三维荧光光谱-平行因子法解析再生水补给人工湿地DOM的光谱特征

采用三维荧光光谱技术和平行因子分析,对北方某潜流-表流复合人工湿地水体中溶解性有机质（DOM）的光谱特征、演变过程及其来源进行研究,以期为深入理解人工湿地的作用机理和污染物溯源提供科学依据。结果表明,人工湿地中各阶段的出水呈现相似的三维荧光特性,均出现明显的类腐殖质尖峰和类蛋白峰,但强度有所不同。混凝沉淀对类蛋白和类腐殖质两种DOM的荧光强度均有一定的削减作用;潜流湿地出水的荧光图谱显示,微生物代谢副产物和类色氨酸等类蛋白峰强度明显降低,而类腐殖质峰强度无明显变化,这表明潜流湿地对再生水中的类蛋白物质具有明显的降解作用,而对类腐殖质物质降解效果较弱;相反,在表流湿地出水的荧光图谱中发现类蛋白峰和类腐殖质峰的强度均削弱,而且在表流湿地下游3 km处的强度达到最低。这一趋势归因于潜流湿地中滤料表面生物膜对DOM的生物降解以及表流湿地内部活跃的微生物活动和水生植物的根系对DOM的吸附作用。平行因子分析结果显示,该湿地水体DOM中包含5个荧光组分,分别为类富里酸组分C1（240, 330/430 nm）、微生物活动相关的类腐殖质组分C2（285, 330/380 nm）、类色氨酸C3（230/350 nm）、微生物代谢副产物C4（280/320 nm）和陆源类腐殖质C5（270, 380/470 nm）。采用多种荧光光谱指数对湿地中DOM的来源进行解析,荧光指数和自生源指数均表明该湿地中DOM的来源以生物代谢输入为主,而陆源输入的影响较小;腐殖化因子则表明该湿地存在弱腐殖化的特征且生物来源占主导地位。斯皮尔曼相关性分析表明5个荧光组分具有同源性,而且与水中氮元素的迁移转化密切相关。     

河北洨河人工湿地水体溶解性有机物性质的演化过程研究

联合三维荧光光谱、紫外光谱和化学还原法,对洨河人工湿地水体DOC与COD的变化特征以及溶解性有机物(DOM)的来源、化学结构、腐殖化程度与氧化还原性质进行研究,以期为深入揭示DOM在人工湿地中的地球化学行为及其生态环境效应提供科学依据。结果显示,河流水体COD 60%以上来自DOC的贡献,而其经过人工湿地后含量的降低则主要是由有机物中的N,H,S,P元素更容易被去除所导致的,其贡献率可达65%。f_470/520与BIX两种指数共同指示了水体DOM主要由微生物贡献,表明水体DOM明显受到微生物的降解作用。三维荧光光谱PARAFAC模型分析显示,人工湿地水体DOM包含类蛋白和类腐殖质组分,其中类富里酸和类胡敏酸组分比类蛋白质组分更容易被降解,类富里酸与类胡敏酸组分具有相似的分解命运。有色溶解性有机物(CDOM)与荧光溶解有机物(FDOM)具有共源性,均主要由类腐殖质组成,二者进入人工湿地后没有产生选择性降解。水体进入人工湿地后E₂/E₃,A_240～400,r_{(A, C)}与HIX指标没有发生显著变化,表明人工湿地对水体DOM的腐殖化程度不会产生显著影响。然而,人工湿地环境不仅有利于形成还原态的DOM,促进水体三价铁的还原,而且可以提高DOM作为电子穿梭体的能力,这可能与DOM的芳香性碳在人工湿地中能够得以更好保存有关。     

移动床生物膜技术处理校园污水过程中DOM的光谱特征

研究了厌氧-缺氧-好氧移动床生物膜(MBBR)工艺对校园污水的处理效果,采用三维荧光光谱和紫外光谱分析了污水处理过程中溶解性有机物(DOM)的降解特性及其组成特征。结果表明,MBBR对校园污水具有较好的去除效果,COD,NH₃-N,TN,TP和DOC的去除率分别达到83.0%,70.9%,52.4%,59.2%和62.2%。三维荧光光谱显示有3个明显的特征荧光峰,其中心位置分别在E_x/E_m=230 nm/325 nm(T峰)、E_x/E_m=280 nm/350 nm(S峰)、E_x/E_m=350 nm/440 nm(R峰)附近,污水中荧光类溶解性有机物主要包括类色氨酸(Trp)、类溶解性微生物代谢产物(SMP)和类腐殖酸(HA)。DOM特征荧光峰的中心位置及荧光强度随处理流程而变,说明污水中DOM的组成和相对含量经MBBR处理后发生变化。其中,类色氨酸、类溶解性微生物代谢产物荧光特征峰近乎消失,表明MBBR对这两类有机物质去除效果显著;溶解性微生物代谢产物荧光强度在厌氧池、缺氧池、好氧池分别为进水的37.1%,20.3%,13.1%,表明MBBR的各生化阶段,微生物均能很好的降解SMP;但类腐殖酸(R峰)荧光强度降低较小,微生物对类腐殖酸总的去除效果不明显。在MBBR工艺流程中,DOM腐殖化指数HIX、荧光指数FI、生物源指数BIX均逐渐增大,微生物对有机污染物降解起到了关键作用。其中,HIX值在缺氧池、好氧池、出水中增大到4以上,经MBBR处理后,DOM腐殖化程度和成熟度逐渐增加;缺氧池、好氧池及出水的荧光FI值接近1.9(分别为1.899,1.881,1.887),说明其中类腐殖质有机物主要源于微生物代谢活动;缺氧池、好氧池及出水中DOM的 BIX值约为1.0(依次为0.985,1.018,0.979),说明缺氧池、好氧池及出水中DOM也主要源于微生物代谢或死亡。污水的紫外特征值E₂₅₀/E₃₆₅随工艺流程逐渐减小、SUVA₂₅₄不断增大,表明经MBBR处理后,污水中DOM类型和含量均发生了较大变化,有机物的共轭不饱和双键或芳香性基团增多,聚合度、腐殖化程度、分子质量增大。     

不同溶解氧水平上覆水中DOM荧光特性及总氮含量评估

采用荧光光谱技术研究不同溶解氧(DO)水平下二十埠河底泥上覆水中溶解性有机物(DOM)转化特性及类蛋白荧光强度与总氮浓度的关系。三维荧光光谱显示：上覆水中DOM主要由三种类蛋白物质(高激发波长类酪氨酸、低激发波长类酪氨酸、低激发波长类色氨酸)和两种类富里酸物质(紫外区类富里酸、可见区类富里酸物质)组成,类蛋白物质是上覆水中DOM的主要成分。经过曝气后类蛋白荧光强度均存在明显降低,其中低激发波长酪氨酸和低激发波长色氨酸相对于高激发波长酪氨酸更易被微生物降解。而类富里酸荧光强度则均呈现增强趋势,表明类富里酸物质属于难降解有机物。上覆水中DOM荧光指数介于1.65~1.8之间,表明上覆水体DOM既有陆源又有生物源但以生物源为主。荧光指数随DO增加而增大,说明随着DO增加微生物量及微生物活性逐渐增加,微生物代谢功能增强,使得上覆水中DOM的生物源成份加大。在较高的溶解氧水平下,即DO分别为2.5,3.5和5.5 mg·L-1时,高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度与上覆水中总氮浓度有良好的相关性,相关系数(r2)分别为0.956,0.946,0.953,说明可以通过三维荧光技术监测高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度而快速分析上覆水中总氮浓度,为河道水体诊断、治理及修复提供快速有效的技术参考和理论支持。     

