（环境科学专业论文）基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析.pdf

( 4 ) 和出水的荧光强度有良好的线性关系的是铵态氮、总氮、c o d 、硝态 氮和t o c ，其中具有显性相关的有铵态氮与1 2 2 5 3 4 0 ( r - - - 0 7 7 1 ) ，总氮与1 2 3 0 ，4 3 0 ( 间5 0 3 ) ，分别对铵态氮和总氮进行多重拟合，结果都为线性相关，r 2 分别为 0 6 、0 4 3 2 。 ( 5 ) 进出水的三维荧光中心强度i ：2 5 i 3 4 0 和1 2 3 0 ，4 3 0 可以用来对城市生活污水 铵态氮和总氮的在线分析和实时监测，从而达到快速监测和省时省力的目的。 ( 6 ) 进水的光谱组分得分值与进水的总氮、铵态氮、硝态氮的线性相关性 较好，进水总氮与进水的类色氨酸和类腐殖质的得分值的r 2 达到了0 7 2 ，进水中 铵态氮与类色氨酸、类酪氨酸和类腐殖质拟合后具有显著相关性，r 2 为0 3 2 。但 是出水除了b o d 5 没有与荧光组分具有较好的线性相关的化学指标。 关键词：生活污水；三维荧光光谱；可溶性有机物；平行因子 b a s e do nt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r ao f s e w a g et r e a t m e n t p l a n tw a t e rq u a l i t yq u i c ka n a l y s i s a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h eu r b a np o p u l a t i o n ，al a r g e a m o u n to f e x p a n d i n gu r b a ns e w a g ed i r e c t l yi n t ou r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t w a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o n d i t i o n si n f l u e n c et h em o n i t o r i n gl e v e l t h et r a d i t i o n a li n l e t w a t e ra n do u t l e tw a t e r w a s t e w a t e ra n a l y s i sn e e d e dt ou s i n gs t a n d a r dc h e m i c a lm e t h o d o fc o m p l e t i o n ，i ti st i m e c o n s u m i n g ，a r d u o u s ，m o n i t o r i n gl o wf r e q u e n c y f l u o r e s c e n c e m e t h o dh a sg o o ds e l e c t i v i t y ，h i 曲s e n s i t i v i t y ，t h ed e t e c t i o ns p e e d ，r i oc h e m i c a lr e a g e n t c a r r yo u tw a t e rp o l l u t i o nf l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n t q u i c kh i 曲s e n s i t i v ef o rt h ew a t e rp o l l u t i o no n l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n tl a yt h e f o u n d a t i o n t h i sp a p e rb a s eo nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h es t u d yo ft h r e e - d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei na n do u t w a t e ro ft h eu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t s ，a n dd i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c e ，a n dt h i ss t u d yb a s e do nf l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y , s p e c t r a lc o m p o s i t i o na n dc h e m i c a li n d i c a t o r s o ft h es c o r e