废水DOM荧光强度与COD总氮的相关分析张华

第10期《环境科学与技术》编辑部：（网址）（电话）027-87643502（电子信箱）[e-mail]收稿日期：2016-12-20；修回2017－02－20基金项目：安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2017059）；安徽省高校优秀青年骨干人才国内外访学研修项目（gxfx2017054）；安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2016A817）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07405-003-03）作者简介：张华（1978-），女，副教授，博士，主要从事水处理理论与技术研究，（电子信箱）[e-mail]。EnvironmentalScience&Technology第40卷第10期2017年10月Vol.40No.10Oct.2017张华，全桂军，黄健，等.废水DOM荧光强度与COD总氮的相关分析[J].环境科学与技术，2017，40（10）：157-162.ZhangHua，QuanGuijun，HuangJian，etal.AnalysisofthecorrelationbetweenthefluorescenceintensityofthedissolvedorganicmatterandCODandtotalnitrogeninwastewater[J].EnvironmentalScience&Technology，2017，40（10）：157-162.废水DOM荧光强度与COD总氮的相关分析张华1，2，全桂军1，2，黄健1，2，张勇1，2，田纪宇1，2，闫升1，2，刘沛然1，2（1.水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽合肥230601；2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601）摘要：采用三维荧光光谱技术考察某食品工业废水处理中溶解性有机物（DOM）的荧光光谱特征，并分析DOM各组分转化及来源，以及建立DOM特征峰荧光强度与总氮、COD浓度的关系。三维荧光光谱分析表明，原水中主要存在5种DOM的特征荧光峰，即高激发波长和低激发波长类色氨酸（分别为峰A和峰B）、可见区和紫外区类富里酸（分别为峰C、峰D）和腐殖酸（峰E、峰F和峰G）。荧光光谱参数表明，荧光指数（FI）、腐殖化指数（HIX）、生物源指数（BIX）表明食品废水处理过程中DOM具有明显的生物源特征。建立腐殖酸（峰E、峰F和峰G）荧光强度与总氮浓度在处理过程中的相关性，其相关系数分别为0.9655、0.9612和0.9141，以及建立高激发波长类色氨酸荧光强度、低激发波长类色氨酸荧光强度及其荧光强度之和与COD浓度相关关系，其相关系数分别为0.8719和0.7525和0.8532。说明可以借助三维荧光光谱技术快速检测腐殖酸和类色氨酸荧光强度，来判断食品工业废水中总氮和COD处理程度，进而及时快速实现总氮和COD浓度的测定。关键词：溶解性有机物；三维荧光光谱；总氮；COD；荧光参数；食品工业废水中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1003-6504.2017.10.026文章编号：1003-6504(2017)10-0157-06AnalysisoftheCorrelationbetweentheFluorescenceIntensityoftheDissolvedOrganicMatterandCODandTotalNitrogeninWastewaterZHANGHua1，2，QUANGuijun1，2，HUANGJian1，2，ZHANGYong1，2，TIANJiyu1，2，YANSheng1，2，LIUPeiran1，2（1.StateKeyLaboratoryofAnhuiProvinceofWaterPollutionControlandWastewaterReuse，Hefei230601，China；2.SchoolofEnvironmentandEnergyEngineering，AnhuiJianzhuUniversity，Hefei230601，China）Abstract：Fluorescencespectralcharacteristicsofthedissolvedorganicmatter（DOM）inafoodindustrywastewatertreatmentwereinvestigatedbythree-dimensionalfluorescencespectroscopy.ThecorrelationsbetweenthefluorescenceintensityofDOMcharacteristicpeakandtheconcentrationofthetotalnitrogenandCOD，wereestablished.TheresultsofthreedimensionalfluorescencespectrashowthattherearefivecharacteristicfluorescencepeaksofDOM.ThecharacteristicfluorescencepeaksofDOMarehighexcitationwavelength（peakA），lowexcitationwavelengthtryptophan（peakB），visiblelightwavelengthfulvicacid（peakC），UVlightwavelengthfulvicacid（peakD）andhumicacid（peakE，peakFandpeakG）.Fluorescencespectralparameters，includingfluorescenceindex（FI），humificationindex（HIX），biologicalindex（BIX），indicatethatDOMinfoodwastewatertreatmenthasobviousbiologicalsourcecharacteristics.Thecorrelations，betweentheconcentrationofthetotalnitrogenandthefluorescenceintensityofpeakE，peakFandpeakG，demonstratethatthecorrelationcoefficientis0.9655，0.9612and0.9141，respectively.Thecorrelations，betweentheconcentrationoftheCODandthefluorescenceintensityofpeakA，peakBandtheirtotalfluorescenceintensity，demonstratethatthecorrelationcoefficientis0.8719，0.7525and0.8532，respectively.ThisstudyshowsthattherapidpredicationofthetotalnitrogenandCODcanrealizebythree-dimensionalfluorescencespectroscopytodetectthefluorescenceintensitiesofthehumicacidandtryptophaninfoodindustrywastewatertreatment.第40卷我国食品加工企业生产规模日益提高，但食品加工过程中产生的废水有机物含量高，其中溶解性有机物（dissolvedorganicmatter，DOM）占主要部分，DOM是蛋白质、腐殖质和芳香族有机化合物的复杂混合体，它主要来自水体和陆地生态环境[1-2]。由于DOM具有强的耗氧性而容易导致水体的缺氧环境，造成水生动物和鱼类死亡使水体产生臭味，恶化水质，污染环境[3]。食品工业废水的环境行为和影响已逐渐成为水处理研究的热点和难点。三维荧光光谱分析技术具有灵敏度高、选择性好且对环境无污染等优点[4-5]。近年来被广泛应用于城市生活污水和工业废水中的DOM的研究中[6-8]。采用三维荧光光谱分析方法，通过特征荧光峰位置和荧光参数能够定性表示出DOM的类型和物质来源，同时DOM的荧光强度能够间接反映DOM的含量[9-10]。而对食品工业废水处理的工艺过程中DOM的类型、荧光光谱特征变化、物质来源的研究尚不多见。另外，COD和总氮的化学检测过程复杂，化学试剂用量大，对环境易造成污染。该实验以某食品废水处理过程中DOM为研究对象，分析DOM的种类及变化特征，并建立DOM荧光强度和COD、总氮浓度变化之间的关系，以期为食品工业废水的DOM研究和COD及总氮的无污染检测提供一种较为快速简便的方法。1材料与方法1.1处理工艺及样品采集试验水样来源于合肥市某食品企业废水处理厂，该食品加工厂主要生产的产品有饮料、方便面。废水中主要含有蛋白质、糖类、柠檬酸等成分。废水处理厂进水水质具体如下：COD为1579mg/L，总氮为23.95mg/L，pH为6.5~7.5。于2015年10月，采集某食品工业废水处理厂6个构筑物的出水，各采样点位置与编号见图1。水样经离心分离后再用0.45μm滤膜进行过滤，经过处理后的水样用于三维荧光光谱分析。1.2实验仪器和方法仪器：HitachiF-7000荧光光谱仪（日本Hitachi公司）。测定条件：激发波长（姿Ex）200~600nm，步长5nm，发射波长（姿Em）250~600nm，步长5nm；狭缝宽度5nm；扫描速度2400nm/min；光电倍增管电压700V。COD：重铬酸钾法；总氮：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。2结果与讨论2.1工艺运行结果与分析各构筑物出水的水质状况如图2所示。从图2可以看出，COD在整个工艺流程内由于微生物降解一直呈现下降趋势，即进水COD浓度为1579mg/L，经过各构筑物反应后，最终出水COD浓度为115mg/L，去除率达到92.72%。总氮呈现总体下降趋势，最终总氮由23.95mg/L降为12.05mg/L。2.2DOM三维荧光光谱分析食品工业废水厂各采样点的三维荧光光谱如图3所示，图中共出现5种DOM的特征荧光峰，即高激发波长和低激发波长类色氨酸（分别为峰A和峰B）、可见区和紫外区类富里酸（分别为峰C、峰D）和腐殖酸（峰E、峰F和峰G），DOM的类型和荧光峰的中心位置如表1所示。各采样点DOM的荧光强度变化见图4，由图4可知，最终出水中各DOM的荧光强度相对原水均出现较明显的降低趋势。经过混凝池、气浮池处理后，类色氨酸峰A和峰B的荧光强度逐渐增强（图4），其中峰A的荧光强度从1490增加到1534，而峰B的荧光强度从550.5增加到689，腐殖酸的荧光强度则逐渐降低（图4）。这主要是因为腐殖酸具有羟基等负电荷的官能团且分子量较大，有利于通过混凝电性中和及吸附去除，而Keywords：dissolvedorganicmatter；three-dimensionalfluorescencespectra；totalnitrogen；COD；fluorescenceintensity；foodindustrywastewater158第10期色氨酸由于腐殖酸等大分子物质分解会产生，另外，由于色氨酸主要是小分子物质，且分子呈中性，因此通过混凝气浮不利于去除[17-18]。在后续经过厌氧池和曝气池处理后，最终出水中色氨酸荧光强度呈现逐渐减少趋势，主要是由于色氨酸是小分子物质易于被微生物分解利用[19]，其中峰A的荧光强度从1534减小到236.7，而峰B的荧光强度从689减小到104.2（图4）。类富里酸是腐殖质分解后的更小单位的高能量物质，因此，类富里酸在经过混凝池、气浮池处理后出现增加的趋势，而后经过厌氧处理后又逐渐减少。另外，类富里酸也是所有生命物质的终极分