市政污水(municipal wastewater)是指城鎮(zhèn)居民生活污水，機(jī)關(guān)、 學(xué)校、 醫(yī)院、 商業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)及各種公共設(shè)施排水，以及允許排入城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)的工業(yè)廢水和初期雨水等[1]. 雖然市政污水中生活污水占據(jù)相當(dāng)數(shù)量，但與生活污水(domestic wastewater)并不完全等同，工業(yè)廢水的匯入，增加了市政污水的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn). 與此同時(shí)，市政污水排放量大，與毒性相對(duì)較大的工業(yè)廢水相比，管理控制難度更大.

　　市政污水由于來源復(fù)雜，常含有大量難降解物質(zhì)，如目前受到廣泛關(guān)注的醫(yī)藥品及個(gè)人護(hù)理用品 (pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)和內(nèi)分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals，EDCs)等，盡管這些污染物在水中濃度低，但往往毒性危害大，易生物積累，有的還具有“三致效應(yīng)”[2]. 污水處理廠出水可能在達(dá)到現(xiàn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)指標(biāo)要求的同時(shí)，對(duì)此類物質(zhì)的削減效果不佳. 這些物質(zhì)一旦進(jìn)入到環(huán)境中，會(huì)影響各級(jí)生物的正常生長、 繁殖，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷，危及生態(tài)系統(tǒng)的完整和健康，具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn). 例如，Castillo等[3]的研究中，污水費(fèi)氏弧菌(Vibrio fischeri)發(fā)光抑制率與總有機(jī)碳(total organic carbon， TOC)不存在明顯的直接相關(guān)性，即 TOC 的削減不能表征污水對(duì)發(fā)光菌毒性的消除. Sponza[4]對(duì)紙漿和造紙廠污水進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，一些樣品達(dá)到了行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，但是急性毒性測(cè)試結(jié)果顯示對(duì)魚和藻仍存在毒性. 由此看來，污水處理廠出水已成為威脅水環(huán)境健康的一個(gè)重要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源. 為了實(shí)現(xiàn)城市污水的資源化和無害化，必須對(duì)污水處理前后的毒性變化進(jìn)行研究[5]，對(duì)于回用于與人直接接觸、 農(nóng)業(yè)灌溉、 水產(chǎn)養(yǎng)殖的污水的深度處理工藝前后的毒性變化也應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

　　市政污水中主要的污染物是有機(jī)物，尤其是溶解性有機(jī)物(dissolved organic matter， DOM). 一般認(rèn)為，水體中能通過孔徑為0.45 μm濾膜的有機(jī)物即為溶解性有機(jī)物[6]. DOM不僅可能造成水體缺氧水質(zhì)惡化，它還是水體中微污染物的潛在載體，是消毒副產(chǎn)物的主要前驅(qū)物，自身又可能成為微污染物[7]，因此，成為污水毒性的主要來源. 一些先進(jìn)的分析方法，如核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography mass spectrometry， GC/MS)、 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外(fourier transform infrared spectroscopy， FTIR)及高效液相(high performance liquid chromatography，HPLC)等已被用來對(duì)污水中有機(jī)物進(jìn)行分析，但利用這些技術(shù)對(duì)污水中溶解性有機(jī)物進(jìn)行掃描式的鑒別分析，需要花費(fèi)大量的時(shí)間、 經(jīng)費(fèi)及人力. 針對(duì)污水中的溶解性有機(jī)物進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)——分子量分布及熒光特性表征，省時(shí)省力，進(jìn)一步分析其與毒性的相關(guān)性，有針對(duì)性地強(qiáng)化去除毒性較大的那部分物質(zhì)，對(duì)節(jié)約污水處理成本，提高出水安全性具有重要意義.

　　目前，超濾膜法對(duì)污水DOM分子量進(jìn)行表征已趨于成熟，簡單易操作，并能得到大量的分離水樣，用作進(jìn)一步的分析. 三維熒光光譜法(three dimensional excitation-emission fluorescence spectra， 3D-EEM)對(duì)DOM熒光性質(zhì)進(jìn)行表征是近年來廣泛用于研究DOM熒光性質(zhì)的一種分析技術(shù)，同時(shí)也是一種新型的水質(zhì)分析方法. 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(jī)物的特征熒光強(qiáng)度之和表示水中熒光類有機(jī)物的綜合含量，以特征熒光峰中心最大熒光強(qiáng)度作為表征水中某類溶解性有機(jī)物含量的指標(biāo)[8]，與傳統(tǒng)表征有機(jī)物含量的水質(zhì)參數(shù)相比，不僅能反映有機(jī)物的濃度，同時(shí)還可以提供有機(jī)物組成成分的信息[9]. 發(fā)光細(xì)菌毒性測(cè)試法，是最常用的微生物毒性測(cè)試方法，因其獨(dú)特的生理特性，與現(xiàn)代光電檢測(cè)手段完美匹配的特點(diǎn)而備受關(guān)注. 中國、 美國現(xiàn)都已將發(fā)光細(xì)菌毒性測(cè)試法作為水質(zhì)急性毒性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法，并發(fā)布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，具有快速、 靈敏的特點(diǎn).