so ft h el i n e a r r e l a t i o n s h i p h o p et h a tt h r o u g ht h i ss t u d y , f o rt h e f u r t h e ru s eo f3 d e e ml i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo u to ft h ew a t e rq u a l i t yo fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t st op r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a tu r b a ns e w a g eh a sf o u rf l u o r e s c e n c ea r e a ，1a n d2 f l u o r e s c e n tc e n t e ro ft h ei m p o r ts e w a g ew a t e ri so b v i o u s ，3a n d4f l u o r e s c e n c ec e n t e ri s n o to b v i o u s f o u rf l u o r e s c e n c ed i s t r i c to ft h ee x p o r tw a t e rw a sq u i t e o b v i o u s c o m b i n i n gp a r a f a c ，t h es o l u b l eo r g a n i co ft h ei m p o r ts e w a g ew a t e rt h a tc o n t a i n s t h r e es b r ef l u o r e s c e n c ec o m p o s i t i o n , t h ee x p o r ts e w a g ew a t e rc o n t a i n st h r e em a i n f l u o r e s c e n c ec o m p o n e n t s ( 2 ) s o l u t i o na st h e a c i d i cc o n d i t i o n s ，t h ef l u o r e s c e n c ep e a ki n t e n s i t ya st h ep h v a l u eo ft h el a r g e ri n c r e a s e s c o n t i n u et oi n c r e a s et h ep hv a l u e ，t h es o l u t i o no ft h e m f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y h u m i cf l u o r e s c e n c ep e a ka n dp r o t e i nf l u o r e s c e n c ep e a ks h o w i n g i nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw i t ht h ei n c r e a s eo fp h ，h a v es h o w n r e ds h i f t o ft h et r e n d p r o t e i nw a t e rc h a n g i n gt r e n d si nt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yi st h ei n t e n s i t yw i t h e n h a n c e m e n to fi o n i cs t r e n g t h ( 3 ) t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fw a t e rh a sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a m m o n i u mn i t r o g e n ，n i t r a t e ，t o t a ln i t r o g e n , c o da n db o d 5 ，w h i c hi ss i g n i f i c a n t l y a s s o c i a t e dw i t ha m m o n i u ma n dh 2 5 3 4 0 ，1 2 3 0 4 3 0 ，rv a l u e sw e r e0 5 8 5 ，0 4 9 8 ；t nw i t h 1 2 2 5 ：3 4 0 ，1 2 3 0 4 3 0t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa l e0 5 3 3 ，0 7 7 0 a m m o n i u mr e s p e c t i v e l ya n d 1 2 2 5 n 4 0 ，1 2 3 0 4 3 0 ，t n h a v e b e e nf i r e df o rm u l t i p l e s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n ，l i n e a l c o e f f i c i e n t sw e r e0 4 5 0 ，0 5 9 6 ( 4 ) a n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo f t h ew a t e ra9 0 0 dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea m m o n i u mn i t r o g e n , t o t a ln i t r o g e n ，c o d ，n i t r a t ea n dt o c w h i c ha r ea s s o c i a t e d w i t ht h ed o m i n a n ta n a m o n i u ma n d1 2 2 5 3 4 0 ( r = 0 7 71 ) ，t o t a ln i t r o g e na n d1 2 3 0 4 3 0 ( r = o 5 0 3 ) a m m o n i u mn i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nw e r ec a r r i e do u to nt h em u l t i f i t t i n g r e s u l t sf o rt 1 1 el i n e a rc o r r e l a t i o n , r ，r e s p e c t i v e l y0 6 ，0 4 3 2 ( 5 ) c e n t e ro u to ft h ew a t e ro ft h et h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y1 2 2 5 3 4 0 a n d1 2 3 0 4 3 0m u n i c i p a ls e w a g ec a nb eu s e dt oa m m o n i u mn i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e n a n a l y s i sa n dr e a l - t i m eo n l i n em o n i t o r i n g ，s oa s t oa c h i e v er a p i dm o n i t o r i n ga n d t i m e - s a v i n gp u r p o s e s ( 6 ) s c o r e so ft h es p e c t r a lc o m p o n e n t so fw a t e ra n dw a t e ro ft h et o t a ln i t r o g e n ， a n x m o n i u ma n dn i t r a t et o9 0 0 dl i n e a lc o r r e l a t i o n ，i n f l u e n tt o t a ln i t r o g e na n dw a t e ro f t h eh u m i et r y p t o p h a na n dt h es c o r e so ft h ei rr e a c h e do 7 2 ，t h ei n f l u e n ta m m o n i u ma n d t r y p t o p h a n 。t y r o s i n ea n dh u m i ct y p ef i t t e dw i t has i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n ，r i so 3 2 h o w e v e r , t h e r ei sn ow a t e ra n dt h ef l u o r e s c e n tc o m p o n e n ti na d d i t i o nt ob o d 5g o o d l i n e a rc o r r e l a t i o no fc h e m i c a li n d i c a t o r s k e yw o r d s ：s w e g ew a t e r ；t h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c e ；d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ； p a r a l l e lf a c t o rm o d e l i v 施俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 第一章概论 溶解性有机物( d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r , d o m ) 作为自然水体中最主要的有 机物存在形式，影响着多种水质有机污染指标，如总有机碳( t o c ) 、化学需氧量 ( c o d ) 、生化需氧量( b o d ) 等。