不同溶解氧水平上覆水中DOM荧光特性及总氮含量评估（英文）

采用荧光光谱技术研究不同溶解氧(DO)水平下二十埠河底泥上覆水中溶解性有机物(DOM)转化特性及类蛋白荧光强度与总氮浓度的关系。三维荧光光谱显示:上覆水中DOM主要由三种类蛋白物质(高激发波长类酪氨酸、低激发波长类酪氨酸、低激发波长类色氨酸)和两种类富里酸物质(紫外区类富里酸、可见区类富里酸物质)组成,类蛋白物质是上覆水中DOM的主要成分。经过曝气后类蛋白荧光强度均存在明显降低,其中低激发波长酪氨酸和低激发波长色氨酸相对于高激发波长酪氨酸更易被微生物降解。而类富里酸荧光强度则均呈现增强趋势,表明类富里酸物质属于难降解有机物。上覆水中DOM荧光指数介于1.65~1.8之间,表明上覆水体DOM既有陆源又有生物源但以生物源为主。荧光指数随DO增加而增大,说明随着DO增加微生物量及微生物活性逐渐增加,微生物代谢功能增强,使得上覆水中DOM的生物源成份加大。在较高的溶解氧水平下,即DO分别为2.5,3.5和5.5mg·L-1时,高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度与上覆水中总氮浓度有良好的相关性,相关系数(r2)分别为0.956,0.946,0.953,说明可以通过三维荧光技术监测高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度而快速分析上覆水中总氮浓度,为河道水体诊断、治理及修复提供快速有效的技术参考和理论支持。     

填埋垃圾渗滤液中水溶性有机物去除规律研究

采集垃圾渗滤液四个不同处理阶段水样,提取制备水溶性有机物(DOM),采用荧光光谱、紫外光谱及红外光谱,研究了不同阶段渗滤液DOM含量与结构特征。结果显示,整个处理过程渗滤液DOM浓度降低了377.6 mg·L-1,总去除率为78.34%,厌氧处理氧化沟和MBR过程分别去除了不同处理阶段出水中的水溶性有机物碳(DOC);厌氧处理增加了渗滤液DOM中不饱和化合物和多糖类物质含量,提高了渗滤液的可生化性;氧化沟处理有效降解了不饱和化合物和糖类。调节池和和厌氧处理过程DOM出现了类蛋白荧光峰和类腐殖质荧光峰,而氧化沟和MBR出水只有类腐殖质荧光峰,类蛋白物质和类富里酸物质主要在厌氧区和氧化沟中去除,而类胡敏酸物质主要在MBR过程中去除。     

生物滞留系统间隙水DOM三维荧光光谱特征分析

为探明不同淹没区填料对生物滞留系统的净水效果的影响,采用三维荧光光谱研究间隙水溶解性有机物的组成成分和时间分布特征。三维荧光光谱显示,海绵铁环境间隙水中主要有机组分为微生物代谢产物(Ⅳ),火山岩与碎砖块中为类腐殖质(Ⅲ+Ⅴ);碎石块类腐殖质(Ⅴ)、简单芳香类蛋白(Ⅰ+Ⅱ)和微生物代谢产物(Ⅳ);48 h后海绵铁和碎砖块相关联的水生环境中DOM的荧光峰削弱,而火山岩和碎石块相关联水生环境中DOM的荧光峰增强。出水的类腐殖质组分(Ⅲ+Ⅴ)荧光积分体积均有降低(平均58.04%),芳香类蛋白组分(Ⅰ+Ⅱ)均有上升(平均65.36%)。海绵铁去除溶解性有机物效果最好(84.52%),火山岩(77.25%)和碎砖块(77.90%)较好,碎石块(29.20%)最差。间隙水中有机物主要来源于微生物的代谢活动(HIX＜4)。与类腐殖质相反,芳香类蛋白易被微生物利用,对微生物代谢活动和硝态氮反硝化有促进作用。生物滞留系统在设计时宜采用碎砖块和海绵铁填料,外加碳源宜选用易被微生物利用的有机物。     

