饮用水中天然有机物的分析与表征方法

王 钰，易滢佳，史 俊，邓慧萍

(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，上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092)

天然有机物(natural organic matter，NOM)是广泛存在于地表水和地下水环境中的有机混合物。其来源较为广泛，既可以通过生物活动在水体内产生，也可以通过各圈的相互作用和水文循环从外界引入，因此,易受气候条件、地质条件和地形特征的影响[1]。

NOM成分较为复杂，包含自然过程中产生的各类有机物质，如腐殖质、多糖、氨基酸、蛋白质、肽、脂质、小分子亲水性酸等。其中，占比最大的为疏水性酸，可占水环境中TOC含量的50%，并可根据不同介质的溶解性进一步分解为:可溶于碱,但不溶于pH值<2的酸性水中的腐植酸(HA)；可溶于碱和酸的富里酸(FA)；以及既不溶于酸性介质，也不溶于碱性介质的黑腐酸[2]。

NOM本身虽然无毒，但因其较高的占比(占水中有机物含量的50%～90%)和赋存特性，仍可以在很大程度上影响水处理工艺的设计与运行。一方面，它本身可以产生颜色和臭味，充当重金属离子和疏水性有机污染物的载体。另一方面，它可以影响化学试剂的投加量，与其他有毒有害污染物竞争并降低它们的去除效率。它极易造成膜的堵塞，也有可能为管网系统中微生物的生长提供营养。同时，它也是消毒副产物的主要前体物质[3]。因此，有效去除NOM，降低其不利影响是饮用水处理工艺的主要目的之一。另外，值得注意的是，NOM的组成成分和含量不同，对水处理工艺的影响也不同[4]。因此，为了优化饮用水处理工艺并控制NOM的不利影响，分析NOM以了解其性质和反应性至关重要。

传统意义上，反映水中NOM性质和数量的指标主要包括溶解性有机碳、总有机碳、UV254、SUVA等一般性参数。近年来，随着仪器分析的进步，三维荧光光谱仪、元素分析仪、傅里叶红外光谱仪、核磁共振仪、质谱仪和色谱仪等也被广泛应用于NOM的定性定量测定。同时，NOM浓度低，成分复杂，可通过物理分级或化学分级的方法对其进行富集与分离。值得注意的是，尽管NOM的分析与表征手段已发展了很长一段时间，但目前常用的富集、浓缩及表征方法均有一定的局限性。本文对这些方法进行阐述与总结，以期助力于对NOM和饮用水处理的深入研究。

1 NOM的富集及分离方法

1.1 NOM的富集方法

水环境中的NOM浓度不高，因此，一些情况下需将水中的NOM富集浓缩至一定量，才能进行后续反应性和结构特性的研究。富集方法包括反渗透膜、减压蒸馏及冷冻干燥等，各类富集方法的说明及优缺点如表1所示[5-6]。其中，反渗透膜是最为常用的富集手段，其NOM回收率高达80%～99%。Song等[7]的研究表明，当芳香性化合物含量较高、pH值趋近于7时，回收率较高。在实际应用过程中，通常设潜水泵、0.45 μm预过滤柱和RO膜组件。若水中无机物含量较高，则可在RO膜组件前加设CEX树脂过滤多价阳离子，以防止膜污染，提高使用寿命，减少投资[8]。

表1 NOM的浓缩方法Tab.1 Concentration Methods of NOM

1.2 NOM的分离方法

尽管NOM成分非常复杂，但可根据相似的特征，如分子量大小、亲疏水性、酸碱性等将其分类，相同的类别往往在后续工艺中展现出相似的反应特性。因此，根据其所属的类别，将具有不同特征的NOM分离十分必要。通常采用的分离方法主要包括树脂分离法、分子排阻色谱法(SEC)、膜分离法、场流分析法等。各类分离方法的说明及优缺点如表2所示，同时选取较为典型的4种方法进行详述。