　　針對(duì)污水DOM，上述3個(gè)方面的研究工作國內(nèi)外都已有報(bào)道，并取得了一定成果，但是，將分子量分布及熒光特性等理化性質(zhì)與毒性結(jié)合起來，并在此基礎(chǔ)之上有的放矢地對(duì)污水進(jìn)行處理的研究還很鮮見. 本研究綜合采用超濾膜法、 三維熒光光譜法及發(fā)光菌毒性測(cè)試技術(shù)，分析了實(shí)驗(yàn)室污水處理裝置(A/DAT-IAT工藝)處理市政污水過程中DOM的相對(duì)分子質(zhì)量分布、 熒光特性及毒性變化趨勢(shì)，以了解不同相對(duì)分子質(zhì)量DOM在污水處理系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化行為，及市政污水常規(guī)指標(biāo)與毒性指標(biāo)去除的相關(guān)性，以期為基于生態(tài)安全的污水處理工藝的選擇提供依據(jù).

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)原水及裝置

　　試驗(yàn)所用污水為天津市某市政污水處理廠沉砂池出水，采用活性污泥法DAT-IAT(Demand Aeration Tank-Intermittent A eration Tank)工藝. 試驗(yàn)污泥取自該污水處理廠DAT池，經(jīng)過十多天的培養(yǎng)馴化，污泥顏色呈現(xiàn)黃褐色，絮凝沉淀性能良好，沉淀時(shí)泥水界面清晰. 鏡檢可以發(fā)現(xiàn)大量菌膠團(tuán)，并可觀察到輪蟲(rotifer)、 鐘蟲 (Vorticella conorkaria )、 累枝蟲(epistylis)等.

　　DAT-I AT工藝，即連續(xù)進(jìn)水、 連續(xù)-間歇曝氣工藝，是 SBR不斷完善發(fā)展起來的一種新型工藝. 為進(jìn)一步提升該工藝對(duì)難生物降解有機(jī)物和氮的去除效果，在 DAT-IAT工藝前端設(shè)置一個(gè)厭氧池，并且設(shè)置從 DAT池到厭氧池的污泥回流，即為A/DAT-IAT工藝. 試驗(yàn)裝置如圖 1所示. 反應(yīng)器的主體由有機(jī)玻璃材料制成，有效容積為11.2 L，厭氧池尺寸為80 mm×140 mm×220 mm，DAT池和IAT池尺寸均為160 mm×140 mm×220 mm，厭氧池與 DAT池之間的隔板在高度為120和130 mm處布置兩排共 15個(gè)孔眼，DAT池與 IAT池之間的隔板在高度為 15 mm和25 mm處布置兩排共 15個(gè)孔眼. 厭氧池采用攪拌器攪拌以使污泥處于懸浮狀態(tài)，IAT池的曝氣泵和排水、 排泥管的電磁閥的開啟及關(guān)閉由微電腦時(shí)控開關(guān)編程控制. 參考課題組之前的研究，為滿足出水COD達(dá)標(biāo)并兼顧毒性去除，裝置運(yùn)行條件定為：運(yùn)行周期6 h，外回流比30%，內(nèi)回流比200%，MLSS 5�@100 mg ·L-1.

　　圖 1A/DAT-IAT工藝試驗(yàn)裝置示意

　　1.2 有機(jī)物分子量的測(cè)定

　　1.2.1 膜材料及預(yù)處理

　　超濾膜：所使用的超濾膜產(chǎn)自美國SEPRO 公司，膜材質(zhì)為聚醚砜(PES)，截留相對(duì)分子質(zhì)量分別為100×103、 10×103、 1×103. 超濾膜在使用前用Milli-Q超純水浸泡漂洗3次，每次浸泡時(shí)間不少于60 min，放于冰箱備用.

　　超濾器：杯式超濾器為SCM-300型(上海斯納普膜分離科技有限公司)，有效容積為 300 mL，最大耐壓0.3 MPa. 內(nèi)置磁力攪拌裝置，過濾采用氮?dú)怛?qū)動(dòng)，壓力維持在 0. 1~0.2 MPa.

　　1.2.2 膜過濾試驗(yàn)

　　DOM膜過濾分離試驗(yàn)流程如圖 2所示. 將0.45 μm微孔膜夾到抽濾器上，先過濾50 mL高純水以清洗濾膜，接著加入待測(cè)水樣，廢棄初濾液20 mL. 然后收集水樣，用于超濾膜過濾和TOC、 UV254、 3D-EEM及毒性的測(cè)定. 每級(jí)超濾膜過濾時(shí)先過濾50 mL高純水再過濾水樣，廢棄初濾液20 mL取樣，每次加樣前必須剩余一定量水樣并將之廢棄，以保證不壓干超濾杯中的水樣而影響超濾膜的性能. 測(cè)定濾出液的 TOC、 UV254、 3D-EEM及毒性. 以Milli-Q超純水進(jìn)行同樣操作，以分析膜材料是否發(fā)生流失和具有毒性.

　　圖 2膜過濾分離流程示意

　　1.3 毒性測(cè)定

　　毒性測(cè)試方法參見文獻(xiàn) [10](略有不同)，每個(gè)樣品4個(gè)平行，測(cè)試結(jié)果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法要求對(duì)相對(duì)偏差小于15%的平行樣取平均值，個(gè)別樣品出現(xiàn)刺激發(fā)光現(xiàn)象，根據(jù)具體情況進(jìn)行取舍. DXY-2生物毒性測(cè)試儀(中國科學(xué)院南京土壤研究所); 明亮發(fā)光桿菌T3小種(Photobacterium phoshoreum T3)凍干粉，購自中國科學(xué)院南京土壤研究所儀器設(shè)備研制中心.

　　1.4 其他指標(biāo)測(cè)定

　　COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定; 總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)定; 重金屬半定量采用ICP-MS(美國Perkin-Elmer公司)進(jìn)行分析; TOC及TN采用multi N/C 3100TOC分析儀(德國耶拿分析儀器股份公司)測(cè)定，此時(shí)，TOC 測(cè)定結(jié)果為溶解性有機(jī)碳含量即DOC; UV254采用TU1901雙光束紫外分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)測(cè)定，樣品測(cè)試結(jié)果以扣除Milli-Q超純水過相應(yīng)膜測(cè)得的數(shù)據(jù)給出，各分子量區(qū)間含量用遞減法獲得; 3D-EEM采用LS-55熒光分光光度計(jì)(美國Perkin-Elmer公司)測(cè)定，激發(fā)波長為200~540 nm，步長為10 nm，發(fā)射波長為250~600 nm，步長為0.5 nm，激發(fā)光和發(fā)射光的帶寬均為10 nm，掃描速度為1�@500 nm ·min-1. 各樣品的熒光數(shù)據(jù)在去掉Milli-Q超純水過相應(yīng)膜測(cè)得的熒光數(shù)據(jù)后，采用Origin 8.5進(jìn)行處理. 熒光光譜以等高線的形式給出，X軸代表發(fā)射波長，Y軸代表激發(fā)波長，不同顏色填充的等高線代表熒光強(qiáng)度.

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 污水常規(guī)指標(biāo)

　　試驗(yàn)裝置進(jìn)水取自天津市某市政污水處理廠沉砂池出水，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的A/DAT-IAT工藝處理后，取DAT池上清液及IAT出水進(jìn)行了常規(guī)指標(biāo)測(cè)定，結(jié)果見表1.

　　表1 各處理單元污水主要常規(guī)指標(biāo)

　　2.2 系統(tǒng)各反應(yīng)池出水TOC隨相對(duì)分子質(zhì)量的分布特性

　　DOM包含著相對(duì)分子質(zhì)量幾十到幾十萬的有機(jī)物，而一定分子量區(qū)間內(nèi)的各類有機(jī)物，往往表現(xiàn)出類似的物理化學(xué)性質(zhì)[11]. 采用超濾膜法測(cè)得的并不是有機(jī)物真正的相對(duì)分子質(zhì)量，而是根據(jù)超濾膜孔徑大小，大致地估計(jì)其分子量. 因此稱為外觀 分子量(appearance molecular weight，AMW)或外觀分子尺寸(appearance molecular size，AMS)[12]. 污水處理系統(tǒng)中DOM的分子量分布作為污水中有機(jī)物的一個(gè)重要特征，已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[13, 14, 15].

　　采自污水處理廠的進(jìn)水有機(jī)物含量較低. 由圖 3可以看出，工藝對(duì)市政污水各相對(duì)分子質(zhì)量區(qū)間的有機(jī)物均有較大去除. 尤其是DAT池，對(duì)各分子量區(qū)間有機(jī)物均有良好的去除效果，對(duì)總有機(jī)物的去除效率達(dá)到76.76%. 經(jīng)過IAT池進(jìn)一步處理后的出水TOC去除率只增加了7.22%，一方面是因?yàn)榻?jīng)DAT池連續(xù)曝氣處理后，易降解有機(jī)物已被大量消耗，進(jìn)入IAT池的多為難降解物質(zhì)，另一方面也說明后增加的間歇曝氣池對(duì)有機(jī)物的削減能力有限，這與間歇曝氣池的設(shè)計(jì)初衷——進(jìn)一步增加脫氮效果是一致的.