超滤/纳滤双膜工艺处理苦咸水过程中DOM三维荧光特征分析

为探明“超滤-纳滤”双膜深度处理工艺处理苦咸水过程中DOM组分三维荧光特征的变化规律,采用三维荧光光谱研究了双膜工艺净水过程中DOM组分变化,发现原水中主要含有两个强度较高的尖峰和两个强度较低的尖峰,随着净水的流程,水样中的荧光峰值逐渐减弱。采用平行因子分析的方法对净水过程中的水样进行了定量分析,在对各水样进行三线性分解的过程中发现水样中主要含有以高激发光类色氨酸和低激发光类色氨酸为代表的类蛋白物质,以紫外类富里酸和可见类富里酸为代表的类富里酸两类因子,并通过水样中各因子的最大荧光峰强度的变化分析了DOM组分的变化规律,其中原水的类蛋白物质因子和类富里酸因子的荧光峰强度分别为0.351 08和0.175 55,类蛋白物质荧光峰的荧光强度大于类富里酸荧光峰,说明原水受到了一定程度外源有机物的污染。在经过水厂原有“混凝-沉淀-过滤”的工艺处理后,DOM的去除效果不佳,类蛋白物质在经过常规工艺处理后仅下降了22.27%,而对于类富里酸具有一定的去除效果,下降了47.57%。“混凝-沉淀-过滤”的常规工艺中未完全去除的DOM将进入“超滤-纳滤”双膜法净水工艺,双膜法工艺中超滤单元对DOM没有很好的去除效果,主要起预处理作用,保障进入纳滤单元的水质;对DOM去除起主要作用的是纳滤单元,经纳滤单元处理后,水中DOM大幅下降,两类因子的荧光峰强度分别为0.013 67和0.002 56,与原水相比,类蛋白物质下降了96.11%,类富里酸物质下降了98.54%。因此,在使用“超滤-纳滤”双膜法工艺处理苦咸水的过程中,应该注意在前处理中选用合适的预氧化处理以加强常规工艺对DOM的去除,在保证除盐效果良好的情况下以减轻DOM对膜污染的影响,本研究将为双膜法的推广应用及其膜污染的控制提供进一步理论基础和科学依据。     

径流污染对城市污水处理过程的DOM荧光特性影响研究

结合污水处理流程,分别采集重庆市某污水厂晴天和雨天的污水,用三维荧光光谱分析了污水中的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)的荧光特性。结合DOM的DOC ( dissolved organic carbon, DOC)、COD(chemical oxygen demand, COD)、荧光指数(f_450/500)和紫外区富里酸和可见区富里酸的荧光强度比值r(A, C)的变化特征,分析了雨天径流污染对污水DOM 的影响。实验表明：该污水厂DOM的荧光指纹与典型城市生活污水有较大差异,主要成分为低激发波长类色氨酸(Peak S), 长激发波长类色氨酸(Peak T)次之;A2/O工艺对雨天和晴天的类蛋白物质的去除效果相当,但是雨天的类富里酸以及DOC和COD的去除率较晴天高, 经过生化处理后的荧光峰均发生细微的红移;晴天和雨天污水的DOM 荧光指纹差异明显,雨天紫外富里酸(Peak A)荧光中心由晴天的240～248/390～440 nm蓝移到240～250/370～400 nm。虽然晴天和雨天的DOM种类相同,但是雨水径流使富里酸的来源复杂,组分比例发生了较大变化,雨天色氨酸(Peak S)的比例下降了10%,紫外富里酸(Peak A)的比例上升7%。     

人工湿地中水溶性有机物三维荧光光谱特性的分析

采用三维荧光技术,结合荧光区域一体化积分的分析方法,研究了一个表面流+垂直流复合人工湿地处理两条污染河流废水中水溶性有机物的荧光特征变化,结果表明:(1)该人工湿地中水溶性有机物腐殖质的主要来源为生物代谢输入而非陆源输入;(2)在表面流人工湿地的后段,部分类蛋白类物质转化为类富里酸类物质,表明经过表面流人工湿地处理之后,水溶性有机物的组成成分发生显著变化,并且有机物结构趋于稳定。而垂直流人工湿地对类腐殖酸物质峰具有明显的削弱作用;(3)表面流人工湿地对水溶性有机物的结构转化意义重大,可以显著提高水溶性有机物的稳定性。表面流+垂直流的复合人工湿地工艺对水溶性有机物具有良好的去除效果。     

