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城鎮(zhèn)污水廠尾水人工濕地深度處理過程中DOM三維熒光光譜特征

文檔作者：楊長明，汪盟盟，馬銳，李建華文檔來源：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月06日
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上一篇：工業(yè)污水消毒脫色的紫外-可見吸收光譜分析

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第32卷，第3甥
2 O 1 2年3月
光譜學(xué)與光譜分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
VoI．32，No．3，pp708—713
March。2012
城鎮(zhèn)污水廠尾水人工濕地深度處理過程中DoM三維熒光光譜特征
楊長明，汪盟盟，馬銳，李建華
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海200092
摘要采用三維熒光光譜(3DEEM)分析研究了兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地在深度處理城鎮(zhèn)污水處理廠
尾水過程中溶解有機物(Ⅸ)M)組成特征。結(jié)果表明，兩種潛流人工濕地對尾水中C()Do和D(℃的去除率平
均分別達(dá)到61．6％和70．1％。相比較而言，陶?；|(zhì)濕地對尾水有機物去除效果略優(yōu)于沸石基質(zhì)濕地。三
維熒光掃描結(jié)果顯示，濕地進(jìn)水中表征出類溶解性有機物，即色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)(s)、溶解性微生物代
謝產(chǎn)物(T)、可見類富罩酸(M)、紫外類富里酸物質(zhì)(A)。經(jīng)過人工濕地凈化處理后，出水中4個峰的相對熒
光強度均有不同程度的降低，其中M峰和T峰的相對熒光強度降低最為明顯，平均分別降低了16．4％和
11．7％；人工濕地出水中腐殖類物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)有機物較少，這說明潛流人工濕地對尾水
中化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難以分解、不易被生物利用的類腐殖質(zhì)有較好的去除效果。M峰和T峰的熒光強度
在沿程上逐漸減小。S峰隨沿程呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。與沸石濕地相比較，陶?；|(zhì)水平潛流人工濕
地系統(tǒng)對尾水中DoM的特征峰熒光強度削減更為明顯。
關(guān)鍵詞城鎮(zhèn)污水廠尾水；潛流人工濕地；溶解性有機物；三維熒光光譜
中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10．3964／j．issrL 1000-0593(2012)03一0708一06
引言
城鎮(zhèn)污水處理廠出水即使穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，但
相對于受納水體來說，仍是重要的污染源[1]。城鎮(zhèn)污水處理
廠尾水中含有大量溶解性有機質(zhì)(D()M)，其中含有一些難
于被生物吸收降解的有毒有害成分有機物，當(dāng)直接排入地表
水體以后，會由于被生物氧化進(jìn)而大量消耗水中的溶解氧
(D0)，造成水體惡臭乜J。同時，對水生生物也會造成生態(tài)毒
性，并危害人體健康[3]。因此，有機物的削減是城鎮(zhèn)污水處
理廠尾水深度處理的鶯要考核指標(biāo)之一L4]。人工濕地作為一
種常用的生態(tài)處理技術(shù)，具有效率高、投資及能耗低、維護(hù)
簡單的特點，可以適應(yīng)低濃度污染物去除要求L5J，將人工濕
地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補充，能夠最大限度地
削減受納水體的污染物負(fù)荷[6]。近年來，利用人工濕地對尾
水深度處理的相關(guān)研究已有一些報道，對尾水中有機物的去
除效果往往只是采用傳統(tǒng)的表觀有機物指標(biāo)如COD等進(jìn)行
評價口]，這些指標(biāo)很難反映人工濕地處理在尾水處理過程中
各類溶解有機物組成和含量的變化特征。
三維熒光光譜(3DEEM)是近年來廣泛用于研究D()M
熒光性質(zhì)的一種分析技術(shù)，同時也是一種新型的水質(zhì)分析方
法[8J，三維光譜圖中熒光峰的位置可定性指示熒光物質(zhì)的類
型和性質(zhì)，熒光光譜以水中各類有機物的特征熒光強度之和
