某酵母厂污水3DEEMs特性的影响因素分析

王 悦，彭小武，程 艳，王文全，王晓愚，孟永霞，张 健

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆环境污染防治与风险控制重点实验室，乌鲁木齐 830012；3.新疆环境保护科学研究院，乌鲁木齐 830012；4.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；5.上海琸源水生态环境工程有限公司，上海 200003)

0 引 言

【研究意义】近年来，随着我国制药业和食品业的迅猛发展，酵母工业增长势头强劲；同时出口量也大幅提高，年平均递增超过20%。其主要是利用废糖蜜作生长碳源，以硫酸铵、氯化钠、硫酸镁、磷酸铵等作营养盐生产酵母。由于酵母不能完全利用废糖蜜中的有机物，剩余有机物以及酵母在生长代谢过程中产生的新有机物均进入废水中，产生高浓度的有机废水。酵母工业废水中有机物按其状态可分为溶解性有机物(dissolved organic matter，DOM)和颗粒有机物(particulate organic matter，POM)两类，其中DOM占总有机物的30%～40%，也是工业废水处理的主要对象[1，2]。DOM是一类非均质混合物，主要包括类蛋白、类氨基酸、亲水性有机酸和类腐殖酸等，组成结构较为复杂。它一般通过其配位基团(如酚羟基和羧基等)与工业废水及沉积物中其他物质相互作用[3]。三维荧光光谱(three—dimensionalexcitation emission matrix fluorescence spectroscopy，3DEEM)可用于检测含芳烃基团的有机化合物和它们的烷基同系物，是一种灵敏、快速和简便有效的有机物检测方法。不同芳烃组分和分子结构的烷基或环烷芳烃同系物在不同发射和激发波长下产生各自的特征荧光“指纹”，并具有不同的荧光强度[4]。采用三维荧光光谱技术研究酵母产品加工企业污水DOM荧光“指纹”的特征，不仅对于了解和掌握该行业废水处理效果，进一步改进处理工艺具有参考作用；更重要的是可为环境水体水污染溯源提供科学依据。【前人研究进展】目前，三维荧光光谱分析技术已广泛应用于水溶性有机污染物分析与研究。已有研究表明，水溶性有机物的三维荧光光谱图通常表现为4类荧光峰：紫外区类腐殖酸荧光峰A峰[5]，其激发波长(λEx)与发射波长(λEm)的比值范围为240～265/425～435 nm；可见区类腐殖酸荧光峰C峰[6]，激发波长(λEx)与发射波长(λEm)的比值范围为310～360/370～450 nm；类酪氨酸荧光峰B峰，其激发波长(λEx)与发射波长(λEm)的比值范围为270～275/295～300 nm或260～290/300～350 nm；类色氨酸荧光峰T峰，其激发波长(λEx)与发射波长(λEm)的比值范围为230～235/345～390 nm[7]。其中A峰和C峰主要为陆源污染，B峰与T峰主要与微生物降解产生的芳香性类蛋白结构有关，包括外源输入中生活、工业废水、农业排水等携带的微生物以及水体中自身的微生物[8]。傅青平等[5]利用三维荧光光谱研究了河流、湖泊等不同来源DOM的荧光光谱特性，对各类荧光峰谱的特性做出了相应解释；蒋剑凯等[9]用三维荧光指纹技术对北京某公园2个相邻的景观湖水水质进行了长期定期监测，探究了水质的主要影响因子和变化规律，结果表明，2个湖湖水均有明显的类蛋白质和腐殖质酸的荧光，且类蛋白质的荧光强度较强；杨毅等[10]研究了pH对城市生活污水二级出水中DOM的三维荧光光谱特性的影响，指出pH改变可使得DOM的聚合度以及粒径发生变化，从而影响荧光基团，导致DOM荧光强度的变化。很多研究用生物源指数(BIX)、荧光指数(FI)和腐殖化指数(HIX)等3项荧光指标来表示DOM的不同来源，如胡霞等[11]、王齐磊等[12]利用这3项指标追踪了河流、湖泊等DOM的不同来源。大量研究证实，在DOM发射波长为355 nm处的吸收系数，即a(355)可用来表征水体DOM的浓度变化，且a(355)越大表明DOM浓度越高[11，13-16]。【本研究切入点】水体DOM的荧光特征受较多环境因素的影响，如环境温度、pH和DOM浓度等，这些环境因素都或多或少引起水体DOM荧光光谱的荧光强度和荧光峰位置的变化，从而导致荧光光谱性质的改变。要实现水体污染物的快速准确溯源，获得相对稳定的污染源三维荧光光谱特征是必须要解决的问题。研究污染源进入受纳水体后的三维荧光光谱随环境因子的变化特征，是进行污染溯源的重要基础。【拟解决的关键问题】利用三维荧光光谱技术，以某城市酵母厂污水为研究对象，分析企业水体DOM的三维荧光光谱特性，探讨不同浓度以及pH条件对该企业污水DOM三维荧光指纹特性的影响规律，为确定该企业污水相对稳定的三维荧光指纹奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