秸秆还田对旱田黄土可溶性有机质三维荧光光谱的影响

以西北旱田黄土为研究对象,分析玉米秸秆还田前后黄土可溶性有机质(DOM)的三维荧光光谱差异,探讨黄土腐殖化程度的变化情况及对Pb(Ⅱ)赋存形态的影响。实验结果表明：黄土DOM的荧光峰主要分布在λ_ex/em=240～270/280～340区域和λ_ex/em=325/450附近,分别归属为紫外区类富里酸以及可见光区类富里酸和腐殖酸类物质的荧光峰。秸秆还田60 d后,紫外区类富里酸荧光峰值增加,在λ_ex/em=250/440附近和λ_ex/em=320～350/350～400区域出现新的腐殖酸荧光峰。黄土腐殖化程度随秸秆还田时间的延长而增加,Pb(Ⅱ)的生物有效性随腐殖化程度的增加而降低。三维荧光光谱可以有效表征秸秆还田前后黄土DOM的变化特性。     

pH值对秸秆腐殖化溶解性有机质紫外光谱和荧光光谱的影响

秸秆是农业生产的主要副产物,也是农业面源污染的新源头。秸秆还田能有效解决其减量化和资源化利用问题,国家“十二五”规划已明确提出“加大秸秆还田力度,保障农业的稳产、增产和可持续发展”。现阶段,对于典型地区不同环境条件下还田秸秆腐殖化行为的研究不多,同时对于腐殖化组分的精细化检测和分析也有待加强。针对黄土区秸秆还田问题,以紫外光谱法和荧光光谱法为切入点,分析pH值对腐殖化产物溶解性有机质(Dissolved organic matter, DOM) 性质的影响,深度揭示秸秆腐殖化过程的内在本质。结果表明：在200～700 nm波长范围内,DOM的紫外吸收强度先增加后减小,主要吸收峰出现于240 nm附近。相对于中性(pH 7)体系,酸性(pH 6)和碱性 (pH 8和9) 条件下的最大吸收波长λ_max值红移。SUVA₂₅₄,E₃/E₄和A₂₅₃/A₂₀₃比值的规律性变化说明反应体系腐殖化程度较低,这与秸秆腐殖化周期较短有关。黄土浸提液DOM的荧光峰主要位于λ_ex/em=250/330和λ_ex/em=325/450区域,分别归属为紫外区类富里酸荧光峰和可见光区类富里酸和腐殖酸类物质荧光峰。随着腐殖化体系pH值的升高,荧光峰位发生红移,表明DOM苯环结构逐渐增多,共轭度有所增加,同时在λ_ex/em=250/450附近检测到新荧光峰。pH值对荧光强度的影响主要体现在紫外区类富里酸荧光峰,峰强先升高后下降,而对可见光区荧光峰强影响不大,这与浸提液的缓冲效应、荧光猝灭(或副反应)和DOM组分结构有关。紫外光谱和荧光光谱能够一定程度上阐释pH值对秸秆腐殖化DOM性质的影响。     

地下土壤渗滤系统中溶解性有机物组成及变化规律研究

研究采用直径为30 cm,高200 cm的土柱模拟地下土壤渗滤系统,在水力负荷为4 cm·d-1的运行条件下,综合利用三维荧光光谱技术(3D-EEM)及区域一体化(FRI)分析法研究取自地下土壤渗滤系统中不同深度处的溶解性有机物的组成及结构变化规律发现：(1)不同深度处的溶解性有机物(DOM)组成不同,进水及0.50 m处的DOM主要由类蛋白质组成,而其余DOM中占主导地位的物质是类腐殖酸。(2)在有机污染物降解的过程中,DOM稳定性逐渐增强,而且在此过程中部分难降解有机物可以被去除。(3)增加地下土壤渗滤系统的深度不仅可以有效降低有机污染物浓度,而且可以提高出水DOM的稳定性。     

