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工业污水消毒脱色的紫外-可见吸收光谱分析

文档作者：黄鑫1，王隆勇1，高乃云撕，李伟国3 文档来源： 1．上海大学环境与化学工程学院 2．同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 3．上海桃浦污水处理		点击数：	更新时间： 2025年05月06日
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第32卷，第10期
2 0 1 2年1 0月
光谱学与光谱分析V01．32，No．10，pp2739—2742
Spectroscopy and Spectral Analysis October，2012
工业污水消毒脱色的紫外一可见吸收光谱分析
黄鑫1，王隆勇1，高乃云撕，李伟国3
1．上海大学环境与化学工程学院，上海200444
2．同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092
3．上海桃浦污水处理厂，上海200070
摘要研究紫外一可见吸收光谱用于工业污水色度表征的替代方法，并用以比较消毒剂对污水的脱色效
果。结果表明，对于色度组成变化较大的工业污水，应使用可见吸收光谱(350～600 nm)而非紫外吸收光谱
表征色度。可见吸收光谱的特征值与污水的真色值相关性良好。三种消毒剂中臭氧和二氧化氯的脱色性能
好于氯，但二氧化氯自身色度对脱色有负面影响。可见吸收光谱特征值能有效反映消毒处理后污水色度的
变化。
关键词紫外一可见吸收光谱；色度；消毒；污水处理
中图分类号：TU991 文献标识码：A DOI：10．3964／j．issn．i000—0593{2012)10—2739—04
引言
工业废水中往往含有一定量的显色物质，这种现象在染
料废水中尤为常见。有色废水给人带来感官上的不快，降低
透光率，阻碍水生生物光合作用[1]。某些显色物质，如偶氮
染料，往往还有毒性和“三致”特性。随着我国对污水排放标
准的日益严格，水质色度也逐渐受到重视。
化学氧化法是常见的污水脱色工艺，包括臭氧[2]、二氧
化氯口]、过硫酸钾[4]、高锰酸钾[5]等，其中有些可作为消毒
剂。消毒往往处于污水处理工艺的最后一环，是污水深度处
理的研究热点。因此，优选消毒药剂，提升脱色性能，不失
为一举两得。这是本文研究的主要出发点之一。
色度是现有标准中污水水质颜色表征的唯一指标(《城镇
污水处理厂污染物排放标准(讯18918—2002》)。测定污水色
度的主要目的，是为了对污染程度和污染化合物进行快速筛
查和大致定性，目前主要有Pt-Co比色法和稀释倍数法(G】B／
T11903)。Pt-Co比色法适用于色调为黄色的水体色度的定
量分析[6]。而对于色调多变的工业污水，主要采用目视比色
的稀释倍数法。其不足在于人为误差大，低色度时不精确。
此外，水中色度检测还包括美国EPA Method 110．3和ISO
7887等其他方法。这些方法虽信息量丰富，包括色调、饱和
度、亮度等，但需特殊光学配件，且操作要求高。
本工作探讨使用紫外可见光谱表征工业污水的色度，比
稀释倍数法更为准确，节省入力，适宜现场快速监测。同时
比较不同消毒剂作用下污水的色度和可见光谱的变化规律，
开展二者的相关性分析。
1实验部分
1．1试剂与材料
高纯度次氯酸钠溶液(Alia Aesar Co．Ltd．，USA)，有效
氯质量分数为12％～15％。二氧化氯现用现配，纯度>
90％[7]。使用氧气源臭氧发生器(九誉生物CF-10F)通入去
离子水中制备高浓度臭氧存储液。其他试验药剂均为分析
纯。
N，N-二乙基一对一苯二胺(DI)D)分光光度法测定氯和二氧
化氯中的有效氯。臭氧测定使用靛蓝法。使用稀释倍数法
(G】B／T11903)测定色度，表色为将污水搅拌、混匀后按照稀
释倍数法进行测定，使用0．22肿微滤膜过滤绝大部分悬浮
物后测定污水的真色值。紫外一可见光谱扫描使用METASH
Uv-5300PC(上海棱光)，1 cm比色皿。
1．2水样与实验方法
水样采集自上海市某工业区污水厂的进水和出水。该工
收藕日期：2012—05—20．修订日期：2012—08一10
基金项目：国家自然科学基金项目(50908138；51178321)，污染控制与资源化研究国家重点实验室开放课题项目(PCRRFll007)和上海市重
点学科三期项目($30109)资助
作者简介：黄鑫，1980年生，上海大学环境与化学工程学院剐教授e-mail；huangxin__china@163．corD_
*通讯联系人e-mail：gaonaiyun(园sina．com
万方数据
2740 光谱学与光谱分析第32卷
业区污水厂承担园区内四十几家各类工业企业污水的处理任
务。高色度是园区废水的主要特征。该厂采用生物处理+紫
外消毒的工艺流程，出水中没有化学消毒剂残留。
污水的消毒剂脱色实验：250 mL棕色容量瓶中装入污
水，投加一定量的消毒剂存储液，混合，室温避光静置0．5
h。取部分水样0．22“m微滤膜过滤后立即测定真色值和紫
外一可见吸收光谱。实验符合污水厂消毒池的实际情况，即接
触时间一般在几分钟至半小时[8]。实验投加量范围内(5～30
mg·L_)，反应0．5h后，消毒剂氯和二氧化氯有一定残留，
未加入还原剂消氯而选择立即测定，保留消毒剂对色度影响
的考察，也避免还原剂对紫外一可见光谱的影响。
2结果与讨论
2．1工业污水色度的可见光谱分析
采集该工业区污水厂的进水和出水，每天24 h内选取
若干时段的水样按等比例混合，得到每日的平均水样。
2．5
2·O
一
1·5