取某城市酵母厂污水处理设施的进口及出口原水作为试验水样，采样时间为2019年6月30日。用于进行三维荧光试验的水样保存于100 mL的棕色玻璃瓶，依次编号，采样后立即运回实验室通过0.45 um滤膜过滤后置于4℃冰箱中冷藏规水质指标的水样，按照地表水和污水监测规范(HJ/T 91-2002)的要求，在现场进行预处理(添加保护剂)后，在4℃的环境下避光保存，带回后进行凯氏氮、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标的测定，采样同时现场测定水样的pH及温度。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

DOM浓度试验：不改变酵母厂污水处理设施进水与出水的pH值，将水样分别稀释1、2、3、4、5、6倍，将温度保持为25℃，分别对各稀释水样其进行三维荧光光谱测定。

pH效应试验：用0.1 mol/L的HClO4与0.1 mol/L的NaOH溶液分别将酵母厂污水处理进、出口水样pH调节至2、4、5、6、8、10、12，温度设置为25℃后测定各样品的三维荧光光谱。

1.2.2 参数测定

试验所涉及常规污染指标均采用国家标准所规定的方法测定。COD采用重铬酸钾法(GB11914-89)，凯氏氮采用硒催化矿化法(GB11891-89)[17]，TN采用过硫酸钾—紫外分光光度法(GB11894-89)[18]，TP采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)[19]。

各样品三维荧光光谱采用HORIBA公司生产的Aqualog荧光光谱仪测定，激发光源为150 W氙灯，激发波长(Ex)与(Em)发射波长的扫描范围分别是240～800和245～845 nm，积分时间为0.1 s，狭缝宽度为3 nm，所用比色皿为1 cm四通石英比色皿。用Milli-Q水作为空白样，Aqualog系统自动扣除样品的拉曼散射，并消除瑞利散射的影响。

1.2.3 荧光指数与a(355)

(1)荧光指数(FI)

三维荧光特征指数可以进一步解析和反映水体中 DOM 的来源、污染程度等。其中，荧光指数(FI)[20]是指激发波长为370 nm时，发射波在450和500 nm处荧光强度的比值。其可区分DOM的陆地来源和微生物来源，当FI<1.4，则表示DOM主要来自土壤或陆源，当FI值介于1.4～1.9，则代表污水DOM既有内部微生物活动产生也有外部土壤或陆源输入[21]。

(2)生物源指数BIX

生物源指数BIX 指激发波长为310 nm时，发射波长在380和430 nm处荧光强度的比值，反映DOM中自生源的贡献率[22]，BIX值在0.8～1时，说明水体DOM表现为较强的自生源特征；当BIX>1时，则表示DOM受外源影响较大[23]。

(3)腐殖化指数HIX

腐殖化指数HIX为在激发波长λEx=254 nm时，激发波长λEm为435～480 nm与300～345 nm波段内的荧光强度积分值(或平均值)的比率[24]。HIX可用于估计溶解有机质的腐殖化程度，有研究表明，一般当HIX<4，代表腐殖化程度较低[23]。(4)a(355)

研究采用a(355)作为水样DOM的浓度，其是指在发射波长为355 nm处的吸收系数，计算公式为：a(λ)=2.303D(λ)/L，其中D(λ)为波长λ处的吸光度，L为光程路径(m)[11]。

