污水再生技術是水資源可持續發展的重要組成部分, 但膜污染制約了污水再生回用的推廣和應用.城市污水經二級生化處理后剩余的難降解有機物(effluent organic matter, EfOM), 是超濾過程中膜污染產生的重要原因. EfOM來源復雜, 大量的研究事實證明, 多糖、蛋白質、腐殖酸類等是EfOM的主要構成物質, 但它們物理化學性質相近, 分離區分困難, 導致了對EfOM的理化特征與膜污染行為間的相互關系尚未明確.如：多數研究認為大分子蛋白質類、多糖是膜污染的主要貢獻者, 糖類在任何材質的超濾膜界面都最易形成膜污染.但也有研究認為腐殖酸類是控制超濾過程中膜污染速率和程度的主要物質. Shen等認為在親水化改性的聚偏氟乙烯(PVDF)微濾膜上, 親水性污染物引起的通量下降最快.但也有大量的研究認為疏水性膜上形成的吸附污染遠大于親水性膜.這些不確定的研究結果, 對二級出水超濾再生的抗污染改性膜的選擇、生產及設計造成了困惑.因此, 準確檢測城市污水二級出水的優勢污染物及其分布, 對明確二級出水超濾膜污染的形成過程和機制, 有效干預和防范膜污染的形成有重要的意義.

　　直接光譜學分析手段不能適用于類似EfOM等的復雜混合體系中特定污染物的定量檢測.雙縮脲法、苯酚法、層析法等國標方法, 對蛋白質、多糖和腐殖酸的檢測過程復雜, 且靈敏度低、準確度不高.染料探針-光譜技術是利用在特定的pH下, 荷電大分子有機物通過靜電作用力與染料結合形成復合體, 導致染料的光譜學特征吸收發生較為敏感的變化結果(增敏作用), 根據這種增敏作用與大分子物質含量間的相關性關系, 而建立的對復雜體系中的大分子有機物含量進行檢測的一種方法.如：多糖與蛋白質均為復雜結構的多官能團結構的大分子物質, 可以與染料通過靜電力結合、富集并形成復合體, 使其染料濃度遠高于溶液中的游離濃度, 散射粒子相應體積增大, 可以觀察到染料的共振光散射強度增強.染料甲苯胺藍(TB)可被HA有效包覆, 使TB的紫外光譜吸收降低.染料探針-光譜分析技術操作過程簡單、實時快速, 近年來引起了國內外學者的關注.但染料探針-光譜技術, 并未在二級出水中大分子有機污染物的檢測中得到明確的應用.

　　牛血清蛋白(BSA)、海藻酸多糖(SA)和腐殖酸(HA), 常被作為廢水中三類典型污染物蛋白質、多糖和腐殖酸的代表性標準物質.本文以剛果紅(CR)、中性紅(NR)和TB分別作為BSA、SA及HA的染料探針, 開發通過染料探針-光譜學分析技術, 對二級出水中的優勢污染物含量進行快速檢測的方法, 旨在為城市污水二級出水的污染物去除及超濾再生處理過程中的膜污染干預和防范提供理論參考依據.

　　1 材料與方法 1.1 試劑

　　腐殖酸(HA)和海藻酸鈉(SA)均來自Sigma公司, 分析純;牛血清蛋白(BSA)來自上海藍季, AR, MW 67000;剛果紅(CR)、中性紅(NR)、甲苯胺藍(TB)、氫氧化鈉, 天津科密歐, 分析純; 鹽酸(HCl, 西安三浦, 分析純); 去離子水(西安交通大學水工作室).

　　二級出水樣品來自西安市第四、第五、第八污水廠生化處理過程的二級出水, (分別標記樣品為S1~S4), 其水質指標如表 1所示, 其中pH由精密pH酸度計(pHS-3S, 上海)測得, COD、總氮、SS分別按高錳酸鉀(標準號：GB/T 15456-2008)、納氏試劑分光光度法(標準號：HJ 535-2009)、重量法(標準號：GB/T 11901-1989)等國標測定.水樣經0.45 μm濾膜過濾處理儲藏于4℃冰箱中備用.

 　　1.2 溶液配制

　　標準液配制：分別將標準樣品BSA、SA、HA溶于去離子水中, 室溫攪拌12h, 0.45μm濾膜過濾, 配制成濃度為1g ·L-1的溶液為貯備液, 儲備在4℃冰箱中備用.

　　二級出水水樣配制：以COD和吸光度為濃度參照, 對二級出水樣品稀釋.

　　共振光譜實驗中以B-R緩沖溶液調節pH, 紫外光譜實驗中以檸檬酸鈉-磷酸為緩沖液調節pH.加樣順序：緩沖液→大分子溶液→染料溶液.

