CN103018225A - 一种渗滤液及其污染水体中重金属生物可用性的判断方法 - Google Patents

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何小松
席北斗
李翔
许其功
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Abstract

一种渗滤液及其污染水体中重金属生物可用性的评价方法，其主要步骤包括：渗滤液和/或受渗滤液污染水体采集，样品的提取和纯化，样品中溶解性有机碳(DOC)浓度测定与调整，调整后样品的重金属含量测定，调整后样品的三维荧光光谱扫描与扫描数据的平行因子分析，样品中重金属浓度与平行因子所得组分相对浓度值的相关性分析，根据相关性分析所得结果定性评价重金属生物可利用性。该方法操作简单安全，分析所需时间短，分析成本低。

Description

一种渗滤液及其污染水体中重金属生物可用性的判断方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理与资源化应用领域，具体涉及一种通过渗滤液及其污染水体中重金属所结合有机物的结构特征分析进而间接评价重金属生物可利用性的方法。 
背景技术
在我国，由于生活垃圾混合收集、畜禽饲料添加重金属、部分工业废水排入市政污水处理中心，导致有机废弃物生活垃圾、畜禽粪便和市政污泥均含有一定量的重金属。填埋和堆肥是有机废弃物常用的处理方式，在填埋过程中，生活垃圾中的重金属溶解进入渗滤液，当填埋场发生泄露时，这些含重金属的渗滤液就会通过包气带土壤进入地下水，威胁着地下水饮水安全；在堆肥过程中，市政污泥和畜禽粪便产生的渗滤液较少，但生活垃圾堆肥会产生大量的渗滤液，特别是在雨季，在这个过程中，生活垃圾中的重金属也会溶解进入堆肥渗滤液。当含重金属的堆肥施入土壤后，在降雨或灌溉条件下，其中的重金属会连同有机物一起淋溶进入地下水，导致地下水受到污染。堆肥渗滤液是一种高浓度有机废水，部分研究者将其作为堆肥补水进行回流利用，却未考虑到其中重金属的生物可利用性和由此带来的生态环境风险，而受填埋垃圾渗滤液及堆肥淋溶液污染的地下水，重金属的生物可利用性评价更为重要，它直接关系着饮用水安全。 
已有的重金属生物可利用性评价方法包括：化学分级提取，包括BCR连续提取法和Tessir连续提取法，这种方法主要通过评价弱酸或水提取的重金属的量评价重金属的生物可利用性，该方法适用于固体样品，但对于液体样品是不可行的。另外一种评价重金属生物可利用性的技术为薄膜扩散梯度技术(Diffusive gradients in thin-films technique，DGT)，它通过模拟生物吸收进行有效态重金属的原位采集和测量，该技术适用于水体和含水率较高的沉积物。采用DGT技术测定水体中重金属的生物可利用性，精 度较高，但操作复杂、价格昂贵，不适合大规模测定。 
已有的研究显示，水体中的重金属高达80％，对于部分重金属，甚至高达90％的是与有机物结合在一起的，有机物的组成和结构特征直接影响着重金属的生物可利用性。因此，通过测定与重金属结合的有机物的结构，可以间接判断渗滤液和受渗滤液/堆肥淋溶液污染地下水中重金属的生物有效性。渗滤液及受渗滤液污染地下水中有机物可分为两类，一类为腐殖质物质，另一类为非腐殖质物质，腐殖质物质带有苯环结构，其非常难以被生物利用，并在一定光照激发下能产生荧光；非腐殖质物质包括糖类、脂肪、蛋白质及一些小分子有机酸，这些物质中有一部分带有共轭双键结构或苯环结构如带共轭双键的脂肪酸和带苯环结构的氨基酸，相对于其他小分子有机酸，也相对难以被生物利用，但相对腐殖质物质而言，其生物可利用性较强。根据文献报道(Xi，B.D.，He，X.S.，Wei，Z.M.，Jiang，Y.H.，Li，D.，Pan，H.W.，Liu，H.L.，The composition and mercury complexation characteristics of dissolved organic matter in landfill leachates with different ages.Ecotoxicology and Environmental Safety，2012，86(1)：：227-232)，若渗滤液和受渗滤液污染地下水中重金属主要结合在腐殖质上，则重金属生物可利用性差，若重金属结合在带苯环类氨基酸、多肽等荧光物质上，则重金属生物可利用性强，若重金属主要结合在小分子有机非荧光物质上，则重金属的生物可利用性极强。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种渗滤液及受渗滤液污染水体中重金属生物可利用性的评价方法，通过分析渗滤液和受渗滤液污染水体中重金属所结合有机物的种类，间接评价重金属的生物可利用性。 
为实现上述目的，本发明提供的渗滤液及受渗滤液污染水体中重金属生物可利用性的评价方法，其主要步骤为： 
A)采集渗滤液和/或受渗滤液污染的水样； 
B)将所采集样品离心，收集上清液并过滤后调至0＜DOC＜10mg/L； 
C)测定调整DOC后的滤液中的重金属浓度，同时扫描该滤液的三维荧光光谱； 