同时，d o m 还影响水体多种有机或者无机污 染物的迁移转化行为【删，如与氯或臭氧反应生成消毒副产物【3 4 1 。此外，d o m 在生 态系统中也起着重要作用 5 6 1 ，如为微生物提供有机碳源【7 1 ，参与或促进地表水发 生光化学反应等f 8 1 。因此，对水体d o m 的研究已引起环境科学和生态学研究者的 极大关注。随着国民经济的迅速发展和城市人口不断膨胀，大量的城市生活污水 直接进入城市污水处理厂，污水处理厂的在线监测和处理水平已经成为关注的重 点，出水的水质和检测效率直接影响到一个污水处理厂的污水处理的能力。d o m 是城市生活污水中的污染物最主要的存在形式，其含量直接影响到出水的水质， 因此加强对污水中d o m 的检测具有重要的意义。， 1 污水中d o m 的组成及其来源 d o m 是指存在于各种天然水体中可以通过0 4 5 岫滤膜的有机物混合体， 它的主要组分包括腐殖酸、富里酸以及各种亲水性有机酸、氨基酸、碳水化合物、 羧酸等。其来源主要是人、动物的分泌物和排泄物、生活用水的排放、死生物的 自然消解和受细菌分解过程中的产物等。水体中d o m 常以溶解态、胶体和半胶体 三种赋存状态存在，其组成、分子结构和功能基团种类等随着来源不同具有显著 差异。荧光溶解性有机物是指d o m 中能够被一定波长的光激发发射荧光的部分， 分子结构通常含有共轭结构( 如苯环结构等) ，立体结构为平面结构，并且刚性越 高荧光强度越大。污水处理厂的进出水中荧光溶解有机物通常包括类腐殖质 ( h u r n i c 1 i k e ) 和类蛋白质( p r o t e i n 1 i k e ) 等。 类腐殖质包括类富里酸( f u l v i c 1 i k e ) 和类腐殖酸( h u m i c 1 i k e ) ，来源不同其组 分也一般不一样。类腐殖质作为自然界中最常见的有机质，普遍存在于各种土壤、 2 扬州大学硕士学位论文 水体中( 如湖泊、河流、海洋和地下水等) 以及沉积物中【9 - l3 1 。由于腐殖质所带的 配位基团能够强烈络合金属离子，对有毒重金属元素的浓度、化学形态和生物有 效性、以及营养元素的循环过程起着极其重要的作用，并且腐殖质还能通过其官 能团键合离子性或极性有机化合物、通过分子间的范德华力与疏水性有机物结合， 所以对腐殖质结构和官能团特征的研究显得非常重要【1 4 , 1 5 】。傅平青等【1 6 】将天然环 境中腐殖质荧光归类为类腐殖酸荧光( e x e m 约为3 5 0 4 4 0 4 3 0 5 1 0 n m ) 和类富 里酸荧光 (e x e m 约 为2 4 0 - 2 7 0 3 7 0 4 4 0 n m 和e x e m 约为 310 3 6 0 3 7 0 4 5 0 n m ) 。表卜1 常见的有机荧光物质 1 3 】 t a b i 一1c o m m o no r g a n i cf l u o r e s c e n ts u b s t a n c e s 种类名称 脂肪族化 联乙酰、乙醛、丁酮、醇、肼、醛、酮、有机酸、脂肪酸及其酯 按结构 合物类、酰氯、酸酐、糖类等 分 芳香族有多环芳烃( p a h s ) 、硝基化合物、羰基化合物、酚、醌、油、一 机物必嘧啶、吲哚、吡啶、吖啶、叶绿素( 讪) 和脱镁叶绿素( a ，b ) 等 维生素维生素a 、b 1 、b 2 、b 6 、b 1 2 、c 、b c 、d 、e 、f 、k 1 氨基酸和色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、犬尿氨酸，3 ， 二羟基丙氨酸、5 羟 按生物 蛋白质 基色氨酸等 酶取】辅酶氧化酶、脱氢酶( n a d h ) 、磷酸酶、脂酶等 功能分 代谢产物3 羟基黄酮、吲哚乙酸、三羟基吲哚类、二氮萘类、水杨尿酸等 雌激素雌酮、b 一雌二醇、雌三醇等 遗传物质r n a 、d n a 、f m n 、f a d 、腺苷、腺苷酸、腺嘌呤等 农业污染 某此兽药、农药、杀虫剂、添加剂等 按来源 工业、生活来自污水、废气的油脂，蛋白质，表面活性剂，化学药品等 污染 分 植物 叶绿素( a ，b ) 、脱镁叶绿素( a b ) 和蛋白质等 土壤 蛋白质、腐殖酸等 类蛋白质包括类色氨酸、类酪氨酸和其他一些氨基酸，但d o m 类蛋白荧光 主要来源于水体中游离或结合态的含芳香环的氨基酸，天然芳香环氨基酸主要包 括苯丙氨酸( p h e n y l a l a n i n e ，p h e ) 、酪氨酸( t y r o s i n e ，t y r ) 和色氨酸( t r y p t o p h a n , t r y ) 。 由于荧光共振能量转移作用，苯丙氨酸的荧光强度比较低，因此苯丙氨酸的荧光 很少被检测到，所以大部分的文献报道集中在类酪氨酸和类色氨酸荧光上。