环滇池土壤溶解性有机质(DOM)的光谱特征及来源分析

利用紫外-可见光谱和三维荧光光谱技术,结合平行因子分析法,对环滇池地区土壤中溶解性有机质(dissolved organic matters, DOM)的结构特征和来源进行了研究。结果显示,所有样品的紫外-可见光谱曲线均呈现出相似的特征,吸收系数随着波长的增加而降低,并在250～280 nm波段存在一个明显的肩状吸收峰。柴河水库和滇池东部地区土壤DOM的芳香性(A₂₅₀/A₃₆₅)、分子量(S_R)、腐殖化程度(SUVA₂₅₄)和所含疏水组分(SUVA₂₆₀)均高于其他三个区域。三维荧光光谱显示,环滇池土壤DOM中含有紫外可见光区类富里酸峰、可见光区类富里酸峰和两种类腐殖酸峰。荧光指数(fluorescence index, FI)和自生源指标(autochthonous index, BIX)均表明该地区土壤DOM有着典型的陆源特征,且类蛋白成分生成量较少,生物可利用性较低。平行因子分析法(PARAFAC)将土壤DOM分成四个荧光组分,四个组分之间有着非常显著的相关性(p＜0.01),表示具有同源性。此外,类富里酸荧光组分对DOM的贡献率最大,说明土壤DOM中富里酸物质的含量相对较多。     

秸秆-牛粪发酵过程中溶解性有机质的荧光光谱特征

溶解性有机质(DOM)在自然生态系统有机物向无机物的转换过程中起重要作用。DOM在发酵过程中为微生物提供营养和能量,同时对腐殖质的迁移和转化具有重要的指示作用。牛粪有助于提高玉米秸秆腐殖化效率,使农业废弃物得以更好的利用。为探讨玉米秸秆-牛粪体积比2∶8(T1)、4∶6(T2)、6∶4(T3)和8∶2(T4)处理发酵过程中DOM的特征,采用三维荧光光谱-平行因子分析法,分析发酵底物中DOM的荧光组分;通过荧光指数(FI)和自生源指数(BIX)来表征DOM的来源,用腐殖化指数(HIX)分析发酵物料的腐殖化程度,并分析DOM各组分间最大荧光强度的相关性。结果表明：4个处理过程中DOM来源受自生源和外生源的共同影响(FI>1.4,0.8类富里酸>类胡敏酸。类富里酸和类胡敏酸之间呈现极显著正相关。基于此,根据DOM荧光光谱特性,为提高玉米秸秆在有机物料发酵中的利用率,秸秆-牛粪体积比为6∶4可作为实际堆肥的参考值。     

溶解有机质的三维荧光光谱特征研究

利用三维荧光光谱研究了河流、湖泊等不同来源溶解有机质(DOM)的荧光光谱特性。河流DOM的三维荧光光谱图中含有类富里酸荧光峰A和C以及类蛋白荧光峰B和D,一般而言,类富里酸荧光峰强度比较大,或者只有类富里酸荧光,但是受人类活动污染河流DOM的三维荧光光谱图中具有极强的类蛋白荧光。同样,红枫湖DOM可以由陆源输入,还可以由水体内微生物活动产生,具有4个荧光峰,受人类活动影响比较显著的百花湖DOM则表现出强的类蛋白荧光。贵阳市地下水中DOM含量相对较低,一般只含有类富里酸荧光峰,但是若受生产生活污水污染,也可检测出强的类蛋白荧光峰。考察DOM含量(以DOC表示)与类富里酸荧光强度(peak C)以及在254 nm处紫外吸收光谱强度的关系时发现它们都具有良好的线性相关关系(r2＝0.82和0.95),而紫外区类富里酸荧光与可见区类富里酸荧光之间也存在良好的线性相关关系(r2＝0.96)。此外,pH对DOM的三维荧光光谱具有显著影响,并且类富里酸荧光峰A和C的pH值效应基本一致,荧光强度最大值出现在pH 10左右,类蛋白荧光峰B的pH值效应与之略有区别,荧光强度最大值出现pH 8.5左右。