　　圖 3各處理單元TOC分子量分布(絕對(duì)含量)

　　污水中DOM通常呈雙峰形式分布在大相對(duì)分子質(zhì)量(>100×103)與小相對(duì)分子質(zhì)量(<1×103)部分[15]. 從圖 4可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水中相對(duì)分子質(zhì)量>100×103的有機(jī)物含量占進(jìn)水DOM的9.11%; 而相對(duì)分子質(zhì)量<1×103的有機(jī)物含量最高，占進(jìn)水DOM的59.95%，且污水中相對(duì)分子質(zhì)量<1×103的這部分有機(jī)物被認(rèn)為可用來估計(jì)污水中易生物降解物質(zhì). 雖然大相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)物含量并不是特別突出，但還是與之前的研究結(jié)論基本保持一致，即不同來源的污水中有機(jī)物的濃度雖然不盡相同，但分子量分布情況類似，其中可生物降解的部分總是維持在一個(gè)合理的常數(shù)[11, 14].

　　圖 4各處理單元TOC分子量分布(百分含量)

　　污水在試驗(yàn)裝置處理過程中，<1×103的小分子量有機(jī)物逐漸減少，最終在IAT出水中的含量僅為19.10%. 雖然>100×103的大分子量有機(jī)物絕對(duì)量有所下降，但其占DOM的百分比從進(jìn)水中的9.11%增加到IAT出水中的30.69%. 中間分子量(1×103~100×103)的有機(jī)物也呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，在整個(gè)處理過程中從30.94%增加到50.21%. 整體看來，污水在A/DAT-IAT工藝生物處理過程中，DOM的分布呈現(xiàn)出由低分子量向高分子量轉(zhuǎn)化的趨勢(shì). 污水生物降解過程中，有機(jī)物由低分子量向高分子量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，曾經(jīng)被文獻(xiàn)[16]所報(bào)道. 這可能是由于活性污泥中的微生物利用小分子量有機(jī)物，進(jìn)行新陳代謝，過程中產(chǎn)生胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)及溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial products，SMP)，它們的組成除了糖類和蛋白質(zhì)，還有核酸、 脫落的細(xì)胞表面物質(zhì)、 細(xì)胞自溶物等大、 中分子物質(zhì). 而污水中原有的大分子物質(zhì)可能被細(xì)胞吸附并被胞外酶水解，但被利用的量有限. 同時(shí)小分子量部分被快速利用，更突出了大分子量部分的比例. 而中間分子量物質(zhì)在溶液中的積累說明代謝吸收這部分，而不是水解高分子物質(zhì)和直接利用小分子物質(zhì)，可能是活性污泥過程的限速步驟[14]. 更具體的原因需要進(jìn)一步研究，如單獨(dú)對(duì)各段分子量有機(jī)物進(jìn)行生物處理后再對(duì)DOM的分布進(jìn)行分析.

　　2.3 系統(tǒng)各反應(yīng)池出水UV254隨分子量的分布特性

　　UV254是表征污水中芳香性或具有雙鍵物質(zhì)的參數(shù)[17]，是水中腐殖質(zhì)含量的指示性指標(biāo). UV254不但與水中有機(jī)物含量有關(guān)，而且與色度，消毒副產(chǎn)物(三鹵甲烷THMs等)的前體物有很好的相關(guān)性. 此外，水中的致突變物質(zhì)也有明顯的紫外吸收，因此，UV254可成為了解水質(zhì)特性的“窗口”[18]. SUVA(specific ultraviolet absorbance) 值是每米UV254與DOC 的比值(100×UV254/DOC)，可以用來表征水中芳香性有機(jī)碳或含雙鍵有機(jī)物的含量在總有機(jī)物中所占比例. 如果用氯化物對(duì)污水進(jìn)行深度處理，高SUVA 值污水與氯的反應(yīng)活性高，三鹵甲烷生成量相應(yīng)升高[19].

　　進(jìn)水、 DAT上清液及IAT出水的UV254分別為 0.171、 0.112和0.102 cm-1，綜合污水的TOC含量，求得進(jìn)水、 DAT上清液及IAT出水SUVA 值分別為0.59、 1.66和2.19. 說明伴隨污水處理過程，污水與氯的反應(yīng)活性增高，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)增加.