表示水中熒光類有機物的綜合含鼉，以特征熒光峰中心最大
熒光強度作為表征水中某類溶解性有機物含量的指標(biāo)[9】，與
傳統(tǒng)表征有機物含量的水質(zhì)參數(shù)相比，不僅能反映有機物的
濃度，同時還可以提供有機物組成成分的信息[1?。但是，目
前關(guān)于人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水過程中DOM的三維熒
光特征研究還鮮有報道。本文通過人工濕地小試裝置，采用
三維熒光光譜掃描(3脅EEM)技術(shù)，研究了城鎮(zhèn)污水處理廠
尾水中有機物在兩種不同基質(zhì)潛流人工濕地中的光譜特征變
化，以評價和探討潛流人工濕地系統(tǒng)對尾水中有機物的去除
效果及其可能的機理。
1實驗部分
選擇水力負(fù)荷較高的水平潛流濕地系統(tǒng)作為研究平臺。
濕地裝置材料采用厚度為10 rIlrn的P、，C硬質(zhì)塑料板，尺寸
均為長×寬×深一1．55 m×o．4 m×o．8 m。填料填充高度為
o．7 m，有效水深o．6 m，植物栽種密度為16株·rn-2。進(jìn)水
采用穿孔管布水。經(jīng)過粒徑30～50 fIlnl礫石布水區(qū)進(jìn)入濕
地填料床。出水經(jīng)粒徑30～50 mm礫石收水區(qū)進(jìn)入底部穿
收稿日期：2011-06．08．修訂日期：20ll-09—15
基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07316—4)和國家科技支撐計劃項目(2009BAC628003)資助
作者簡介：楊長明。1973年生，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授e_mail：cIIlyang@ton函i edIL饑
萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析
孔管，流出濕地系統(tǒng)，試驗裝置如圖l所示。實驗裝置共2
套，分別為陶牧基質(zhì)(cw一1)和沸石基質(zhì)濕地系統(tǒng)(cw-2)，
濕地植物皆為黃菖蒲(J一，加叫出∞州i)。小試裝置構(gòu)建于
匿．童三2；．=二．≥j
z009年11月，啟動初期采用崇明城橋污水處理廠生活污水
接種，啟動期問間歇運行，日均換水45 L。2010年3月初人
工濕地開始正式運行。
址水
H晷l(wèi) slI抽Ⅱf婦fI口w伽略奸盹‘耐weIIand爿s1．，陋a嘲鋤單t崦s哪lts Io∞ti砸(①岫d№鞠mpli嗚l啦t_枷)
實驗用水取自上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池
出水．試驗期間(2010年4月～z010年1z月)進(jìn)水主要污染
物濃度分別為：00跣46．4～82．7 mg·L叫；TN 4．51～
11．3mg·I，1；TP 0．502～0．711 mg-L；NH3一N 0．716
～3．o r眶·I■‘，其平均c／N比為8．36。由此可以看出．該
污東廠尾永除了O()現(xiàn)有超標(biāo)外．其他各項指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)
污水廠污水排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。
潛流人工濕地系統(tǒng)運行2個月穩(wěn)定期后，沿程和不同深
度各取樣點開始采集水樣，每月取樣1次，并立即帶回實驗
室分析。水樣中C【)阢采用重鉻酸鉀法測定}水樣中溶解性
有機碳(D0c)測定：水樣用o．4s“m膜過濾之后，加酸調(diào)至pH<2，直接上Toc分析儀測定(研VcPN Anal”er．日
本島津)}其他常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測定方法參照《水和廢水監(jiān)鍘分
析方法舭“J。
D()M三維熒光光譜采用HITAcHI F4500型熒光光度
計測定，測定之前t用0．45腫wllaHT詛nGF／F膜過濾進(jìn)行
預(yù)處理。考慮到濕地進(jìn)、出水中DOM較她表水明顯要高．
水樣用去離子水稀釋10倍。儀器光源為150 w氤燈．光電
倍增管電壓為700 V，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10帆。激
發(fā)波長k與發(fā)射波長^鋤掃描范圍分別為200～400腫及
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250～550m，掃描速度為12 000 mn·mjn-。。
2結(jié)果與討論
2．1水平灌漉人工濕地對尾水中有機韌總體去除效果分析
兩種不同類型基質(zhì)潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水有機物濃度(以觀和D()c來表示)以及平均去除率如圖2所示。由圖