表2 NOM的分离方法Tab.2 Separation Methods of NOM

1.2.1 树脂分离法

树脂分离法是分离水环境中不同亲疏水性NOM最常用的方法，依据的原理是不同树脂对不同特性化合物的吸附效果不同。然而，由于NOM的复杂性，通常需串联使用非离子型大孔树脂和离子交换树脂，结合不同的预处理手段和冲洗方式才能完成分离。较为传统的分离方式包括XAD-8-XAD-4- IRA958联用[9]及XAD-8-阳离子交换树脂 (AG-MP-50)-阴离子交换树脂 (A-7) 联用等[10]。但值得注意的是，这类方式往往需要在pH值=2或13的情况下进行，因此，可能会破坏NOM的部分结构。目前，已有研究者用比表面积更大、更多孔的XAD-7HP替代XAD-8，或在分离要求允许的情况下，采用不调节pH的方式进行分离[11]。被广泛接受的NOM树脂分离组分如表3所示[12-13]。

表3 NOM经树脂分离后可以得到的组分Tab.3 Available Composition of NOM after Resin Separation

研究结果表明[14-15]，不同水源中NOM各树脂分离组分DOC含量存在偏差，各组分的卤代特性及膜污染特性也不同。大部分研究认为，疏水性有机物主要造成消毒副产物的生成，而亲水性有机物则更易造成严重的膜污染，但目前也有一些相反的意见。

1.2.2 分子排阻色谱法

分子排阻色谱法(SEC)是利用凝胶色谱柱的分子筛机制将水中不同大小的分子进行分离的一种液相色谱技术。传统的SEC方法分离时间长，效率较低，目前已开发出高效分子排阻色谱工艺(HPSEC)，包含凝胶色谱柱和高效液相系统。操作时样品流过1～3 μm多孔凝胶柱，低分子量的有机物进入柱内，而高分子量的有机物则被排出;检测器则将识别先洗脱的高分子量有机物组分，然后鉴定剩余的低分子量有机物组分，以获取水中NOM的尺寸分布[16]，其所采用的流动相和色谱柱不同，和NOM的相互作用也不同。

别楚君等[17]利用HPSEC检测我国一家以太湖为水源的水厂中不同工艺的出水后发现，预臭氧和混凝沉淀工艺几乎能完全去除大分子有机物，但即使是深度处理，对小分子的去除效果也十分有限。检测器方面，目前最为常用的检测器为紫外检测器，但无法检出不吸收紫外光的有机物。因此，已有将HPSEC与其他检测器，如荧光检测器、在线有机碳分析仪等相结合的案例[18-19]。

综合来看，SEC可以追踪特定范围分子量的有机物在不同饮用水处理工艺中的去除效果，也可以反过来分析水处理工艺对不同分子量有机物的去除特性，以达到预测DBP的生成等目的[19]。

1.2.3 超滤膜分离法

超滤是一种分离技术，因其易于操作且可以处理大量水样，自1970年起就被广泛应用于估算NOM的表观分子量分布。不同超滤膜的孔径特征通常用截留分子量(MWCO)表示，其定义为截留率在90%以上的球状分子的相对分子量。另外，由于超滤膜孔径分布范围各不相同，超滤膜对于大于或小于截留分子量的物质可能也有截留作用，实际操作时可参照孔径分布曲线，选取孔径分布较为均一的膜，以获取相对准确的结论。张健等[20]利用超滤膜分离研究了饮用水各处理工艺对有机物的去除效应；结果表明，常规工艺对10 kD以上有机物的去除率达32%，但会使小分子有机物增加12.6%，而深度处理工艺对分子量小于10 kD有机物的去除率达76.4%。

超滤膜分离不仅仅是简单的机械筛分原理，过滤模式、有机物的初始浓度和溶液特性均被证明会对超滤膜分离产生影响。Schafer等[21]证明，离子强度会显著影响低分子量酸的截留率，且仅当pH值=4.5～10、DOC=15～60 mg/L时影响较低。Assemi等[22]利用超滤膜分析得到的分子量分布与利用其他技术手段分析得到的有较大不同。同时，Revchuk等[23]认为，分子是否带电对超滤膜的截留特性能够产生影响，一些条件下，大于MWCO的不带电分子能够通过孔径，而小于MWCO的带电分子反而无法通过。因此，超滤膜分离可提供直接适用于实际水处理的信息，但定量分析分子大小时应慎重考虑。