　　由圖 5可以看出，進(jìn)水UV254含量在相對(duì)分子質(zhì)量<1×103的區(qū)間內(nèi)最高，占總 UV254 的 47.31%，其次是中間分子量(1×103~100×103)的有機(jī)物，這與TOC分布基本一致，說明進(jìn)水中芳香性或具有雙鍵物質(zhì)主要集中在中小分子段. 在分子量<1×103的區(qū)間內(nèi)DAT上清液和IAT出水中UV254含量分別增大到63.51%和66.57%. 同時(shí)，由表2可見在該區(qū)間，進(jìn)水、 DAT上清液及IAT出水的SUVA也急劇增大，從進(jìn)水中的0.46增加到DAT上清液中的2.83，再到IAT出水中的7.63. 根據(jù)Edzwald[6]的分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng) SUVA 值介于 4~5之間時(shí)，水中的溶解性有機(jī)物主要是富里酸和腐殖酸，具有較多的芳香族化合物構(gòu)造和較強(qiáng)的疏水性; 當(dāng) SUVA 值小于3時(shí)，水中的溶解性有機(jī)物相對(duì)而言是親水性的，芳香族化合物構(gòu)造也較少. 說明在本試驗(yàn)中，伴隨處理工藝流程，分子量<1×103區(qū)間的物質(zhì)發(fā)生了改變，腐殖質(zhì)類物質(zhì)含量上升，這也是導(dǎo)致污水整體芳香性上升的原因. 也就是說，在同樣TOC去除水平下，如果選擇對(duì)IAT出水中分子量<1×103的有機(jī)物進(jìn)行去除，能更有效地減少氯化消毒的風(fēng)險(xiǎn).

　　圖 5各單元污水溶解性有機(jī)物UV254隨分子量分布情況(百分含量)

　　表2 市政污水UV254及SUVA

　　2.4 污水3D-EEM光譜特性

　　熒光分析(或熒光光譜法)不僅靈敏度高、 選擇性好，還具有方法簡捷、 無需化學(xué)試劑、 不需前處理、 重現(xiàn)性好、 取樣量少，儀器設(shè)備不太復(fù)雜等優(yōu)點(diǎn)[20]. 被用來作為研究海洋、 湖泊及河流中DOM來源、 組成及遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)[8, 21]，污水處理過程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的工具[22].

　　污水含有大量熒光物質(zhì)，如油脂、 蛋白質(zhì)、 表面活性劑、 腐殖酸、 維生素、 酚類等芳香族化合物、 農(nóng)藥殘留、 藥品殘余及其代謝產(chǎn)物等等，它的熒光光譜因污染物種類和含量不同而各異，具有與水樣一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，就像人的指紋具有唯一性一樣，所以被稱為污水的熒光指紋[23]. 三維熒光光譜通過不斷改變激發(fā)波長來獲得一系列熒光發(fā)射光譜，由各個(gè)激發(fā)波長下的發(fā)射譜組合在一起就構(gòu)成了一個(gè)三維的熒光光譜圖[24]，利用它可得到低濃度下的有機(jī)物結(jié)構(gòu)信息，用于區(qū)分水體中不同類型和來源的溶解性有機(jī)物[25]. 根據(jù)Coble[21]的研究，環(huán)境水樣中通常存在6類熒光峰，其名稱及熒光峰位置分別為: Peak A，類腐殖質(zhì)(humic-like)熒光峰，Ex/Em=237~260/400~500 nm; Peak B，類酪氨酸(tyrosine-like)熒光峰，Ex/ Em=225~237/309~321 nm， 275/310 nm; Peak T1，類色氨酸熒光峰(tryptophan-like)，Ex/Em=275/340nm; Peak T2，類色氨酸熒光峰(tryptophan-like)，Ex/Em=225~237/340~381 nm; Peak C，類腐殖質(zhì)(humic-like)熒光峰，Ex/Em=300~370/400~500 nm; Peak M，海洋腐殖質(zhì)(marine humic-like) 熒光峰，Ex/Em=312/380~410 nm. 在不同的水樣中上述6個(gè)熒光峰的位置可能會(huì)發(fā)生紅移或藍(lán)移，水體中DOM的濃度就是影響峰位置的原因之一，高濃度時(shí)發(fā)生紅移，反之則發(fā)生藍(lán)移[26].