2可明顯看出，兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對污水廠尾水中
有機物均具有較好的深度凈化能力，而且隨季節(jié)變化明顯。
除試運行階段(3月份)外，陶粒和沸石基質(zhì)人工濕地出水
coD均低于30 mg·L一，穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，其平
均去除率分別為63．o％和60．2％。與0DIk類似，陶粒和沸
石兩種基質(zhì)潛流人工濕地對尾水中D【℃也具有較好的去除
效果，其去除率分別達(dá)到73．2％和66．9％．人工濕地出水
D()c濃度較為穩(wěn)定．均低于5mg·I．。通過比較發(fā)現(xiàn)，陶
粒基質(zhì)人工濕地對污水廠尾水中有機物的去除效果總體略高
于沸石基質(zhì)人工濕地，特別是對尾水中ⅨⅪ的去除作用，
陶?；|(zhì)人工濕地較沸石基質(zhì)濕地高出10．6“。這可能與不
同基質(zhì)濕地所蘊臺的與有機物降解相關(guān)的微生物生物量與群
落結(jié)構(gòu)差異有關(guān)系[I”。
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2．2水平潛漉人工濕地沿程DoM三雛熒光圈譖特征
水平潛流人工溫地采樣點水樣中溶解性有機物的EEMs
圖譜見圖3所示。在進(jìn)水中可以分辨出有四個熒光峰出現(xiàn)，
分別是可見類富里酸M、紫外類富里酸A、類色氨酸s和類
Ⅲ們帥加舯卯加抑如m
萬方數(shù)據(jù)
710 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
色氨酸T。分析EEMs數(shù)據(jù)中四個特征峰的出峰位蹬及熒光
強度變化(表1)可看出．出水中M峰的相對熒光強度分別降
低了19．15％和13．58％．s峰降低了3．51％和2．17％，T峰
降低了10．67％和12．64％，而A峰幾乎沒有發(fā)生變化。M
峰和T峰的熒光強度在沿程上逐漸減小，M峰和T峰基本
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上全都是在人工濕地的前l(fā)／2段被削減．s峰呈現(xiàn)出先增大
后減小的趨勢。s峰和T峰屬于類蛋白物質(zhì)，其中s峰為色
氨酸類芳香族蛋白質(zhì)，T峰為溶解性微生物代謝產(chǎn)物I M峰
和A峰屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì)。
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有研究表明．類蛋白峰能很好的表征水環(huán)境的污染狀
況， ·般生活污水或微生物活動強烈的水體都可以表現(xiàn)出極
強的類蛋白熒光m]，因此可以把s和T峰的削減視為有機
污染物在濕地系統(tǒng)中的分解去除作用。同時可以發(fā)現(xiàn)，雖然
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萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析711
T峰是溶解性的微生物代謝產(chǎn)物，但是還是能夠被濕地中的
植物、微生物所分解利用，S峰的熒光強度并沒有明顯的減
小，這可能是因為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)不能夠為濕地中微
生物所降解利用。M峰為可見類富里酸，A峰為紫外類富里
酸物質(zhì)，都屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì)，M峰熒光強度的明顯降低說
明了潛流人工濕地系統(tǒng)只對類腐殖質(zhì)中的可見類富里酸具有
削減作用。一般來說，類腐殖質(zhì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難
于分解，較難被生物利用‘H]，而本研究中人工濕地系統(tǒng)對其
卻有較好去除作用。
Table l圈匠Ms a咖代s咖∞peak jn innI嘲l(fā)t and em哪It of t№∞r(nóng)lstmcted wetIaI一
2．3水平潛流人工濕地沿程塒礬I三維熒光參數(shù)分析
熒光指數(shù)(nuoresce眥e index，^50／500)可表征DOM中腐
殖質(zhì)的來源L15]。^s。，500是指激發(fā)光波長Ex為370啪時．熒
光發(fā)射光譜在450與500啪處強度比值。McKnight等‘16J提
出，陸源D()M和牛物來源D()M這兩個端源^so舯值分別
為1．4和1．9。本研究中人工濕地進(jìn)出水的^so／soo值分別為