D)将得到的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，得样品组分数、不同组分的相对浓度值Fmax，分析组分是属于类蛋白组分还是类腐殖质组分； 
E)将样品的重金属浓度值与平行因子分析所得各组分的Fmax值进行相关性分析，得相关系数P值，根据P值大小与荧光组分类别将重金属生物的可利用性分为极强、强、中和弱四等： 
若只有类蛋白组分的Fmax值与重金属浓度达到显著相关(P＜0.05)，则重金属生物可利用性强； 
若只有类腐殖质组分的Fmax值与重金属浓度达到显著相关(P＜0.05)，则重金属生物可利用性弱； 
若类蛋白组分和类腐殖质组分的Fmax值均与重金属浓度达到显著相关(P＜0.05)，则与类腐殖质组分结合的重金属生物可利用性高，而与类蛋白质组分结合的重金属生物可利用性低，总体重金属生物可利用性中等； 
若类蛋白组分和类腐殖质组分均与样品中重金属浓度未达到显著相关(P＜0.05)，则样品中重金属主要结合在小分子非荧光有机物上，重金属的生物可利用性极强。 
所述的方法中，渗滤液包括有机固体废物填埋、堆放及堆肥过程产生的渗滤液。 
所述的方法中，采集的水样总数小于12个，则在水样过滤并测完DOC浓度后，将水样用双蒸水进行稀释，获得不同稀释浓度的样品，稀释后样品总数大于12个，且0＜DOC＜10mg/L。 
所述的方法中，平行因子分离所得的组分中，最大荧光峰的发射波长小于380nm的为类蛋白组分，最大荧光峰发射波长大于或等于380nm的为类腐殖质组分。 
所述的方法中，三维荧光光谱扫描时激发波长为200-440nm，发射波长为280-550nm，激发和发射光谱狭缝宽带设为1-5nm，扫描速度小于2400nm.min-1，PTM电压＝700v。 
所述的方法中，样品的相关性分析在SPSS软件中进行，相关系数选择Pearson系数。 
本发明操作简单安全，分析所需时间短，分析成本低。相对于通过DGT技术判断重金属的生物有效性，操作过程无需大量强酸，操作安全，并且不需要重金属的富集过程和购买DGT技术所需凝胶。 
附图说明
图1是本发明的流程示意图。 
图2是本发明平行因子分析所鉴定出的类腐殖质组分C1(A)和类蛋白组分C2(B)两个组分的三维荧光光谱。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。 
请参阅图1。 
样品采集。在北京某填埋场不同区域采集了7个渗滤液样品，并将其稀释50倍，分别命名为L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7；此外，在填埋采集了7个地下水样品，分别命名为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；S4位于填埋场中，S5、S6、S7位于填埋场的上游位置，S1、S2、S3位于填埋场的下游。 
样品前处理与溶解性有机碳(DOC)测定。将所采集样品4℃下10000rpm离心10min后，收集上清液并过孔径为0.45μm的滤膜，采用总有机碳分析仪测定其中DOC浓度后，除S4点的DOC浓度超过10mg/L需要加双蒸馏水调整0＜DOC＜10mg/L，其余样品的DOC均小于10mg/L，无需调整，具体数据见表1。 
重金属含量测定与三维荧光光谱扫描。测定调整好的滤液中重金属的浓度，其浓度分布见表1。同时扫描调整后滤液的三维荧光光谱，扫描完毕后的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，得到两个组分数，分别为类腐殖质组分C1和类蛋白组分C2，类腐殖质组分C1和类蛋白组分C2两个组分的三维荧光光谱图如图2(A)、(B)所示。其相对浓度值Fmax见表1。 
(E)相关性分析与重金属生物可利用性定性评价。渗滤液中重金属浓度与平行因子分析所得组分的Fmax进行相关性分析。发现渗滤液中重 金属除Cr与类腐殖质组分相对含量达到了显著相关(P＜0.05)，显示渗滤液中Cr主要结合在类腐殖质物质上，其生物可利用性弱，渗滤液中Cd、Cu、Zn及Ni与两个荧光组分均未达到显著相关(P＞0.05)，显示其主要结合在小分子有机酸上，生物可利用性极强。地下水中Cr和Zn浓度与两类荧光组分相对浓度均未达到显著水平(P＞0.05)，显示地下水中Cr和Zn主要结合在小分子有机酸上，生物可利用性高。地下水中Cd、Cu及Ni浓度与类蛋白组分和类腐殖质组分均达到显著相关(P＜0.05)，显示地下水中这三种重金属主要结合在类腐殖质物质和类蛋白物质上，重金属生物可利用性中等。 
表1：渗滤液及渗滤液污染地下水中重金属及荧光组C1、C2的相对含量值Fmax(C1)和Fmax(C2) 
Figure BDA00002621211300061
表2：渗滤液中重金属与荧光有机物相关性分析 
注：P为相关系数，r为双尾检验，**表示P＜0.01，*表示P＜0.05 
表3：地下水中重金属与荧光有机物相关性分析 
Figure BDA00002621211300071
注：P为相关系数，r为双尾检验，**表示P＜0.01。 