1.2.4 场流分离法

场流分离法(FFF)是一类类似色谱，能够连续、高精度分离分子尺寸为1 nm～100 μm的聚合物、生物大分子、纳米粒子和凝胶颗粒的新技术[24]。在实际应用中，待分离物质在扁平带状流道中流动，由于壁面与液体的摩擦力作用，流速沿管道剖面呈抛物线分布。同时，该方法在与流动方向垂直或成某种角度的方向上施加一定外场作用，外场力和分子扩散作用达到平衡，使待分离物质采取一定的分布，综合场和流的作用，从而完成分离。根据施加场的不同，可将FFF划分为热场流分离技术、沉降场流分离技术、电场流分离技术和流场流分离技术。

其中，流场流分离技术(FIFFF)被广泛应用于NOM的尺寸分布及相关研究[25]，其原理如图1[22]所示。值得注意的是，为防止纵向流场将待分离物质带出，需在下方管壁装半透膜。综合来看，该技术的优点在于能够利用流体动力学，高精度、连续不断地进行尺寸分离，而缺点则在于待分离物质与半透膜的相互作用可能会导致有机物流失。

图1 流场流分离示意图Fig.1 Schematic Diagram of Flow Field Flow Separation

2 NOM的表征方法

由于NOM的异质性，可采用多种方法对NOM进行表征，以反映NOM不同方面的物理化学性质。这些方法有些侧重于整体反应性，有些则偏向于个体结构特性，相关信息如表4所示。

2.1 一般参数

实际应用中，NOM通常用一系列一般参数进行表征，如总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、紫外吸光度、SUVA、Zeta电位等。这些一般参数往往可以快速测定，且无需繁复的预处理步骤，设备简单，是目前在线监测领域最常涉及到的表征手段，但是这些参数往往无法反映NOM的异质性，能表达的信息较为有限。

2.1.1 有机碳/氮

TOC是DOC和颗粒性有机碳的总和，实际测量时可通过酸化去除无机碳的部分后分析总碳含量得到。DOC被定义为水中的有机碳通过0.45 μm滤膜后剩余的部分，是研究NOM最常使用的参数。参照TOC与DOC，可定义总有机氮和溶解性有机氮。已证明，这两者与含氮消毒副产物和膜污染密切相关[26-27]，因此，近些年来受到了广泛的关注。值得注意的是，有机碳/氮指标反映水体的总体含量，仅当人类活动对水体影响轻微时可用于NOM的量化指标。

2.1.2 紫外-可见分光光度法

紫外-可见分光光度法属于光谱分析法，该方法利用物质对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析。已有研究证明，220～280 nm下的吸光度最适合用于NOM的分析，且不同波长的光源可以识别NOM中不同的发色团[26]。其中，UV254是应用较为广泛的参数，该参数被普遍认为可反映NOM中芳香族化合物的含量[27]，具有较大的实际价值。例如，Golea等[28]认为，UV254可作为疏水性有机物替代指标，来反映THMs和HAAs的生成势能；Beauchamp等[29]研究发现，根据UV254的大小确定混凝剂投加量可以最大化地减少消毒副产物的生成。

除单一光源下NOM的吸光度外，其他参数也被用于NOM的表征：吸光比是指2种不同波长下的吸光度之比，例如，A250/A365可反映NOM分子量的大小，分子量越大，该值越小[30]；光谱斜率是指将吸光度的指数方程经自然对数转化后，对一定波长范围内的吸收系数进行线性拟合得到的斜率，如S(275～295)可反映分子量的大小，分子量越大，该值越小[31]；差分光谱是指样品应对外界条件改变时发生的光谱变化，一般通过一定波长下外界条件变化前后吸光度的差值表示，氯化前后在272 nm波长处吸光度的差异值(DA272)可指示NOM与氯的反应特性及消毒副产物的生成势能[32]，而DA316和DA400可指示NOM与ClO2反应过程中有机部分的变化及亚氯酸盐、氯酸盐的生成势能[33]。

在应用紫外-可见分光光谱表征NOM的过程中，水体的pH、无机离子和金属离子的含量均会对最终的结果产生一定的影响[34]。例如，硝酸盐可影响220～304 nm处的吸光值，亚硝酸盐会影响354 nm处的吸光值。