1．84(迸水)、1．91(CW-1出水)、1．81(Cw一2出水)(表2)，
說明濕地水樣中的腐殖質(zhì)主要為生物來源。同時，熒光指數(shù)
^so／soo與富里酸芳香性成負(fù)相關(guān)，較高的^so，soo值揭示了濕
地出水中腐殖類物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)較少。
一些研究認(rèn)為類蛋白熒光強度與可見區(qū)類富里酸熒光強
度比r(S，M)一般可以反映水體的枵染情況[1¨。r(S，M)計算
公式為
r(S，M)一氏／fM
其中Js和k分別為類蛋白熒光強度和可見區(qū)類富里酸熒光
強度。各點的r(S，M)值見表2。r(S，M)值在1．13～1．40之
間。而研究受污染河流D()M的r(S，M)一般大于1．5，說明
濕地進(jìn)出水的污染程度不高。
紫外類富里酸熒光強度與可見區(qū)類富里酸熒光強度比值
“A，M)是一個與有機質(zhì)結(jié)構(gòu)和成熟度有關(guān)的指標(biāo)，r(A，M)
值受有機質(zhì)分子的大小、溶液pH值等因素影響。r(A，M)計
算公式為
r(A，M)一“／JM
其中F^和Fh分別為紫外類富里酸熒光強度和可見區(qū)類富
里酸熒光強度。
r(A，M)值如果發(fā)生變化，說明在D()M中至少含有兩
種類型的富里酸熒光基團(tuán)。如果只含有一種基團(tuán)，則r(A，
M)應(yīng)該為一定值。系統(tǒng)各點r(A，M)見表2，r(A．M)值發(fā)生
了變化，說明系統(tǒng)進(jìn)出水D【)M中不止含有一種富里酸熒光
基團(tuán)。
腐殖化指數(shù)(HⅨ)可以用于估算有機質(zhì)的腐殖化程度或
成熟度，HIX是H／L的比值，定義為波長254啪激發(fā)下，
發(fā)射波長在435～480 nrn(H)與300～345 nm(L)波段內(nèi)的熒
光強度平均值的比率。濕地中各點的Hlx見表2，可見HIX
值均小于4，說明人工濕地進(jìn)出水腐殖化程度都較低，濕地
中的有機物有可能來自于微生物的生命活動和死亡分解。
’I．a(chǎn)bIe 2 EEMsⅨ阱al啦te隋aI蚰g distan∞in tl地咖晦tmcted wetlalld
萬方數(shù)據(jù)
712 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
3結(jié)論
(1)本研究所構(gòu)建的兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對城鎮(zhèn)
污水廠尾水中有機物具有較好的深度凈化作用，對尾水中
D()C和Ⅸ)阱的去除率分別達(dá)到6L 6％和70．1％，且存在
明顯的季節(jié)變化，說明水平潛流人工濕地對尾水中有機物的
去除效率與溫度關(guān)系密切。陶?；|(zhì)潛流人工濕地對Ⅸ)c
的去除率要明顯優(yōu)于沸石基質(zhì)潛流人工濕地。
(2)濕地進(jìn)水中表征出4類溶解性有機物，色氨酸類芳
香族蛋白質(zhì)S、溶解性微生物代謝產(chǎn)物T、可見類富里酸M、
紫外類富里酸物質(zhì)A。經(jīng)過人工濕地凈化處理后，出水中M
峰、s峰、T峰的相對熒光強度都有不同程度的降低，A峰
幾乎沒有發(fā)生變化1人工濕地進(jìn)出水腐殖化程度都較低，濕
地中的有機物有可能來自于微生物的生命活動和死亡分解。
(3)通過對DOM三維熒光參數(shù)分析表明。潛流人工濕地
出水熒光指數(shù)^50／500值分別為1．91和1．81，說明濕地出水
中的腐殖質(zhì)以(微)生物來源為主。人工濕地出水腐質(zhì)化系數(shù)
均低于4，說明人工濕地出水腐殖化程度都較低，濕地中的
有機物有可能來自于微生物的生命活動和死亡分解。人工濕
地出水中腐殖類物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)有機物較
少。
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YANG Cllang-fning，WANG Meng-meng，MA Rui，LI Jia儼h岫
College of Enviro眥lental Science and Engineerillg，Key Laboratory of Yangt躚Water EnviroIm弛nt of Mimstry of Education，
1、0n萄i Ufliversity，Shangllai 200092，Chi冊
Abst隋ct I枷position and dynamics of dissolved orgaIlic matter(【)OM)were analyzed in a horizontaI subsurface c0璐tTlJcted