类蛋 白质荧光主要有类色氨酸( e x e m ：2 7 5 n m 3 4 0 n m 和2 2 5 2 3 7 n m 3 4 0 3 8 i n t o ) 和类 旖俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 3 酪氨酸( e x e m ：2 7 5 n m 3 1 0 r i m 和2 2 5 - 2 3 7 n m 3 0 9 3 2 1 n m ) 。表1 1 是常见的有机荧 光物质。 荧光及相关光谱分析技术 2 1 有机物的分子荧光 如图1 1 所示，物质在吸收入射光的过程中，光子的能量传递给了物质分子。 分子被激发后，发生了电子从较低能级到较高能级的跃迁。这一跃迁过程经历的 时间约1 0 1 5 s 。跃迁所涉及的两个能级间的能量差，等于所吸收光子的能量。紫外、 可见光区的光子能量较高，足以引起分子中的最外层电子发生电子能级间的跃迁。 处于电子激发状态的分子，称为激发态分子。电子激发态的多重态用2 s + 4 表示， s 为电子自旋角动量量子数的代数和，其数值为0 或l 。分子中同一轨道里所占据 的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对。假如分子中的全部电子都是 自旋配对的，即s - 0 ，该分子便处于单重态( 或称单线态) ，用符号s 表示d 大多数 有机物分子的基态是处于单重态的。倘若分子吸收能量后电子在跃迁过程中不发 生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态：如果电子在跃迁过程中还伴随着 自旋方向的改变，这时分子便具有两个自旋不配对的电子，即s - 1 。分子处于激发 的三重态( 或称三线态) ，用符号t 表示。符号s 。、s ，、s ：分别表示分子的基态、第 一和第二电子激发单重态，t ，和t ：则分别表示第一和第二电子激发三重态。处于 激发态的分子不稳定，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁的衰变过程而返回基态。 辐射跃( s ，一s 。) 迁的衰变过程伴随着光子的发射，即产生荧光。荧光物质的荧光 发生于荧光物质吸光之后，因此，荧光体要发光首先要吸收光，即荧光体要有吸 光的结构。发荧光的荧光体，大多为有机芳族化合物或它们与金属离子形成的配 合物。这类化合物在紫外线区和可见光区的吸收光谱和发射光谱，都是由该化合 物分子的价电子重新排列( 跃迁) 引起的，所以只有那些具有代尢共轭双键的分子 才能发射较强的荧光；兀电子共轭程度越大，荧光强度就越大，大多数含芳香环、 杂环的化合物能发出荧光，且兀电子共轭度越强，荧光强度i 越强。 4 扬州大学硕士学位论文 3 s 2 0 3 s ； o 3 s o ； 0 v 3 t ， 0 【a ) 吸收( b ) 振动驰豫( c ) 内部能量转换( d ) 荧光( e ) 体系间跨越( f ) 磷光 图1 - 1 分子激发发射原理 f i g 1 - lm o l e c u l a ri n s p i r ee x c i t a t i o n - e m i s s i o np r i n c i p l e 2 2 激发发射荧光光谱 激发和发射荧光光谱法( e x c i t a t i o na n de m i s s i o nf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ) ， 固定荧光的发射波长，不断改变激发光波长，以所测得的该发射波长下的荧光强 度对激发光波长作图，所得到的谱图是荧光化合物的激发光谱；使激发光的强度 和波长固定不变，测定不同发射波长下的荧光强度，即得到发射光谱。 2 3 同步扫描荧光光谱 同步扫描荧光光谱法( s y n c h r o n o u sf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ) 是用机械方法 将荧光分光光度计的两个单色器的波长耦合在一起执行同步双扫，得到与常规激 发扫描及常规发射扫描均成4 5 。角的所谓“同步探测扫描线，利用这些数据可以 用人工方法或计算机的相应程序，能同样做出样品的等荧光强度值图，即样品的 指纹图。 施俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 5 2 4 时间分辨荧光光谱 时间分辨荧光光谱法是用很短脉冲光激发荧光体，形成激态荧光体的群体，激 发群体随时间而衰变。采用适当的激发光源和检测体系，可以得到在固定波长的 荧光强度一时间曲线和固定时间的荧光发射光谱，可用以对混合物中光谱重叠但寿 命差异的组分进行分辨并分别测定，可以消除杂质与背景荧光以提高信噪比，可 以用于溶剂松弛的时间分辨测量，这有助于对生物大分子和基团作用的研究，如 采用p s 时间分辩荧光法还可以检测自由基的存在。 2 5 三维荧光光谱 三维荧光光谱法是近年来发展起来的一门荧光分析技术，目前在d o m 的研究 中正得到越来越多的应用。该技术能够同时获得激发波长、发射波长以及二者相 对应的荧光强度信息，通常将荧光强度表示为激发波长发射波长两个变量的函数， 即三维激发发射矩阵荧光光谱( t h r e ed i m e n s i o n a le x c i t a t i o ne m i s s i o nm a t r i x f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y , 3 d e e m ) 。