　　蛋白質(zhì)是市政污水的主要污染物之一，主要來源于洗滌用品、 食物殘余及排泄物. 如圖 6所示，進(jìn)水3D-EEM圖譜在中心為280/382.5 nm及220/383.5 nm附近存在兩個(gè)熒光峰，分別為類色氨酸熒光峰Peak T1和Peak T2，都是類蛋白質(zhì)熒光峰. 這與之前對(duì)污水熒光特性的研究是一致的，即污水中蛋白質(zhì)熒光峰最強(qiáng)[27]. 因?yàn)榧词故窃谔幚砗蟮奈鬯�中，Peak T的強(qiáng)度相對(duì)天然水體中的背景強(qiáng)度仍然是顯著的，類蛋白質(zhì)熒光峰可以被認(rèn)為是天然水體中人為物質(zhì)的一個(gè)示蹤物或遺跡. 并且Peak T1處的熒光強(qiáng)度被認(rèn)為與可生物降解部分的含量相關(guān)，在污水處理后，該處熒光強(qiáng)度急劇降低[28]. 但相對(duì)于典型的蛋白質(zhì)熒光峰，Peak T1的激發(fā)和發(fā)射波長均發(fā)生了紅移，尤其是發(fā)射波長. 而紅移通常與熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)中羰基、 羥基、 烷氧基及氨基的增加有關(guān). 除了之上兩個(gè)明顯的類蛋白質(zhì)熒光峰外，進(jìn)水310~350/402~452 nm及230~260/422~466 nm附近出現(xiàn)了兩個(gè)強(qiáng)度分別約為215和340的熒光帶，根據(jù)Clobe[21]的研究，應(yīng)歸為Peak C和Peak A，同屬于類腐殖質(zhì)熒光峰. DAT上清液及IAT出水均在中心為330/420.5 nm及250/453 nm附近出現(xiàn)了兩個(gè)熒光峰，分別為類腐殖質(zhì)熒光峰Peak C和Peak A， 這與Baker對(duì)污水處理廠出水及污水處理廠下游河流進(jìn)行的熒光特性研究中類腐殖質(zhì)熒光峰(336~339/420~422 nm)的位置是非常接近的[29]，說明腐殖質(zhì)確實(shí)是污水處理廠出水中主要物質(zhì). 較之進(jìn)水中明顯的類蛋白質(zhì)熒光峰Peak T1和Peak T2，DAT上清液及IAT出水在相應(yīng)附近區(qū)域沒有成峰的趨勢(shì)，說明類蛋白物質(zhì)是易通過生物處理去除的，而進(jìn)水熒光峰強(qiáng)度與后兩者比較，可以發(fā)現(xiàn)后兩者的類腐殖質(zhì)物質(zhì)總量并沒有變化，說明天然水體中難以去除的腐殖質(zhì)及處理過程中形成的腐殖質(zhì)成分難以去除，是二級(jí)出水中主要的熒光物質(zhì).

　　圖 6市政污水三維熒光光譜圖

　　用超濾膜法對(duì)污水進(jìn)行分離后，各級(jí)樣品的主要熒光峰及其強(qiáng)度見表3. 對(duì)進(jìn)水、 DAT上清液及IAT出水，除進(jìn)水過100×103膜外，逐級(jí)過膜均減少了熒光峰的強(qiáng)度，說明各分子量區(qū)間均存在熒光物質(zhì). 而樣品過1×103膜后，熒光強(qiáng)度均顯著下降，意味著在分子量1×103~10×103區(qū)間，含有大量的類腐殖質(zhì)及類蛋白質(zhì)熒光物質(zhì). 而在分子量<1×103區(qū)間，進(jìn)水類蛋白質(zhì)熒光峰Peak T1及Peak T2的熒光強(qiáng)度分別占到總熒光強(qiáng)度的75.52%和82.10%，DAT上清液類腐殖質(zhì)熒光峰Peak C及Peak A的熒光強(qiáng)度分別占到總熒光強(qiáng)度的68.87%和67.80%，IAT出水類腐殖質(zhì)熒光峰Peak C及Peak A的熒光強(qiáng)度分別占到總熒光強(qiáng)度的75.98%和73.80%. 結(jié)合TOC在各區(qū)間的分布，可以發(fā)現(xiàn)，沿著試驗(yàn)裝置的處理流程，在分子量<1×103區(qū)間的物質(zhì)含量大幅下降，占總TOC的比例也從59.95%下降到19.10%，但熒光強(qiáng)度的絕對(duì)值和相對(duì)含量均沒有太大的變化，仍然維持在較高水平. 表明生物處理方式對(duì)去除類腐殖質(zhì)等芳香性物質(zhì)無效，導(dǎo)致深度處理和排放都存在更大的風(fēng)險(xiǎn)，再次突出了污水處理過程中不能僅僅以常規(guī)的有機(jī)物含量去除為目的，針對(duì)類腐殖質(zhì)等芳香性物質(zhì)的特性調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或增加強(qiáng)化處理段意義重大.

