的指纹具有唯一性一样，所以被称为污水的“荧光指纹”［４］。三维荧光光谱（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｍａｔｒｉｘ，ＥＥＭ）是将荧光强度以等高线方式投影在以激发光波长和发射光波长为纵横坐标的平面上获得的谱图，图像直观，所含信息丰富［５］。本文采用该技术研究了城市污水的荧光指纹特征，并对荧光信号进行了初步分析。２　实　　验２．１　水样及其预处理城市污水的水样是用自动取样器（Ｓｉｇｍａ９９０Ｐ，ＨａｃｈＣｏ．，美国）取自北京市某城市污水处理厂的沉砂池出水，取样间隔为０．５ｈ。水样用普通定性滤纸过滤后，保存在４℃冰箱里待测。已知荧光物质的水样是取一定量的牛血清白蛋白（分析纯，北京拜尔迪生物公司）、腐殖酸（分析纯，北京化学试剂公司）、大豆油（金龙鱼，嘉里粮油有限公司）、洗衣粉（汰渍，广州宝洁洗涤用品有限公司）分别配成水溶液，待充分溶解即可测量。２．２　实验方法实验主要仪器是ＦＬ２５００荧光分光光度计（日立公司，日本）。实验条件为：激发波长λｅｘ为２２０～６５０ｎｍ，发射波长λｅｍ为２５０～６５０ｎｍ，狭缝宽度为５ｎｍ，响应时间为０．００１ｎｓ，光电倍增管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ，ＰＭＴ）电压为７００Ｖ，扫描速度为１５００ｎｍ／ｍｉｎ。为了消除系统噪声等因素产生的误差，荧光强度按下式进行归一化，最后用Ｍａｔｌａｂ软件将测得数据合成三维荧光光谱谱图。归一化的荧光强度犐Ｎ为犐Ｎ＝犐／犐３５５／４００，（１）式中犐为测量得到的原始荧光强度，犐３５５／４００为λｅｘ＝３５５ｎｍ，λｅｍ＝４００ｎｍ处水样的拉曼散射信号强度。３　实验结果与分析３．１　实验结果图１为典型的城市污水三维荧光光谱图。由图１可知城市污水的荧光主要分布在四个区域。１区：荧光中心在λｅｘ＝２８０ｎｍ，λｅｍ＝３４０ｎｍ附近，荧光强度最强；２区：荧光中心在λｅｘ＝２２５ｎｍ，λｅｍ＝３４０ｎｍ附近，荧光强度次强；３区和４区无明显的荧光中心，但各有一个狭长的荧光峰带（如图中箭头所示），荧光强度相对较弱。图中右下方有一条颜色较深的谱带，是由水的倍频峰产生的。图１典型城市污水三维荧光光谱图Ｆｉｇ．１ＴｙｐｉｃａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｍａｔｒｉｘｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｏｆＢｅｉｊｉｎｇ图２北京某城市污水厂进水的最强荧光强度与次强荧光强度（２００６年１月１７日）Ｆｉｇ．２ＦｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｓｔａｎｄｓｅｃｏｎｄｓｔｒｏｎｇｅｓｔｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｏｆａｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｏｆＢｅｉｊｉｎｇ（Ｊａｎ．１７ｔｈ，　　　　　　　　２００６）图２与图３为２００６年１月１７日北京某城市污水厂连续４ｈ进水的荧光强度曲线与三维荧光光谱图。由图３可见，对于同一污水厂污水，４个荧光区分布大致不变，而荧光中心则会在小范围内移动，其荧光强度也有所波动，这主要是水样中所含污染物种类和含量的差异所致。表明三维荧光光谱具备指纹唯一性的特点。图２是图３各图的１区和２区的荧光中心的荧光强度的曲线，它表明城市污水的最强荧光强度与次强荧光强度正相关，其线性相关系数达到０．８７，最强荧光强度与次强荧光强度之比（记作为９７５光　　　学　　　学　　　报２８卷犐２８０／３４０／犐２２５／３４０）为１．２２～１．４１，平均为１．３１。图３北京某城市污水厂进水的三维荧光光谱图（２００６年１月１７日）Ｆｉｇ．３ＥＥＭｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｏｆａｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｏｆＢｅｉｊｉｎｇ（Ｊａｎ１７ｔｈ，２００６）３．２　分析与讨论为了解荧光信号的含义，测定了城市污水中的典型污染物的水溶液的三维荧光光谱，如图４所示。蛋白质是城市污水的主要污染物之一［６］，其来源主要是生活中的洗涤水、食品残余物和排泄物等。牛血清白蛋白是蛋白质测量中常采用的标准蛋白，它的荧光与色氨酸的荧光［７］完全重合，这表明蛋白质荧光主要来源于氨基酸。大豆油的两个荧光峰也与色氨酸的荧光峰基本重合，由于大豆富含蛋白质，所以它的荧光很可能也是氨基酸产生的。能产生荧光的氨基酸除色氨酸外，主要还有酪氨酸和苯丙氨酸，它们的荧光峰也在１区内［８］，所以１区荧光常被称为类蛋白质（Ｐｒｏｔｅｉｎｌｉｋｅ）荧光［９］。大豆油和牛血清白蛋白的犐２８０／３４０／犐２２５／３４０值的差异是由物质组成的差别所致。故城市污水的该比值也反映了水样的物质组成，可作为废水的荧光特征之一（如表１）。本实验取到污水的该比值平均为１．３１，与北京另一污水厂水样的该比值１．６２和清华校园的生活污水的比值１．６４有较大差异。这主要是因为前者包含了工业废水，而后两种水样则以生活污水为主。表１城市污水的典型污染物水溶液的荧光光谱特征Ｔａｂｌｅ１ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｍａｉｎｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒＯｒｇａｎｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅＨｉｇｈｅｓｔｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｐｅａｋ（λｅｘ／λｅｍ）Ｓｅｃｏｎｄｈｉｇｈｅｓｔｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｐｅａｋ（λｅｘ／λｅｍ）犐２８０／３４０／犐２２５／３４０ＮｏｔｅｓＢｏｖｉｎｅｓｅｒｕｍａｌｂｕｍｉｎ２２５／３４０２７５／３４０１．０Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏ１，２ｚｏｎｅｓＨｕｍｉｃａｃｉｄ２６０／４３８Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏ３，４ｚｏｎｅｓＬａｕｎｄｒｙｓｏａｐｐｏｗｄｅｒ２２５／２９１３４５／４３４Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏ１，２，４ｚｏｎｅＳｏｙｂｅａｎｏｉｌ２８５／３３４２２５／３３４３．８Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏ１