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城镇污水厂尾水人工湿地深度处理过程中DOM三维荧光光谱特征

文档作者：杨长明，汪盟盟，马锐，李建华文档来源：同济大学环境科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2025年05月06日
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上一篇：工业污水消毒脱色的紫外-可见吸收光谱分析

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第32卷，第3甥
2 O 1 2年3月
光谱学与光谱分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
VoI．32，No．3，pp708—713
March。2012
城镇污水厂尾水人工湿地深度处理过程中DoM三维荧光光谱特征
杨长明，汪盟盟，马锐，李建华
同济大学环境科学与工程学院，长江水环境教育部重点实验室，上海200092
摘要采用三维荧光光谱(3DEEM)分析研究了两种基质水平潜流人工湿地在深度处理城镇污水处理厂
尾水过程中溶解有机物(Ⅸ)M)组成特征。结果表明，两种潜流人工湿地对尾水中C()Do和D(℃的去除率平
均分别达到61．6％和70．1％。相比较而言，陶粒基质湿地对尾水有机物去除效果略优于沸石基质湿地。三
维荧光扫描结果显示，湿地进水中表征出类溶解性有机物，即色氨酸类芳香族蛋白质(s)、溶解性微生物代
谢产物(T)、可见类富罩酸(M)、紫外类富里酸物质(A)。经过人工湿地净化处理后，出水中4个峰的相对荧
光强度均有不同程度的降低，其中M峰和T峰的相对荧光强度降低最为明显，平均分别降低了16．4％和
11．7％；人工湿地出水中腐殖类物质芳香性较弱，含有的苯环结构有机物较少，这说明潜流人工湿地对尾水
中化学性质较为稳定、难以分解、不易被生物利用的类腐殖质有较好的去除效果。M峰和T峰的荧光强度
在沿程上逐渐减小。S峰随沿程呈现出先增大后减小的趋势。与沸石湿地相比较，陶粒基质水平潜流人工湿
地系统对尾水中DoM的特征峰荧光强度削减更为明显。
关键词城镇污水厂尾水；潜流人工湿地；溶解性有机物；三维荧光光谱
中图分类号：X52 文献标识码：A DOI：10．3964／j．issrL 1000-0593(2012)03一0708一06
引言
城镇污水处理厂出水即使稳定达到一级A排放标准，但
相对于受纳水体来说，仍是重要的污染源[1]。城镇污水处理
厂尾水中含有大量溶解性有机质(D()M)，其中含有一些难
于被生物吸收降解的有毒有害成分有机物，当直接排入地表
水体以后，会由于被生物氧化进而大量消耗水中的溶解氧
(D0)，造成水体恶臭乜J。同时，对水生生物也会造成生态毒
性，并危害人体健康[3]。因此，有机物的削减是城镇污水处
理厂尾水深度处理的莺要考核指标之一L4]。人工湿地作为一
种常用的生态处理技术，具有效率高、投资及能耗低、维护
简单的特点，可以适应低浓度污染物去除要求L5J，将人工湿
地处理系统作为常规生物处理工艺的补充，能够最大限度地
削减受纳水体的污染物负荷[6]。近年来，利用人工湿地对尾
水深度处理的相关研究已有一些报道，对尾水中有机物的去
除效果往往只是采用传统的表观有机物指标如COD等进行
评价口]，这些指标很难反映人工湿地处理在尾水处理过程中
各类溶解有机物组成和含量的变化特征。
三维荧光光谱(3DEEM)是近年来广泛用于研究D()M
荧光性质的一种分析技术，同时也是一种新型的水质分析方
法[8J，三维光谱图中荧光峰的位置可定性指示荧光物质的类
型和性质，荧光光谱以水中各类有机物的特征荧光强度之和
表示水中荧光类有机物的综合含鼍，以特征荧光峰中心最大
荧光强度作为表征水中某类溶解性有机物含量的指标[9】，与
传统表征有机物含量的水质参数相比，不仅能反映有机物的
浓度，同时还可以提供有机物组成成分的信息[1⋯。但是，目
前关于人工湿地处理城镇污水厂尾水过程中DOM的三维荧
光特征研究还鲜有报道。本文通过人工湿地小试装置，采用
三维荧光光谱扫描(3胁EEM)技术，研究了城镇污水处理厂
尾水中有机物在两种不同基质潜流人工湿地中的光谱特征变
化，以评价和探讨潜流人工湿地系统对尾水中有机物的去除
效果及其可能的机理。
1实验部分
选择水力负荷较高的水平潜流湿地系统作为研究平台。
湿地装置材料采用厚度为10 rIlrn的P、，C硬质塑料板，尺寸
均为长×宽×深一1．55 m×o．4 m×o．8 m。填料填充高度为
o．7 m，有效水深o．6 m，植物栽种密度为16株·rn-2。进水
采用穿孔管布水。经过粒径30～50 fIlnl砾石布水区进入湿
地填料床。出水经粒径30～50 mm砾石收水区进入底部穿
收稿日期：2011-06．08．修订日期：20ll-09—15
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2008ZX07316—4)和国家科技支撑计划项目(2009BAC628003)资助
作者简介：杨长明。1973年生，同济大学环境科学与工程学院副教授e_mail：cIIlyang@ton函i edIL饥
万方数据
第3期光谱学与光谱分析
孔管，流出湿地系统，试验装置如图l所示。实验装置共2
套，分别为陶牧基质(cw一1)和沸石基质湿地系统(cw-2)，
湿地植物皆为黄菖蒲(J一，加叫出∞州i)。小试装置构建于
匿．童三2；．=二．≥j
z009年11月，启动初期采用崇明城桥污水处理厂生活污水
接种，启动期问间歇运行，日均换水45 L。2010年3月初人
工湿地开始正式运行。
址水
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实验用水取自上海市崇明县城桥镇污水处理厂的二沉池
出水．试验期间(2010年4月～z010年1z月)进水主要污染
物浓度分别为：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比为8．36。由此可以看出．该
污东厂尾永除了O()现有超标外．其他各项指标均达到城镇
污水厂污水排放一级A标准。
潜流人工湿地系统运行2个月稳定期后，沿程和不同深
度各取样点开始采集水样，每月取样1次，并立即带回实验
室分析。水样中C【)阢采用重铬酸钾法测定}水样中溶解性
有机碳(D0c)测定：水样用o．4s“m膜过滤之后，加酸调至pH<2，直接上Toc分析仪测定(研VcPN Anal”er．日
本岛津)}其他常规水质指标测定方法参照《水和废水监铡分
析方法舭“J。
D()M三维荧光光谱采用HITAcHI F4500型荧光光度
计测定，测定之前t用0．45肿wllaHT诅nGF／F膜过滤进行
预处理。考虑到湿地进、出水中DOM较她表水明显要高．
水样用去离子水稀释10倍。仪器光源为150 w氤灯．光电
倍增管电压为700 V，激发和发射狭缝宽度均为10帆。激
发波长k与发射波长^锄扫描范围分别为200～400肿及
帅
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10
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250～550m，扫描速度为12 000 mn·mjn-。。
2结果与讨论
2．1水平灌漉人工湿地对尾水中有机韧总体去除效果分析
两种不同类型基质潜流人工湿地系统进出水有机物浓度(以观和D()c来表示)以及平均去除率如图2所示。由图
2可明显看出，两种基质水平潜流人工湿地对污水厂尾水中
有机物均具有较好的深度净化能力，而且随季节变化明显。
除试运行阶段(3月份)外，陶粒和沸石基质人工湿地出水
coD均低于30 mg·L一，稳定达到地表Ⅳ类水标准，其平
均去除率分别为63．o％和60．2％。与0DIk类似，陶粒和沸
石两种基质潜流人工湿地对尾水中D【℃也具有较好的去除
效果，其去除率分别达到73．2％和66．9％．人工湿地出水
D()c浓度较为稳定．均低于5mg·I．。通过比较发现，陶
粒基质人工湿地对污水厂尾水中有机物的去除效果总体略高
于沸石基质人工湿地，特别是对尾水中ⅨⅪ的去除作用，
陶粒基质人工湿地较沸石基质湿地高出10．6“。这可能与不
同基质湿地所蕴台的与有机物降解相关的微生物生物量与群
落结构差异有关系[I”。
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2．2水平潜漉人工湿地沿程DoM三雏荧光圈谮特征
水平潜流人工温地采样点水样中溶解性有机物的EEMs
图谱见图3所示。在进水中可以分辨出有四个荧光峰出现，
分别是可见类富里酸M、紫外类富里酸A、类色氨酸s和类
Ⅲ们帅加舯卯加抑如m
万方数据
710 光谱学与光谱分析第32卷
色氨酸T。分析EEMs数据中四个特征峰的出峰位蹬及荧光
强度变化(表1)可看出．出水中M峰的相对荧光强度分别降
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峰几乎没有发生变化。M
峰和T峰的荧光强度在沿程上逐渐减小，M峰和T峰基本
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上全都是在人工湿地的前l／2段被削减．s峰呈现出先增大
后减小的趋势。s峰和T峰属于类蛋白物质，其中s峰为色
氨酸类芳香族蛋白质，T峰为溶解性微生物代谢产物I M峰
和A峰属于类腐殖质物质。
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有研究表明．类蛋白峰能很好的表征水环境的污染状
况， ·般生活污水或微生物活动强烈的水体都可以表现出极
强的类蛋白荧光m]，因此可以把s和T峰的削减视为有机
污染物在湿地系统中的分解去除作用。同时可以发现，虽然
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万方数据
第3期光谱学与光谱分析711
T峰是溶解性的微生物代谢产物，但是还是能够被湿地中的
植物、微生物所分解利用，S峰的荧光强度并没有明显的减
小，这可能是因为色氨酸类芳香族蛋白质不能够为湿地中微
生物所降解利用。M峰为可见类富里酸，A峰为紫外类富里
酸物质，都属于类腐殖质物质，M峰荧光强度的明显降低说
明了潜流人工湿地系统只对类腐殖质中的可见类富里酸具有
削减作用。一般来说，类腐殖质物质化学性质较为稳定、难
于分解，较难被生物利用‘H]，而本研究中人工湿地系统对其
却有较好去除作用。
Table l圈匠Ms a咖代s咖∞peak jn innI嘲lt and em哪It of t№∞rlstmcted wetIaI一
2．3水平潜流人工湿地沿程埘矾I三维荧光参数分析
荧光指数(nuoresce眦e index，^50／500)可表征DOM中腐
殖质的来源L15]。^s。，500是指激发光波长Ex为370啪时．荧
光发射光谱在450与500啪处强度比值。McKnight等‘16J提
出，陆源D()M和牛物来源D()M这两个端源^so舯值分别
为1．4和1．9。本研究中人工湿地进出水的^so／soo值分别为
1．84(迸水)、1．91(CW-1出水)、1．81(Cw一2出水)(表2)，
说明湿地水样中的腐殖质主要为生物来源。同时，荧光指数
^so／soo与富里酸芳香性成负相关，较高的^so，soo值揭示了湿
地出水中腐殖类物质芳香性较弱，含有的苯环结构较少。
一些研究认为类蛋白荧光强度与可见区类富里酸荧光强
度比r(S，M)一般可以反映水体的枵染情况[1¨。r(S，M)计算
公式为
r(S，M)一氏／fM
其中Js和k分别为类蛋白荧光强度和可见区类富里酸荧光
强度。各点的r(S，M)值见表2。r(S，M)值在1．13～1．40之
间。而研究受污染河流D()M的r(S，M)一般大于1．5，说明
湿地进出水的污染程度不高。
紫外类富里酸荧光强度与可见区类富里酸荧光强度比值
“A，M)是一个与有机质结构和成熟度有关的指标，r(A，M)
值受有机质分子的大小、溶液pH值等因素影响。r(A，M)计
算公式为
r(A，M)一“／JM
其中F^和Fh分别为紫外类富里酸荧光强度和可见区类富
里酸荧光强度。
r(A，M)值如果发生变化，说明在D()M中至少含有两
种类型的富里酸荧光基团。如果只含有一种基团，则r(A，
M)应该为一定值。系统各点r(A，M)见表2，r(A．M)值发生
了变化，说明系统进出水D【)M中不止含有一种富里酸荧光
基团。
腐殖化指数(HⅨ)可以用于估算有机质的腐殖化程度或
成熟度，HIX是H／L的比值，定义为波长254啪激发下，
发射波长在435～480 nrn(H)与300～345 nm(L)波段内的荧
光强度平均值的比率。湿地中各点的Hlx见表2，可见HIX
值均小于4，说明人工湿地进出水腐殖化程度都较低，湿地
中的有机物有可能来自于微生物的生命活动和死亡分解。
’I．abIe 2 EEMsⅨ阱al啦te隋aI蚰g distan∞in tl地咖晦tmcted wetlalld
万方数据
712 光谱学与光谱分析第32卷
3结论
(1)本研究所构建的两种基质水平潜流人工湿地对城镇
污水厂尾水中有机物具有较好的深度净化作用，对尾水中
D()C和Ⅸ)阱的去除率分别达到6L 6％和70．1％，且存在
明显的季节变化，说明水平潜流人工湿地对尾水中有机物的
去除效率与温度关系密切。陶粒基质潜流人工湿地对Ⅸ)c
的去除率要明显优于沸石基质潜流人工湿地。
(2)湿地进水中表征出4类溶解性有机物，色氨酸类芳
香族蛋白质S、溶解性微生物代谢产物T、可见类富里酸M、
紫外类富里酸物质A。经过人工湿地净化处理后，出水中M
峰、s峰、T峰的相对荧光强度都有不同程度的降低，A峰
几乎没有发生变化1人工湿地进出水腐殖化程度都较低，湿
地中的有机物有可能来自于微生物的生命活动和死亡分解。
(3)通过对DOM三维荧光参数分析表明。潜流人工湿地
出水荧光指数^50／500值分别为1．91和1．81，说明湿地出水
中的腐殖质以(微)生物来源为主。人工湿地出水腐质化系数
均低于4，说明人工湿地出水腐殖化程度都较低，湿地中的
有机物有可能来自于微生物的生命活动和死亡分解。人工湿
地出水中腐殖类物质芳香性较弱，含有的苯环结构有机物较
少。
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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鹏ional excitation咖ission matrix nuores—
cence spectroscopy(3DEEM)．The r鹤ults indicate that the two subSurface∞啮tructed、张tlands perf0姗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锄filled谢th ceramSite showed slightly gr∞ter舰姗l effici∞cy of organjc substallce than tht谢th z∞lite substrate
Fbur diffe唧t types of pE．aks 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
万方数据
第3期光谱学与光谱分析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瓯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“lrnsite、帕s more effective to reduce the fluores—
cence intensity of characterized peaks of DOJⅥfrom the sewage plant efnuent．
№Ⅳords sewage plant efnuent；Subsu妇e 00nst加c矧wetland；DissolVed organic蚴tter(D()M)；n贮dimensio彻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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