wetland fbr ad、ranced treannem of muIlicipal sew砸羚plant efnu朗t using thre}diIlle鵬ional excitation咖ission matrix nuores—
cence spectroscopy(3DEEM)．The r鶴ults indicate that the two subSurface∞嚙tructed、張tlands perf0姍ed excellent purifica—
tion of o唱amc substaIlc骼，and the r唧vaI rates of C()Dcr and D【Jc were 61．6％a11d 70．1％，respectively．The c0∞tnlcted
wetland sySt鋤filled謝th ceramSite showed slightly gr∞ter艦姍l effici∞cy of organjc substallce than tht謝th z∞lite substrate
Fbur diffe唧t types of pE．a(chǎn)ks such as arolmtic proteiIrlike咖pourlds(S)，soluble rIlicmbiaI b)rproducts(T)，fulvic aci士like唧unds，、，isible ful啊c_Iike(M)and UV ful、，ic．Iike∞mpounds(A)were found inⅨ)M f咖l infIow and 0utnow o“he
萬方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析713
the subsurface wetlands based on the three_dimensional nuorescenoe spectroscopy amlysis．The nuorescence irItensity of the fbur
peaks was signifcantly decreased in the effluent“ter pu^fication by the subsurface constructed wetlands．Especially，the visible
fulvic—like compounds and S0luble micmbial byprcHducts were effectively removed from the sewage plant effluent by the subsurface
c0嬲tructed、^他tland、衍th nuorescence intensity reduction percentages of 16．4％and 11．7％．Aromatic structures of huIIlic_like
campounds were weakened and o瑁anic compounds with benzene rings were decreased in the outflow of the subsurface construc—
ted wetland This indicates that the subsurface constnlcted wetlands can decompose the cherrIicany stable and biorefractory hu—
mic-Iike compound甌The nuorescence intensity of IⅥand T peaks decreased along distance，while the fluorescence intensity of S
peaks firstly increased，then decreased along the distance of the subsurface constructed wetlands． As compared to zeolite sub—
strate constructed wetland syst咖，the constructed wetIand system fined with ce“l(fā)rnsite、帕s more effective to reduce the fluores—
cence intensity of characterized peaks of DOJⅥfrom the sewage plant efnuent．
№Ⅳords sewage plant efnuent；Subsu婦e 00nst加c矧wetland；DissolVed organic蚴tter(D()M)；n貯dimensio徹l e矧ta—
tion咖ission rmtrix nuorescence spectroscopy(3肛EEM)
(Recei、捌J吡8，2011；acc印ted sep．15，2011)

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