2 结果与分析

2.1 酵母厂污水处理进出水荧光特征

研究表明，该企业污水处理进水出现明显的B峰和C峰，出水出现明显的C峰和A峰。进水主要为类蛋白荧光峰与腐殖酸荧光峰，出水主要为腐殖酸荧光峰，基本没有类蛋白荧光峰的出现。进水的类蛋白荧光强度高达9 002 a.u，出水C峰强度是进水的1.73倍。图1，表1

表1 某城市酵母厂污水处理厂进出水荧光峰位置和荧光强度Table 1 Fluorescence peak position and fluorescence intensity of influent and effluent from a municipal yeast plant wastewater treatment plant

图1 某城市酵母厂污水处理进水口、出水口三维荧光光谱Fig. 1 Three-dimensional fluorescence spectra of inlet and outlet of sewage treatment plant of an urban yeast plant

未经处理的废水各常规污染指标都非常高，呈现典型的有机污染特性，可为环境水体带来较高的有机污染风险。而经过UASB[1]工艺处理后出，出口水体凯氏氮浓度相比进水减少了98.6%，总氮减少94.4%，总磷减少了90%，COD减少了97.1%，而出水的类蛋白荧光峰也基本消失，表明进水极高的类蛋白荧光强度与凯氏氮、COD、总氮和总磷等指标存在正相关关系。表2

表2 某城市酵母厂污水处理进出水常规参数指标Table 2 Routine parameters of influent and effluent from a yeast plant in a city

研究表明，该厂污水处理进、出水的FI值均在1.4～1.9，进水的FI值更接近1.9，其内源特征更为明显，而出水更接近外源特征。进水的BIX>1，出水BIX在0.8～1，也表示进水有较强的自生源特征，出水则受外源影响较大。污水处理进口水样HIX<1，经过UASB工艺处理后的排水具有较高的腐殖化特征。表3

表3 某城市酵母厂污水处理进、出水荧光指数Table 3 Fluorescence index of inlet and outlet water of a sewage treatment of a city yeast plant

2.2 DOM浓度对三维荧光特征的影响

由于现场测定的该厂污水处理进、出口水样pH均在7.8左右，温度为25℃，所以在保持水样温度为25℃，pH值不变的条件下，改变水样的浓度，测定各稀释水样的三维荧光光谱，获取各荧光峰的位置和荧光强度特征值。随着稀释倍数的增加，进口水样的B峰出现逐渐蓝移的现象，C峰在稀释1～4倍的时候荧光峰位置发生蓝移，稀释4～6倍时出现红移的现象。出水的A峰在稀释1～2倍时出现了蓝移，在2～4时发生红移，然后趋于平稳。而C峰的位置变化不明显。进出口水体的各荧光峰强度都呈下降的趋势，而且具有相似的变化趋势，以稀释倍数为1～3期间呈现快速下降趋势，3～6倍荧光强度下降趋势变缓。图2，表4

表4 酵母厂污水处理进出口水样不同浓度的三维荧光强度Table 4 Three-dimensional fluorescence intensity of different concentrations of water samples at import and export of sewage treatment plant

随着水样稀释的倍数增大，进、出口水样的DOM浓度a(355)都呈现下降的趋势，稀释2～3倍的时候a(355)急剧下降，稀释3倍以上其下降速度比较平缓，且进口水样的a(355)在稀释5倍的情况下基本保持不变，这也与各荧光峰强度的变化相一致。图2

图2 进出水样不同浓度的荧光特征指数变化规律Fig. 2 Fluorescence characteristic index variation of inlet and outlet water samples with different concentrations

2.3 pH对荧光特性的影响

研究表明，进水pH为2～6时，类蛋白峰B峰位置几乎没有发生变化，λEx/Em最大值都出现在270/300 nm左右。pH>6时，荧光峰位置发生红移，pH=12时，最大的λEx/Em位置红移至275/350 nm。相对于腐殖质峰C峰，pH在2～8时，荧光峰位置发生了蓝移，λEx/Em最大值从339/423 nm偏移到了317/316 nm，pH值在8～12时荧光峰位置趋于平稳，几乎没有发生偏移现象。出口水样因为经过处理的原因，水体内的微生物活动特别微弱，出水水样中没有检测到类蛋白荧光峰。图3-a