毒
嵩1．0
0．5
0
200 300
O．3
童n2
弋
0．I
O．O
400 500
Unm
400
^／m
Fig．1 UV-Visible absorption spectra of raw water
(a)and emuent(b)of one、^，、^fTP
图l(a)中4个进水水样的表色(过滤前)都为80倍。而
过滤后测定的真色则呈梯度变化。这是因为污水厂进水的水
样浑浊度变化大，颗粒物对色度有一定贡献。出水水样颗粒
物较少，表色值和真色值相差不大，甚至相同[图1(b)]。
图1中各个水样的紫外一可见光谱也与真色的梯度趋势
一致，真色越高，吸收越高。说明微滤膜过滤法可将污水中
颗粒物对色度的影响基本消除，使用紫外一可见光谱法可以
对水中的色度进行定量分析。
值得一提的是，图1显示不仅在可见光区，在紫外吸收
区也是真色越高吸光度越大。尽管某些研究表明污、废水的
紫外区域吸收特征值与色度也存在关联。但污水的颜色产生
应属于人眼分辨的可见光区[9]。而在紫外吸收区域，水中硝
酸根离子、氯离子等无机阴离子及各类含不饱和键的有机物
均有吸收。因此，只有在研究对象成分单一或组成变化相对
较小时，类似规律才可能成立。而对于光谱形态变化较大的
工业废水，该方法可行性不大。
1．O
O，8
— 0．6
g
芒飞
O，4
0．2
O
300 400
九／hm
Fig．2 UV-Visible absorption spectra of two typical raw water
图2为某2日污水厂进水水样的对比，色度相同，均为
表色80(稀释倍数)、真色32(稀释倍数)。但一个样为暗黄
色，而另一个则是浅绿色。比较二者紫外一可见吸收光谱，紫
外区吸收有明显的高低差别，这与实测的色度值相同的结果
有出入；而可见光区域的谱线互相交错，经计算2条光谱图
的吸收峰峰高、可见光区峰面积都比较接近，与实测的色度
值相同的结果相符合。因此，对于显色成分变化较大的工业
污水，应选择可见光区而非紫外区域的吸收光谱特征值作为
色度的替代指标。
350
300
250
宕200
芏150
h
100
50
O
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Area／cm-h眦
Fig．3 Correlation between the true color and integration
area of visible absorption spectra(N=42)
连续测定2l天该工业区污水厂迸、出水水样的色度(真
色、表色)和紫外一可见光谱。选择350～600 nn3的可见光区，
得到谱图面积和最大吸收峰的峰高2个特征值。水样的真色
值和可见光谱特征值的Person线性相关分析见图3(R2—
0．866)，而采用紫外区域(190～350 rim)的谱图面积，相关
万方数据
第10期光谱学与光谱分析2741
性只有0．294(数据未作图)。证明紫外区域特征值不能作为
色度替代值。
进一步研究发现，可见光区域的峰值亦与真色值有一定
的线性关系(R2一o．79)，相关系数略低(数据未绘图)。因此
推荐使用350～600 nm可见光谱的面积这一特征值作为色度
的替代指标。这是因为使用最大吸收峰值的缺陷在于无法反
映污水中同时可能存在的若干种显色物质(多个峰值)，同时
低色度时(小于40倍)，峰高(吸光度A)一般在0．2以下，数
值过低不利于读取数据。使用可见光区域积分值则能够体现
光谱中微弱的差别。另外，稀释倍数法不够精确，人为误差
大，这可能也降低了图3的相关系数。
光谱特征值和色度2个指标同为表征颜色程度的1个数
值，但与稀释倍数法相比可见光谱法节省人力，误差更小。
l·6
蓬8：2
O．2
O
而且更进一步的可通过特征吸收波长等结合其他色度分析方
法得到色调、明亮度等信息。这方面如何与水污染监测有效
结合，仍有待后续的研究。
2．2不同消毒剂脱色效果的可见光谱表征
相比于进水，出水中胶体杂质更少，透明度增加，有利
于使用可见吸收光谱进行色度的分析。因为消毒池一般设在
工艺流程的最后，而且在生化工艺前端投加消毒剂既浪费用
量，又影响生化反应池的处理效率。所以采用出水而不是进
水进行脱色实验。
图4使用同一种原水(3个小图中编号均为1)，通过试
实验比较了三种常见的污水消毒剂处理某典型出水(真色值
32倍)后的可见光谱分析。
400 500
丸／nm
0．14
0．12
O．10
量0．08
飞0．06
0．04
0．02
450 A胁
Fig 4 Variation in visibIe absorption spectra of wastewater after disinfection by(a)C12，(b)C102 and(c)ab
(a)：C12 1：raw water；2—6：5，10，15，20，30 nag·L一1；
(b)：C102 1：rawwater；2—6：5，10，15，20，30mg·L 1
(c)：03 1：rawwater；2—5：2，4，6，8，10Ⅱ培·L一1
从原水480 nlTI附近吸收峰的下降程度判断，氯的效果
最差，二氧化氯和臭氧的脱色效果较好。实验范围内，该吸
收峰的下降程度均随三种消毒剂投加量的增加而增加。反映
了原污水中显黄色的物质有所减少。特别是臭氧，肉眼观察
到色度迅速降低，透明度显著增加。其吸收光谱也反映了这
种情况，即整体的显著降低。加入5 rng·L1二氧化氯后污
水脱色明显(图4)，污水变澄清，说明二氧化氯也有较好的
脱色效果。这与文献中臭氧和二氧化氯的高效脱色结论相
35
30
25
喜20
U
15
10
5
9 10 1l
Area／era"1．nnl
符[10’“]。