　　表3 市政污水三維熒光光譜峰位及峰強(qiáng)

　　2.5 系統(tǒng)各反應(yīng)池出水毒性隨分子量的分布特性

　　污水排放到環(huán)境中會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)以及直接或間接給人類帶來風(fēng)險(xiǎn)，以簡單快捷的發(fā)光菌發(fā)光抑制試驗(yàn)來初步進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果以抑光率來表示，抑光率越大，認(rèn)為樣品的毒性越大. Milli-Q超純水過系列膜的樣品進(jìn)行毒性測(cè)試后，結(jié)果用單因素t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，各樣品間不存在顯著差異，說明膜材料并未對(duì)發(fā)光菌產(chǎn)生毒性. 污水中物質(zhì)的種類繁多，它們之間可能存在協(xié)同、 相加和拮抗作用，所以不能按化學(xué)計(jì)量參數(shù)的方式進(jìn)行簡單的加減，故各樣品數(shù)據(jù)沒有扣除空白的抑光率，也沒有用遞減的方式給出各分子量區(qū)間的值.

　　如圖 7所示，進(jìn)水的發(fā)光抑制率為60.12%，DAT上清液的發(fā)光抑制率為34.12%，IAT出水的發(fā)光抑制率為59.44%，即沿污水處理流程，毒性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，最終出水的毒性與進(jìn)水相差甚微. 這與Rappaport等[30]利用 Ames試驗(yàn)進(jìn)行的研究中發(fā)現(xiàn)二級(jí)生物處理出水致突變性高于一級(jí)處理出水類似，該研究認(rèn)為可能是活性污泥處理過程將惰性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成具有突變性的物質(zhì). 確實(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，出水的毒性更多地產(chǎn)生于生物處理過程中，也就是 SMP 產(chǎn)生的毒性大于廢水本身存在的有機(jī)污染物產(chǎn)生的毒性. SMP含有各種親電取代基 (如—OH、 —SH 和—NH2等)，很容易受到電子誘導(dǎo)和共軛效應(yīng)的影響，與生物分子發(fā)生反應(yīng)而對(duì)微生物產(chǎn)生毒性[31]. 結(jié)合超濾分離后各樣品的分析，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)水發(fā)光抑制率沿分離流程呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，分子量<1×103的污水樣品的抑光率大于分子量小于0.45 μm的水樣，達(dá)到了69.95%，說明進(jìn)水中造成毒性的主要是小分子物質(zhì). 而小分子物質(zhì)是易被微生物利用的，故進(jìn)水中的易降解有毒有機(jī)物經(jīng)過DAT池后含量大幅減少，DAT上清液毒性也隨之降低. 經(jīng)過IAT池處理后進(jìn)水中能被生物利用的中小分子量有機(jī)物及能被生物利用的SMP都幾乎被耗盡，IAT出水中殘留的是極少量進(jìn)水中原有的難降解物質(zhì)及生物處理過程產(chǎn)生的難以被生物利用的SMP，其存在使得IAT出水較DAT上清液的毒性反而大幅回升，最終IAT出水的毒性與進(jìn)水相差甚微.

　　圖 7市政污水發(fā)光菌發(fā)光抑制率分布

　　進(jìn)水中造成毒性的主要是小分子物質(zhì)，這與Klinkow等[32]的研究結(jié)果一致. 相對(duì)于進(jìn)水，由生物活動(dòng)產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)中的大、 中分子量有機(jī)物的毒性開始有所體現(xiàn). 因此，DAT上清液伴隨超濾逐漸分離，發(fā)光抑制率呈下降趨勢(shì)，從<0.45 μm 部分的發(fā)光抑制率34.12%，到分子量<1×103部分的發(fā)光抑制率17.13%，可判定分子量<1×103這部分有機(jī)物仍然是造成毒性的重要原因.

　　同樣，對(duì)IAT出水分級(jí)分離后進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各樣品毒性變化不大，結(jié)合TOC分布(圖 3)，以抑光率與TOC的比值作為風(fēng)險(xiǎn)性的指標(biāo)(表4)，可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水與DAT上清液的風(fēng)險(xiǎn)均較小，而IAT出水各部分風(fēng)險(xiǎn)均顯著增大，尤其是分子量<1×103的部分，風(fēng)險(xiǎn)因子高達(dá)67.87. 較IAT出水及DAT上清液中的該部分物質(zhì)，風(fēng)險(xiǎn)因子顯著增大，一方面，可能是膜的逐級(jí)過濾將污水出水中的大分子無毒物質(zhì)去除，增加了小分子物質(zhì)與發(fā)光菌的接觸，即增加了生物可利用性; 另一方面，在分子量<1×103區(qū)間內(nèi)，進(jìn)水、 DAT上清液和IAT出水的抑光率數(shù)據(jù)也說明在IAT池中間歇曝氣處理，確實(shí)產(chǎn)生了毒性較高的小分子物質(zhì). 這與Aviani等[33]尋找橄欖油廠廢水毒性的來源的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)白腐真菌處理后殘余的毒性主要是來源于未降解的小分子物質(zhì)而不是原水中大分子物質(zhì)降解產(chǎn)生的小分子物質(zhì)的結(jié)論正好相反，這可能與污水來源不同有關(guān).