　　1.3 EfOM優勢污染物及其分布 1.3.1 EfOM標準污染物代表物的染料探針-光譜法定量

　　蛋白質：以BSA為蛋白質代表物, CR為BSA染料探針, 以CR-BSA的RLS光譜特征吸收(λ=364 nm)為檢測波長.以B-R緩沖溶液調節pH, 考察溶液pH對RLS強度的影響, 在最佳pH下, 作BSA標準曲線.

　　多糖：以SA為多糖代表物, NR為SA染料探針, 以NR-SA的RLS光譜最大特征吸收(λ=292.6 nm)為檢測波長.以B-R緩沖溶液調節pH, 考察溶液pH對RLS強度的影響, 于最佳pH下, 做SA標準曲線.

　　腐殖酸：以TB為HA的染料探針, 以TB-HA的紫外光譜特征最大吸收波長(λ=630 nm), 用檸檬酸鈉-磷酸緩沖溶液調節pH值, 考察溶液pH對紫外吸收強度的影響, 在最佳pH下, 做HA標準曲線.

　　1.3.2 二級出水樣品的優勢污染物定性

　　以紫外光譜儀(THERMOE、UV-2100, 操作參數：λ為200~700 nm)、三維熒光光譜儀(3D-EEM, HITACHI公司, F-7000型, 分析參數：Ex為300~500 nm, Em為300~500nm), 檢測二級出水樣品的特征譜圖.對比二級出水水樣與BSA、HA、SA這3種標準樣品間的特征吸收光譜, 確認二級出水樣品中的優勢污染物.

　　1.3.3 二級出水樣品優勢污染物定量分析

　　染料探針法：根據2.3.1節的定性分析結果, 結合2.3.2節分析測試條件, 以COD為依據, 以緩沖溶液將二級出水稀釋至適宜的濃度.以染料探針法測定二級出水樣品中蛋白質、多糖及腐殖酸含量及分布.

　　國標法：參照國標《出口乳、蛋、豆類食品中蛋白質含量的測定考馬斯亮藍法》(編號：SN), 測定樣品中的蛋白質, 參照國標《出口植物源食品中粗多糖的測定苯酚-硫酸法》(編號：SN), 測定樣品中的多糖含量.對比驗證染料探針-光譜分析結果.

　　2 結果與討論 2.1 染料探針光譜對BSA、SA和HA的定量分析 2.1.1 BSA的定量分析

　　在靜電作用下, 生物大分子表面吸附陰離子染料, 導致生色團聚集, 致使CR的RLS強度大幅增強.圖 1(a)為CR和CR-BSA溶液(pH=2.25)于200~650 nm下的RLS譜圖.從中可知, 加入大分子BSA后CR的共振光強度大幅增強, 是由于荷負電CR與荷正電BSA間形成了CR-BSA絡合物所致.且CR-BSA的譜圖特征與CR完全相似, 最大吸收峰值均為364 nm.

 　　pH對CR-BSA絡合物體系的共振光散射強度(I)的影響如圖 1(b)所示.在pH為1~9范圍內, CR-BSA絡合物的I值, 在等電點pH=4.7時最小.與等電點時, 靜電荷為0, BSA與CR間吸附能力最弱有關.而在等電點pH=4.7前, CR-BSA的I值高于等電點的I值, 并在pH=2.25時最大, 這與雙偶氮陰離子染料CR在等電點前因質子化而與荷正電的BSA間的吸附能力有關.高于等電點后, BSA去質子化而荷負電, 并在pH=2.25時, CR與BSA間因二者間電離平衡的協同作用而有最大程度的吸附效應.因此, 選擇pH=2.25為BSA測定的優選條件.

　　在最優條件下考察了BSA濃度對I值的影響, 如圖 1(c)所示. BSA濃度在0~8 mg ·L-1間, BSA溶液濃度與I間的線性關系較好, R=0.986.之后, 吸光度隨濃度變化平緩.因此, BSA測量濃度范圍定為8 mg ·L-1以下.

　　2.1.2 SA的定量分析

　　圖 2(a)為pH=4時NR-SA的RLS光譜, 從中可以看出, 在NR溶液中加入大分子SA樣品后, 共振光散射強度大大增強, 這與CR-BSA的共振光散射光譜規律一致.選擇NR-SA絡合物的I值最大時的吸收波長292.6 nm為SA的檢測實驗波長, 考察pH值對NR-SA體系的I值的影響.如圖 2(b)所示：在pH=4時, 帶正電NR與荷負電的SA間產生較強的吸附作用, NR-SA絡合物的I值最大.隨著pH的增大, NR荷負電性逐漸增強而與SA間的吸附能力降低, 導致NR-SA的I值降低.

 　　當pH=4時, 考察了SA濃度與I值間的線性相關性.如圖 2(c)所示：在最優實驗條件下, SA濃度在0~10 mg ·L-1范圍內, NR-SA與I值間的線性相關系數為R=0.988.