2.1.3 比紫外吸光度

比紫外吸光度(SUVA)是指水样在254 nm处的吸光度(UV254)与其溶解性有机物(DOC)含量之比。SUVA较大的水样含疏水性有机物，特别是芳香性有机物较多，较小的水样含亲水性有机物较多[35]。SUVA是水处理工艺设计与运行的重要参数，该值与三卤乙酸、总有机卤素等消毒副产物指标密切相关[36]，且该值越大，反应滤饼阻力的系数kp越大[37]；另外，不少常用水处理工艺去除效果与水样SUVA也有一定的关系[38]。同时，研究表明，当水样处于低SUVA、低DOC和低溴化物含量的状态下，低吸收或不吸收紫外线的NOM替代SUVA代表的有机物成为水中DBP的主要前体物质[39]。因此，实际应用时需考虑原水特征和季节变化。

2.2 荧光光谱分析

荧光光谱可利用物质受到某一波长的入射光照射后，发射不同波长的光的特性进行结构分析。传统的荧光分析可得到包含发射光谱和激发光谱的二维谱图，但无法反映荧光强度随激发和发射波长变化的情况。因此，目前已广泛使用包含荧光激发、发射波长和荧光强度的三维荧光光谱法定量定性分析水环境中的有机物。该方法灵敏度高、选择性好，且对环境样品基本无破坏[40]。

实际应用中，由于检测过程中产生的三维荧光光谱图包含了数千对激发/发射波长(Ex/Em)的荧光信号，许多用于解释荧光数据的高级数据分析技术相继出现，为大量荧光数据的处理提供了可能。其中，较为常用的数据处理方法为荧光区域积分方法(fluorescence regional integration，FRI)[41]。该方法将荧光光谱划分为5个激发、发射区域，各荧光光谱区域划分如表5所示。根据表5对区域的大致划分，可通过积分计算特定荧光区域的积分体积(Øi)，并进行标准化得到标准体积(Øi,n)，从而反映这一区域的特定结构有机物的相对含量。

在NOM的研究中，三维荧光光谱可用于多个方面。首先，该方法检测的不同荧光组分可作为其他NOM表征手段的替代参数，如TOC、DOC、UV254等[42]。其次，该方法可以为NOM在水处理工艺中的变化提供许多有价值的信息，从而优化水处理过程。Li等[42]总结了其在混凝、吸附、膜过滤和消毒4个方面的应用，表明其检测结果能够很好地预测混凝能力、吸附性能、膜结构性能以及消毒副产物生成势能。Yang等[43]则梳理了各组分在典型饮用水工艺中的变化情况。最后，多个利用三维荧光进行在线定性定量的仪器及技术已被开发并得到了广泛的关注[44]。

表5 不同激发发射波长段对应的天然有机物[41]Tab.5 Available Composition of NOM at Different Ex/Em[41]

2.3 元素及结构分析

2.3.1 元素分析法

元素分析法利用能同时或单独实现样品中元素分析的仪器，根据标准高温燃烧程序实现判断部分元素(C、H、N、O)的含量及摩尔比(C/H、O/C、N/C)的目的，从而提供NOM的组成和与化学特性相关的有价值信息。例如，H/C约为1时，可认为腐殖质已成熟，芳香性较高[45]。Hyun-chul等[46]的研究表明，臭氧氧化可增加H/C，将部分芳香族化合物转化为脂肪族化合物，而活性炭吸附后O/C比增加，也说明生成了一定的羧基物质。

2.3.2 傅里叶红外光谱

傅里叶红外光谱(FTIR)利用NOM吸收红外辐射得到。光谱图内包含各种能带，这些能带指示复杂混合物中存在的不同官能团，可帮助了解NOM的性质、反应性和结构。该方法仅需1～10 mg样品量，且光谱采集时间较短[47]。实际操作时，可先由冷冻干燥机将水样变为粉末，再与KBr颗粒压片上机。Rodriguez[48]等整理了腐殖质物质FTIR的光谱特征，说明了不同地区的腐殖质光谱有明显区别，但均显示出以3 400 cm-1为中心的宽且强的谱带，说明了O-H的拉伸振动(醇类、酚类和羧酸)。Her等[49]利用FTIR将纳滤膜结垢归因于1 662 cm-1处与芳香环相连的CO-NH2或CO结构造成的谱带。