　　表4 市政污水發(fā)光菌發(fā)光抑制率及風(fēng)險(xiǎn)因子

　　結(jié)合IAT出水的TOC、 UV254、 熒光特性及毒性(圖 8)，可以清楚發(fā)現(xiàn)毒性變化與TOC的變化規(guī)律不一致，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，得到r=-0.013，說明毒性與TOC相關(guān)性差，這也解釋了為何沿污水處理流程，TOC從29.09 mg ·L-1降低到4.66 mg ·L-1，削減率達(dá)到83.98%，而毒性幾乎沒變. 說明常規(guī)指標(biāo)的削減并不意味著毒性的消除，僅以常規(guī)指標(biāo)達(dá)標(biāo)作為污水排放標(biāo)準(zhǔn)不能保障生態(tài)系統(tǒng)及人群的安全. 分子量<1×103的區(qū)間TOC雖只占IAT出水的19.10%，但UV254占出水的66.57%，類腐殖質(zhì)熒光峰1(Peak C)占出水的75.98%，類腐殖質(zhì)熒光峰2(Peak A)占出水的73.80%，說明這區(qū)間物質(zhì)主要為芳香性高的類腐殖質(zhì)物質(zhì). 同時(shí)，這區(qū)間物質(zhì)表征毒性的發(fā)光菌抑光率高達(dá)60.40%，可以認(rèn)為分子量<1×103的小分子腐殖質(zhì)是IAT出水毒性的主要來源.具體參見污水寶商城資料或http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 8IAT出水TOC、 UV254、 熒光特性及抑光率隨分子量分布情況

　　3 結(jié)論

　　(1) 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的A/DAT-IAT工藝對(duì)市政污水各分子量區(qū)間的有機(jī)物均有較好的去除效果，尤其是DAT池. 在該工藝生物處理過程中，DOM的組成呈現(xiàn)出由低分子量向高分子量轉(zhuǎn)化的趨勢(shì). 可能與生物處理反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)發(fā)生包括EPS及SMP的形成在內(nèi)的多種過程有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步研究.

　　(2) 伴隨污水處理過程，污水與氯的反應(yīng)活性增高，產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)增加. 伴隨處理工藝流程，分子量<1×103區(qū)間的物質(zhì)發(fā)生了改變，IAT出水中的溶解性有機(jī)物主要是富里酸和腐殖酸等腐殖質(zhì)類物質(zhì)，具有較多的芳香族化合物構(gòu)造和較強(qiáng)的疏水性，與氯的反應(yīng)活性高. 在同樣TOC去除水平下，如果選擇對(duì)IAT出水中分子量<1×103的有機(jī)物進(jìn)行去除，能更有效地減少氯化消毒的風(fēng)險(xiǎn).

　　(3) 3D-EEM熒光分析結(jié)果表明，市政污水中含有大量的易生物降解類蛋白物質(zhì). 腐殖質(zhì)是污水處理廠出水中主要物質(zhì)，且天然水體中的難以去除的腐殖質(zhì)及處理過程中形成的腐殖質(zhì)成分是二級(jí)出水中主要的熒光物質(zhì).

　　(4) 沿污水處理流程，毒性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，最終IAT出水的毒性與進(jìn)水相差甚微. 毒性變化與TOC的變化規(guī)律不一致，常規(guī)指標(biāo)的削減并不意味著毒性的消除，僅以常規(guī)指標(biāo)達(dá)標(biāo)作為污水排放標(biāo)準(zhǔn)不能保障生態(tài)系統(tǒng)及人群的安全. 進(jìn)水毒性的主要來源是分子量<1×103的小分子物質(zhì)，而IAT出水的毒性更多地產(chǎn)生于生物處理過程中，尤其是IAT池中的間歇曝氣處理，產(chǎn)生了毒性較高的小分子物質(zhì).

　　(5) 結(jié)合對(duì)TOC、 UV254、 3D-EEM及毒性的分析，小分子的腐殖質(zhì)是二級(jí)出水有機(jī)物含量達(dá)標(biāo)、 氯化消毒副產(chǎn)物控制及毒性控制應(yīng)該重點(diǎn)考慮去除的對(duì)象，在之后的研究中，應(yīng)該根據(jù)這部分物質(zhì)進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)及針對(duì)性處理單元的添加.