荧光强度以等高线的方式表现在一个平面上， 能很直观地提供任何激发发射波长所对应的荧光强度信息，而且容易体现与普通 的激发光谱、发射光谱以及同步荧光谱的关系。尤为重要的是，等高线谱克服了 等角三维投影图中许多小荧光峰遮蔽的问题，能够清晰地揭示谱图微细结构，因 而可表达更为丰富的荧光信息。包含了荧光物质完整的稳态荧光信息三维荧光光 谱不仅具有常规荧光分析方法灵敏度高、选择性好、不破坏样品结构等优点，而 且可以提供更为完整的光谱信息，用于水质测定时能够揭示有机污染物的种类及 含量信息。近年来，国内外众多研究者利用三维荧光光谱技术在水体d o m 的研究 上开展了诸多卓有成效的研究工作。不同污染来源的水样具有的d o m 种类组成和 浓度不同，测量得到的三维荧光光谱也不同。由于三维荧光光谱与水样具备唯一 对应的特点，我们称水样的三维荧光光谱为“水质荧光指纹 。 目前，国内外利用三维荧光光谱针对水体d o m 的研究主要围绕两方面展开： 6扬州大学硕士学位论文 一方面是不同水体d o m 的三维荧光光谱特征研究。美国学者c o b l e 利用三维荧光 光谱的差异区分了海洋起源和陆地起源的d o m ，研究表明水体腐殖质在三维荧光 光谱上表现为荧光峰a 和c 【l 引。大多数研究发现自然水体的三维荧光光谱直观上 通常具有四个不同的荧光峰，分别为类色氨酸( t r y p t o p h a n 1 i k e ) 、类酪氨酸 ( t y r o s i n e 1 i k e ) 、类富里酸( f u l v i c 1 i k e ) 和类腐殖酸( h u m i c 1 i k e ) 荧光峰【1 9 1 。另一 方面是水体d o m 的三维荧光光谱与传统化学指标的相关性研究。水体三维荧光光 谱上不同的荧光峰代表着不同的d o m 组分，荧光峰荧光强度直接反映了其浓度， 因此各荧光峰强度通常与传统的化学指标存在一定相关性。例如，水体三维荧光 光谱中类色氨酸荧光峰代表的d o m 组分易被微生物降解，研究表明其荧光强度与 水体生化需氧量( b o d ) 值存在较好的相关性。h u d s o n 等测量了英国西南部包括 地表水、工业排放水和其他受污染水在内的4 6 9 个水样的三维荧光光谱和b o d 值， 结果表明类色氨酸荧光强度与b o d 值存在良好的线性相关性，相关系数为 0 9 0 6 2 0 1 。l e e 等通过分析生活污水和河水的三维荧光光谱，发现与类富里酸相比 类色氨酸荧光强度与化学需氧量( c o d ) 值有更好的线性相关性，相关系数超过 了0 9 2 1 。 3 水体d o m 的三维荧光光谱分析及其应用 3 1d o m 组分的三维荧光光谱定性分析 不同的荧光物质或荧光基团存在特定的激发和发射最大波长，根据激发和发射 最大波长的位置可以确定荧光物质或荧光基团的存在，从而实现对荧光物质的定 性分析。d o m 中的芳香环、未饱和脂肪链等荧光基团是产生分子荧光的结构基础。 不同d o m 组分内含有差异性的荧光基团，其荧光特性包含了与结构、官能团、构 型、非均质性、分子内与分子间的动力学特征等有关的信息。因此，不同d o m 组 分具有特征性的荧光光谱，表现在三维荧光光谱等高图上d o m 各组分具有特征位 置的激发发射( e x e m ) 荧光中心。对河流、湖泊以及海洋等自然水体中d o m 的 研究表明，不同的d o m 组分具有不同的荧光基团，并且荧光峰的位置和荧光强度 施俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 7 也不尽相耐2 2 。2 5 1 。一般而言，自然水体中d o m 各种组分的e x e m 荧光中心的位 置可概述为三类：腐殖质类( e x e m ：2 3 7 2 6 0 n m 4 0 0 5 0 0 n m 和3 0 0 3 7 0 n m 4 0 0 - - 一5 0 0 n m ) ；色氨酸类( e x e m ：2 7 5 n m 3 4 0 n m 和2 2 5 2 3 7 n r n 3 4 0 - - 3 81 n m ) ； 酪氨酸类( e x e m ：2 7 5n m 3 l o n m 和2 2 5 2 3 7 n m 3 0 9 3 2 1 n m ) p 6 。其中，水体中常 见有机物的荧光中心识别位置如表1 2 所示。 表1 - 2 水体中常见有机物的荧光识别位置【2 7 _ 2 8 1 t a b1 - 3t h ec o m m o no r g a n i cf l u o r e s c e n c er e c o g n i t i o np o s i t i o no ft h ew a t e r 3 2d o m 组分的三维荧光光谱定量分析 研究表明，类蛋白质和类腐殖质荧光强度与d o m 含量遵循一定的规律，即 随着d o m 含量的增加，荧光强度线形增加，而受环境因子的影响较小【2 9 】。三维 荧光光谱中各d o m 组分荧光中心强度是其定量分析的基础。