　　2.1.3 HA的定量分析

　　在pH=7時, TB和TB-HA紫外分光圖如圖 3(a)所示：HA的引入導致了TB溶液的紫外吸收值銳減, 是因為含有復雜官能團的HA, 會對TB小分子產生強烈的包覆作用, 減弱了TB的紫外吸收作用.以TB-HA的紫外最大吸收波長630 nm為實驗波長, 對HA進行定量分析, 考察pH對TB-HA體系紫外吸收強度的影響.如圖 3(b)顯示, 在pH=7時, 能獲得TB-HA復合物的最大紫外吸收強度, 這說明中性環境中, 弱堿性TB與弱酸性HA間能產生最強的吸附效應.并在pH=7時, HA濃度低于20.0 mg ·L-1時, 吸光度值ΔA與HA濃度成反比, 有良好的線性相關性, R=0.999[見圖 3(c)].

 　　2.2 標準污染物混合樣品的定量分析

　　考察了染料探針分析方法, 對EfOM的3種代表性污染物混合樣品的直接檢測.表 2為將3種EfOM代表性污染物的二元和三元混合水樣, 通過染料-光譜探針法檢測所得的實驗結果.從中可知, 染料探針對不同混合樣品中分析檢測時, 污染物的回收率均不低于96%, 標準偏差最大不超過0.11.說明該方法可用于直接確定混合EfOM中各種優勢污染物的代表性成分.

　　2.3 染料探針-光譜分析法對二級出水優勢EfOM的定量檢測 2.3.1 二級出水樣品中優勢污染物的確定(光譜學定性)

　　圖 4為4種水樣的紫外吸收光譜, 其中S1與S2的紫外吸收光譜圖中幾乎無吸收, 但S2在紫外區的吸收峰值略高于S1, 可能與S2中含有少量腐殖酸類物質有關. S3在紫外區250~300 nm處出現了與BSA的芳香族氨基酸殘基相類似的吸收峰. S4與HA的紫外特征吸收光譜比較相似.紫外光譜圖的初步分析認為：樣品S1中無BSA、HA等含復雜官能團如腐殖類及蛋白質等污染物.其COD值的貢獻可能主要來自于多糖, S2中應以多糖和少量腐殖酸類或蛋白質物質為主.而樣品S3中富含蛋白質, S4中含腐殖酸類物質.

 　　在pH=11下, 對二級出水樣品S3和S4進行了三維熒光光譜分析, 如圖 5所示(S1和S2無熒光吸收, 圖未顯示).對比BSA、HA的標準譜圖可知, 樣品S4在Ex/Em=(300~370)/(400~500)nm的吸收為腐殖酸類的特征峰; 而樣品S3在Ex/Em=(235~240)/(340~355)nm與Ex/Em=(280~285)/(320~335)nm為蛋白質類物質特征峰.結合兩種光譜特征的初步分析認為：樣品S1中的優勢污染物為多糖, S2的優勢污染物為多糖與腐殖酸, S3的優勢污染物為蛋白質, S4的優勢污染物為腐殖酸.

 　　2.3.2 二級出水優勢污染物及其分布

　　依據4種二級出水樣品的光譜學特征, 分別利用染料探針-光譜分析法, 并結合國標檢測方法, 對樣品中的優勢污染物成分進行了檢測和對比.如表 3所示, 樣品BSA和SA的濃度采用染料探針-共振光散射方法測定, HA含量用染料探針-紫外分光光度法測定(其中蛋白質、多糖、腐殖酸濃度值根據3.1節的標準曲線計算所得)每個樣品平行測定3次, 所得標準偏差在0.002~1.62 mg ·L-1之間.如表 3所示, S1與S2中糖類所占比例最高, 而S2中HA量高于S1.而S3以蛋白質含量居多, S4中主要含腐殖質類.

 　　表 3顯示RLS結果與考馬斯亮藍法和苯酚-硫酸法測定的結果間較為一致.

　　3 結論

　　本研究探討了染料探針技術, 在定量檢測城市污水二級出水中大分子類有機污染物中的應用性.分別以BSA、SA、HA標準物, 代表蛋白質、多糖、腐殖酸等EfOM的典型污染物, 利用標準物與染料剛果紅、中性紅及甲苯胺藍形成大分子絡合物, 在RLS和紫外分光光度吸收值的增敏和衰減效應間的線性關系, 在適宜的pH值和濃度范圍下, 建立了3種代表物的標準曲線.通過標準物的二元、三元混合溶液樣品中的檢測回收率, 考察并確認了染料探針檢測方法的相對誤差.以紫外和3D-EEM的光譜學分析為定性依據, 對4種二級出水樣品中的優勢污染物, 通過染料探針技術的定量檢測, 與國標法間有良好的一致性.染料探針技術操作簡便, 在城市污水二級出水優勢污染物的檢測中有潛在的應用性.可作為污水再生處理技術中, 膜前預處理、膜污染預測和防范及調控的指導依據.具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。