但二氧化氯在350 nlTI附近有强吸收，使得其自身带有
一定的黄绿色。本实验中反应0．5 h后二氧化氯仍有一定残
留。所以投加10 nag·L-1之后继续增加二氧化氯投加量，水
体色度显著增强。反映在可见光图谱中350 F11Tt左右的吸收
峰增加。尽管二氧化氯能够在后续的反应中慢慢消耗直至消
失，但该现象在使用二氧化氯作为消毒剂时应予以足够重
视。
12 0 20 40 60 80
Are“cm一．nIn
35
30
25
立20
u
15
10
8 9 lO 11 12
Area，cm-I m
Fig 5 Correlation between true color and integration area of visibIe spectrum after disinfection by(a)C12，(b)CIQ ana(c)0I
进一步分析三种消毒剂作用下，可见光谱特征值与真色
值的Person线性相关特性。图5(a)表明对氯而言相关系数
较低，二氧化氯和臭氧的相关系数均达到了0．94左右。光谱
特征值能够反映细微的差别[图4(a)]，而采用稀释倍数法误
差较大。例如氯的投加量为10～20 mg·L叫时，污水可见光
谱区间积分面积值在9～10区间，而色度值均为16倍。所以
氯的相关系数较低反而表明了光谱特征值相对稀释倍数法测
量色度的优势。
万方数据
2742 光谱学与光谱分析第32卷
随投加量增加，二氧化氯反应后的污水色度是先降后
升，肉眼观察得到的色度与光谱特征值趋势上一致。但是必
须剔除原水的数据才能够得到较好的线性。这是因为原水色
调与二氧化氯色调不同，二者互相覆盖。直至某一种占据主
要时，方能得到较好线性。与之相对比的是臭氧实验中原水
数据无需剔除，这是因为臭氧反应迅速，0．5 h后基本没有
残留，污水中只有原有的一种色调。所以对存在多种色调物
质的污水，光谱特征值的应用还有待继续研究。
3结论
研究了紫外一可见光谱对工业污水色度的表征方法，结
果表明，对显色成分变化大的污水，可见光区吸收光谱的特
征值可以作为污水真色值的替代指标，并使用某工业区污水
厂的实际水样开展验证，相关性良好。
比较了氯、二氧化氯和臭氧三种消毒剂对色度的脱除效
果，其中氯的效果最差，臭氧和二氧化氯更好。但二氧化氯
自身的色度对污水有负面影响，所以出水中不能有较高浓度
的残留。消毒剂反应后，污水的可见光谱特征值与色度有较
好的相关性。
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Analysis of UV—Visible Absorption Spectrum on the Decolorization of
Industrial Wastewater by Disinfection
HUANG Xini，WANG Long-yon91，GAO Nai-yunz。，LI Wei-guos
1．School of Environment and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China
2．State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China
3．Shanghai TaoPu Wastewater Treatment Plant，Shanghai 200070，China
Abstract The Uv_Visible absorption spectrum of industrial wastewater was explored to introduee a substituting method deter—
mining the color of water，and to compare the decolorization efficacy of different disinfectants．The results show that the visible
absorption spectrum(350-一600 nrn)，instead of ultraviolet absorption spectrum，should be applied to charaeterize the color of
wastewater．There is a good correlation between the features of visible absorption spectrum and the true color of wastewater．
Both ozone and chlorine dioxide has a better decolorization performance than chlorine．However，the color of chlorine dioxide it—
self has a negative effect on decolorization．The changes in the features of visible absorption spectrum effectively reflect the varia—
tions in the color of wastewater after disinIection．
Keywords UV-Visible absorption spectrum；Colon Disinfection；Wastewater treatment
*Corresponding author

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