依据l a m b e r t - b e e r 定律和荧光强度计算公式，在低浓度范围内d o m 各组分荧光中心强度与浓度呈 8扬州大学硕士学位论文 线性关系。根据低浓度时荧光强度与荧光物质浓度的线性关系，由d o m 各组分 荧光中心的强度可计算出该组分的浓度。然而，当浓度较高时荧光强度会显著受 到内滤效应的影响，从而出现非线性现象。内滤效应同时可以导致荧光中心发生 红移，干扰荧光组分种类的判吲3 0 】。目前，对于产生内滤效应的浓度范围尚无统 一的定论。v o d a c e ka n dp h i l p o t 3 1 等建议对于d o c 浓度不超过2 0 r a g l - 1 的自然水 体，内滤效应可以忽略。尽管如此，高浓度的水体，如未处理的生活出水，需要 在荧光测量前稀释以降低内滤效应对荧光强度的影响 3 2 】。 此外，瑞利和拉曼散射也会干扰三维荧光光谱的测量。瑞利散射是水体中微 小颗粒物对激发光的散射，散射光波长与激发光相同，属于弹性散射；拉曼散射 是激发光作用下水分子中o - h 共价键振动导致的水分子散射，散射光波长小于激 发光波长，但与激发光波长相关。 3 3 三维荧光光谱定量分析的环境影响因素 d o m 的三维荧光光谱除与其性质直接相关外，还受到多种环境因素的影响， 例如温度、p h 和金属离子等。温度对于d o m 的荧光强度有着显著的影响。通常， 随着温度的降低，溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大。h e n d e r s o n 等【3 3 】认为温 度升高增加了激发电子辐射衰变返回基态的可能性，从而减小荧光强度。当溶液 中有猝灭剂存在时，温度对于荧光强度的影响将更为复杂，这是由于温度对于分 子的扩散、活化、分子内部能量转化以及对于溶液中的各种平衡均有一定的影响。 在进行三维荧光光谱测定时，由于荧光分光光度计光源温度高，容易引起测定溶 液的温度上升，可能导致荧光强度的变化，因而样品四周的温度在测定过程中应 尽可能保持恒定。 此外，研究表明溶解有机质( 包括腐殖质) 的荧光强度随着p h 值升高而增大 3 4 - 3 6 。荧光强度的变化与有机大分子结构中的酸性基团，如苯酚基团，以及自身的 分子构型随着p h 的改变有关【3 7 。8 】。酚羟基浓度越高，p h 值对荧光强度的影响越 大。g h o s h 等【”】认为在高p h 时腐殖质分子呈线性结构，当p h 下降时分子发生卷 施俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 9 曲。a u 等i 柏】通过实验证实，在中性和碱性p h 条件下，由于腐殖质分子之间的排 斥作用其构型拉伸为线性，使得更多的荧光基团裸露到溶液中，荧光强度增强。 同时，自然水体中d o m 的荧光强度受到多种金属离子的影响。d o m 组分与金 属离子会形成金属一有机物复合物，因此荧光产生淬灭或者在某些区域增强。对于 标准腐殖质样品，类类富里酸的荧光强度在过量的铜、铁和铝离子的存在下会发 生不同程度的淬灭【4 1 1 。在浓度为2 g l 1 时，铝和铜可以使标准腐殖质溶液的荧光 强度下降4 0 4 2 。傅平清f 4 3 】运用三维荧光光谱研究溶解有机物与汞的相互作用， 结果表明溶解有机物中含有的3 种类型荧光基团都能够不同程度地被h g ( i i ) 猝灭。 杨策附】等研究表明类腐殖酸和类富里酸物质与c a 2 + 反应会引起荧光猝灭所致。 3 4d o m 三维荧光光谱在环境分析中的典型应用 3 4 1 水质指标的d o m 三维荧光光谱间接测量 由于d o m 是水体有机物的主要存在形式，d o m 的浓度一定程度上可以用来 反映水体的有机污染程度。因此，许多研究者研究了d o m 各组分荧光强度与水 体综合有机污染指标间的相关性，以期可以通过d o m 的荧光强度计算水体的综 合有机污染指标。h e n d e r s o n 4 5 l 等总结了不同研究者分析得到的d o m 各荧光峰强 度与常规水质参数间的相关性，如表1 3 所示。郝瑞霞【删等采用荧光光谱法研究 了生活污水中溶解有机物的荧光特性，提出了表征污水中某一类溶解性有机物含 量的三维荧光参数：( 1 ) 荧光强度( f 。妇) 表征污水中某一类溶解性有机物的含量( 2 ) 荧光强度综合指标( 各类有机物的特征荧光强度之和，f 刮锄) 表示有机物综合 含量。( 3 ) f 刮e i f e 抽表示不同种类有机物所占的比值。 1 0扬州大学硕士学位论文 表1 3 受污水影响水体荧光峰强度与水质指标间的相关性m t a b l e1 - 4s u m m a r yo fc o r r e l a t i o n sb e t w e e nf l u o r e s c e n c ep e a ki n t e n s i t i e so fs e w a g ei m p a c t e dw a t e r 相关性 样品荧光峰 水质参数 ( 非标注皆为 参考文献 p e a r s o n 相关系 数) t 1p 0 4 扣 0 8b a k e ra n d i n v e r a r i t y 【4 3 】 n 0 3 o 8 7 河水( 水库6 2 个采样 t 2 b o d0 