出水水样在酸性条件下(pH=2～5)多出了一个M峰，介于A峰与C峰中间的一个类腐殖质峰，由于进口水样并没有M峰的出现，因此，M峰的出现可能与pH值有极大关系，碱性条件可能对M峰具有淬灭作用。A峰在pH为2～6时荧光峰发生蓝移，当pH>6，随着pH值的上升，A峰位置几乎没有明显偏移。pH=2～5时，C峰位置几乎没有发生变化，在pH值从5增加到6时，M峰消失，C峰位置出现了明显的蓝移现象，λEx/Em最大值从338/423 nm偏移到了326/395 nm，与A峰一样在pH为6～12时，C峰位置无明显变化。类蛋白荧光峰受到pH值变化的影响导致荧光峰偏移程度远大于类腐殖酸荧光峰，类蛋白质峰对pH值变化的反应更为强烈。图3-b

图3 酵母厂污水处理进出水在不同pH值条件下的荧光光谱图Fig. 3 Fluorescence spectra of effluent and effluent from yeast plant under different pH values

研究表明，改变进、出口水样的初始pH值会导致各荧光峰强度发生不同程度变化。从试验结果可以看出，随着pH的增大，B峰荧光强度呈现先增高后降低的趋势，大概在pH=6时荧光强度达到最大值，即类蛋白荧光B峰在pH值为2～12变化较剧烈，且荧光强度最大值出现在pH=6，最低值出现在pH=12。C峰荧光强度同样呈现先增高后降低的趋势，但是其最大值出现在pH=10的时候，当pH值减小，水样呈酸性的时候，C峰的荧光强度呈现随pH降低而减小的态势。

对于出水，A峰和C峰均在pH为2～6期间随pH的降低而降低，其中2～5时降低幅度很小，在pH为5～6时快速下降；A峰强度在pH为8时达到最大，C峰强度在pH=6时达到最大值，随后随着pH的增加而再次缓慢降低，总体趋势上与进口高浓度水体的变化趋势一致，只是在pH为5～6期间呈现快速降低。图4

图4 不同pH下酵母厂污水处理进出水荧光强度变化Fig. 4 Effects of pH on fluorescence intensity of effluent and effluent from yeast plant wastewater treatment

3 讨 论

根据酵母厂污水处理进、出水FI值与BIX值，进水的内源特征更为明显，而出水外源特征更显著。若水体DOM自生源特征明显则代表微生物可利用性高，将有利于微生物的生长；而微生物活性高会有利于增加水溶性有机物中的类蛋白成分；王齐磊等[12]研究结果表明，FI值与BIX值呈现较高的相关性，这也可以解释进水DOM具有较高的类蛋白组分与其特征指数的相关性。进水具有较低的HIX值，表征当自产或者排污产生的水体会具有较低的腐殖质指数。污水处理进口水质为酵母产品加工后排放的废水，较低的HIX值体现其水质微生物活动较强，腐殖化程度较弱[25]；而出水的HIX值有所上升体现出污水经过处理后其生物活性降低，水质的稳定性比较高，其陆源特征比较明显，查阅之前的研究数据，出水的HIX值与该区域河流地表水的HIX值也比较接近。所以荧光特性指数能够一定程度上的反映水体的特征。

浓度效应试验结果中出现腐殖酸荧光强度与类蛋白荧光强度随着浓度的减少而降低的现象，可能是因为随着浓度的降低，DOM溶液中所带负电荷在逐渐增加，DOM溶液中的羟基与羧基等官能团也在相应开始解离[26]，各个荧光峰的荧光强度也相应降低。进、出口水样的a(355)值在稀释1～3倍时急剧下降，稀释3倍以上其下降速度比较平缓，可能是因为稀释1～3倍水样浓度变化比较快，各官能团解离的程度也比较大。这一现象也进一步证明了a(355)可以用来表示水溶性有机物的浓度大小及浓度变化。

pH值变化对三维荧光特征的影响较明显，pH值改变导致的荧光峰偏移可能归因于腐殖质分子中酸性官能团(酚类和酚酸酯)的荧光特征的变化。已知酚类化合物具有2个荧光最大值，其中波长较长的1个在高pH溶液中占主导地位，光谱位移也反映了腐殖酸分子在不同pH值下构象的变化，对于pH变化引起的蓝移现象可能归因于从大量含水溶剂中增强了某些荧光团的分离[27]。而关于pH值对荧光强度的影响，进口水样B峰荧光强度随着pH值的增大而剧烈变化的现象，可能是因为类蛋白质物质自身不稳定且具有易降解的性质，溶解性有机物中酚类官能团与大量阴离子互相排斥并且类蛋白物质分子间的氢键作用减弱，使得类蛋白物质呈现线性结构而导致荧光强度增强。当pH>6时，随着pH的增加B峰荧光强度剧烈下降，可能是DOM溶液里酚羟基解离pH范围不同的原因[28]。C峰荧光强度随pH值变化而变化的原因，可能是因为当pH<5时出水中溶解性有机物的带电离子以及官能团之间的聚集性增加，将荧光团包裹在内而导致荧光强度降低，也可能是因为在聚集时分子之间发生摩擦而产生了淬灭现象而导致的荧光强度降低。pH在5～10时，随着pH值的增大，DOM中酚羟基与酸性集团的羧基不断发生解离，DOM溶液中负电荷在不断增加而使得胶粒与分子之间的排斥力增强，水样中DOM溶液分子间与分子内的氢键不断发生断裂，DOM分子间由于电子排斥作用而导致了腐殖质分子的延伸使大量荧光基团暴露在溶液中从而使得腐殖质荧光强度增加[10]。经过处理后的出口水样检测到A峰与C峰随pH变化而出现的现象，可能是因为出口水样经过处理后水体DOM浓度降低；低浓度的DOM溶液在酸性条件时荧光强度随着pH值降低而快速降低，可能是因为酸性基团在起作用，而在碱性条件下因为DOM溶液的浓度比较低而使得阴离子与酚类官能团之间的排斥作用比较弱，所以当pH>6时类腐殖酸荧光强度的变化都比较平缓，这与Saar和Weber[29]的研究结果相吻合。

4 结 论

4.1 对酵母厂污水处理厂进水进行常规水质以及荧光检测，结果表明，进水主要存在类蛋白峰B峰以及类腐殖质峰C峰，而出水只有类腐殖质峰A峰与C峰。与进水相比，出口水样的凯氏氮、TP、TN以及COD等指标下降率至少为90%，并且类蛋白荧光峰消失；经过UASB工艺的处理，发酵出水的水质得到非常明显的改善并且污水中荧光物质的含量及组成也发生了很大的变化，也表明类蛋白荧光峰与COD等指标具有正相关关系。

4.2 随着稀释倍数的增加，除了出水的C峰位置几乎没有发生偏移，其他荧光峰位置都出现了不同程度的红移和蓝移。随着水样稀释的倍数增大，DOM的a(355)值与各荧光峰强度出现了相似的下降趋势，都是以稀释倍数为1～3期间呈现快速下降趋势，3～6倍荧光强度下降趋势变缓。

4.3 pH值对荧光特性的影响比较大，随着pH值的增加，类蛋白峰出现了蓝移的现象，而类腐殖质峰A峰和C峰都出现了不同程度的红移现象。进水水样随着pH的增加B峰与C峰的荧光强度都呈现了先上升后下降的趋势，pH为6时B峰荧光强度达到了最大值，而C峰的最大荧光强度出现在pH=10的时候。出水水样随pH的增加A峰与C峰的变化趋势比较相似，都是出现先上升后下降的趋势，A峰的最大值出现在pH=8，C峰的最大值出现在pH=6，但是2个荧光峰在水样为碱性时，荧光强度都是缓慢降低，变化并不是很强烈。pH变化对溶解性有机物的三维荧光特性的影响最为显著主要是与DOM溶液中荧光物质的酚类官能团的电离有关。

4.4 该研究的酵母厂污水经处理后，水样的基本指标以及荧光物质的种类、含量以及特性都发生了较大的变化，水体的DOM浓度以及pH等环境因素也会改变水体的荧光特性，而这种特性差异能够通过3DEEM技术完整的体现出来。