Claims (6)

1.一种渗滤液及其污染水体中重金属生物可用性的评价方法，其主要步骤为：
A)采集渗滤液和/或受渗滤液污染的水样；
B)将所采集样品离心，收集上清液并过滤后调至0＜DOC＜10mg/L；
C)测定调整DOC后的滤液中重金属浓度，同时扫描该滤液的三维荧光光谱；
D)将得到的三维荧光光谱数据进行平行因子分析，得样品组分数、不同组分的相对浓度值Fmax，分析组分是属于类蛋白组分还是类腐殖质组分；
E)将样品的重金属浓度值与平行因子分析所得各组分的Fmax值进行相关性分析，得相关系数P值，根据P值大小与荧光组分类别将重金属的生物可利用性分为极强、强、中和弱四等：
若只有类蛋白组分的Fmax值与重金属浓度达到显著相关P＜0.05，则重金属生物可利用性强；
若只有类腐殖质组分的Fmax值与重金属浓度达到显著相关P＜0.05，则重金属生物可利用性弱；
若类蛋白组分和类腐殖质组分的Fmax值均与重金属浓度达到显著相关P＜0.05，则与类腐殖质组分结合的重金属生物可利用性高，而与类蛋白质组分结合的重金属生物可利用性低，重金属总体生物可利用性中等；
若类蛋白组分和类腐殖质组分均与样品中重金属浓度未达到显著相关P＞0.05，则样品中重金属主要结合在小分子非荧光有机物上，重金属的生物可利用性极强。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，渗滤液包括有机固体废物填埋、堆放及堆肥过程产生的渗滤液。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，采集的水样总数小于12个，则在水样过滤并测完DOC浓度后，将水样用双蒸水进行稀释，获得不同稀释浓度的样品，稀释后样品总数大于12个，且0＜DOC＜10mg/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，平行因子分离所得的组分中，最大荧光峰的发射波长小于380nm的为类蛋白组分，最大荧光峰发射波长大于或等于380nm的为类腐殖质组分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，三维荧光光谱扫描时激发波长为200-440nm，发射波长为280-550nm，激发和发射光谱狭缝宽带设为1-5nm，扫描速度小于2400nm.min-1，PTM电压＝700v。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，样品的相关性分析在SPSS软件中进行，相关系数选择Pearson系数。
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