8 5 点) d o加6 5 n h 3 o 7 河水( 1 2 个采样点)c l t o c o 6 8 b a k e r t 钾1 排放水( 排放污水样品 t lb o d 5 0 9 0 6 4 h u d s o ne ta 1 l u j 2 2 3 个，表层水样品 2 4 6 个) t o c0 8 7 6 4 t 2 b o d t0 8 4 8 8 t o c0 8 0 2 8 c 2b o d 5 0 7 7 1 1 t o c0 8 7 8 a b o d 5 0 7 2 4 t o c0 8 0 8 4 处理污水 t l c o d0 9 6 0l e ea n d a h n 5 1 1 ( 2 0 0 4 ) 污水( 1 6 个样品) c l d o c0 1 4c u m b e r l a n da n d b a k e r 5 2 1 ( 2 0 0 7 ) 河流污水( 6 条河，1 0t l u v 2 5 40 8 5 b a k e r t ”1 ( 2 0 0l1 施俊：基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析 个位点) b o d 5 o 7 7 c i u v 2 5 4o 8 l b o d s o 7 2 城市河水、污水处理厂t l b o d0 9 h u re ta 1 t m j ( 2 0 0 8 ) 出水、水库排放水( 1 8 个样品) 污水( 含处理和未处理t l b o do 9 6 r e y n o l d s 1 ( 2 0 0 2 ) 的污水) c o d0 9 7 t o c0 9 6 原始污水( 7 0 个样)t l b o d 0 9 6 ( 污水厂a ) r e y n o l d sa n d 和处理的污水( 5 9 个 a k m a d 【5 6 1 ( 1 9 9 7 ) 样) o 9 7 ( 污水厂b ) 0 9 4 ( 污水厂c ) 处理的污水厂出水 t i - t 2 b o d0 9 8 a h m a da n d r e y n o l d s t 5 7 】( 19 9 9 ) 过滤的原始污水t i c o d0 4 2v a s e la n dp r a e t t s s k 2 0 0 2 ) t o c0 4 1 n k 0 6 9 n h 4 - n 0 6 5 污水( 9 6 个样品)t l d c o d o 3 7 e ta l 。l j c o d o 5 1 ( 2 0 0 6 ) 两类污水污染事件t ln i - 1 3 0 9 6b a k e re ta 1 i 叫j ( 1 9 个样品) ( 2 0 0 3 ) 1 2扬州大学硕士学位论文 3 4 2 有机污染源的判别与追踪 不同来源的水体d o m 组成存在显著差异，该种差异可以通过三维荧光光谱反 映出来，因此三维荧光光谱可以用来示踪溶解有机物的来源。钟润生 2 6 】等研究河 流中溶解有机物的荧光光谱特征，以确定比较稳定的荧光团来示踪河流溶解性有 机物来源，结果表明不同来源的河流相互混合后，各类荧光团表现出不同的特性， 较长激发波长的类腐殖质荧光团容易发生荧光猝灭，而激发波长位于2 2 0 - - 一2 3 0 衄 的荧光团表现出较稳定的荧光强度，是一种潜在的溶解性有机物示踪工具。 b a k e r 6 1 】运用三维荧光光谱技术来追踪受污染河流污染源，研究了被两家污水处理 厂的出水和被污染的1 0 个河水样品的三维荧光光谱，表明类色氨酸类富里酸荧光 强度比可以用来追踪河水的污染来源。s t e d m o n 6 2 】等研究了丹麦海湾水体d o m 的 三维荧光光谱，结合平行因子分析模型( p a r a l l e lf a c t o r a n a l y s i s ，p a r a f a c ) 分离 得到5 种不同的d o m 组分，各组分来源不同，据此可以对污染源进行追踪。 由于自然水体( 湖泊、河流和海洋) 的天然有机物( n a t u r eo r g a n i cm a t t e r s ，简 称n o m ) 的主要组成部分一一腐殖酸类物质( h u m i c 1 i k e 和f u l v i c l i k e s u b s t a n c e s ) 、蛋白质以及叶绿素均有特征荧光 6 3 1 ，故近年来荧光光谱技术在自然水 体的污染状况和污染来源研究中开始得到应用。叶绿素的荧光因藻类有所差异， 硅藻( d i a t o n s ) 的荧光峰在5 3 5 6 8 5 n m ，绿藻在5 9 0 6 8 5 n m ，蓝藻( c y a n o b a c t e r i a ) 在4 1 0 6 8 5 n m 和隐藻( c r y p t o p h y t e s ) 在6 1 0 6 8 5 n m 附近1 6 4 1 。水体中的这三种天然 荧光物质来源不同，例如：腐殖酸主要来自土壤，蛋白质主要来自动植物分泌物 和腐败的动植物遗体，而叶绿素则来自浮游植物和藻类，故这些物质能够间接反 映水的传输和自身发生的生化过程，如富营养化。中科院安徽光学研究所以3 5 5 n m 为激发波长对合肥水源地董铺水库水样的发射光谱进行了测