2.3.3 核磁共振

核磁共振技术(NMR)利用外磁场作用下磁矩不为零的原子核对射频辐射的吸收分析物质结构，在NOM，特别是腐殖质的研究中有着广泛的应用。该技术既可应用于水体经冷冻干燥后的固体样品，也可直接应用于溶液形态。其中，固态NMR浓度较高，节省时间，并可鉴定出不溶于水的NOM。液态NMR可提供高分辨率的光谱，因此，即使对非常复杂的环境混合物，也能提供出色的结构和相互作用信息，技术较为成熟。

就元素波谱来说，目前常用到的是13C、1H、15N三类。可根据信号的位置判断原子所处的化学环境；根据信号的数目判断原子的类别数；根据信号的强度判断同一类别原子的数目；根据信号的裂分判断邻近原子的数目。其中，13C波谱化学位移宽，易捕捉微小位移和不与氢相连的碳的共振吸收峰，可通过魔角旋转技术结合交叉极化技术(CP/MAS)得到，在腐殖质的研究中得到了广泛应用。刘新超等[50]总结了腐植酸及其各超滤级分的CP/MAS13C NMR光谱。1H具有高自然丰度和接受度，已成为研究小分子的首选方法，Lam等[51]通过1H光谱分辨出淡水中富含羧基的脂环族结构、碳水化合物、芳香族化合物和脂肪族化合物，但对NOM样品中的信号影响较大，所需预处理复杂，在NOM研究中应用有限。15N波谱可用于表征水体中存在的氮的形式，已有研究表明[52]，大多数氮以酰胺形式存在，而胺和杂环氮则少得多或可以忽略不计。

总的来说，尽管核磁共振是获取物质结构最有效的手段之一，但NOM的异质性仍使得应用该技术时需和其他分级和表征技术联用。

2.3.4 质谱法

质谱分析是一种测量离子质荷比的分析方法，可在一次分析中提供丰富的结构信息。近些年来，质谱联用技术在NOM的应用方面受到了广泛关注，常用于NOM研究的几类质谱联用技术的介绍如下。

气相色谱质谱技术以气体作为流动相，利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。裂解气相色谱质谱法(py-GC/MS)是常用的分析手段，该技术通过加热，在缺氧条件下，将NOM中包含的复杂大分子分解为更多小分子片段。Leenher等[13]总结了NOM的热解产物，包括多糖、氨基糖和蛋白质等。近年来，全二维气相色谱质谱(GC×GC/MS)应用较多，该方法分离、激励不同且相互独立的2根色谱柱以串联方式连接，可对样品进行二次分离，大大提高了样品的分离效率。Li等[53]通过该方法跟踪整个饮用水处理厂中溶解性有机物的组成及变化。

傅里叶变换离子回旋共振质谱法根据给定磁场中的离子回旋频率测量荷质比，是一类能够从NOM中分离出分子种类并允许在分子水平上进行NOM分析而无需任何分馏的技术。该技术分辨率高，可检测出数千种具有不同荷质比的离子，从而通过应用化学规则计算每个质量数对应的未知物分子式[54]。该技术常与电喷雾技术结合，能够使待测样品实现离子化后进行质谱分析，避免了预处理步骤。Stenson等[55]利用该技术确定了黄腐酸样品中上千个物质的结构式；Zhang等[56]利用该技术分析了在分子式级别上常规处理工艺对有机物的处理情况。

3 总结与展望

NOM广泛存在于各类水体中，随时间和空间有着巨大差异，可以极大地影响整个饮用水处理过程。因此，研究NOM的结构组成与性质具有深远的意义。本文对近年来水环境中NOM的分析和表征方法进行了浅析，所涉及到的分析与表征方法有助于清晰认知有机污染物，并针对性地构建技术应对。但也可以看出，由于NOM的异质性和复杂性，目前各类方法均有一定的局限性，实际应用时需根据研究目的和目标参数进行选取。

为进一步了解NOM，减少其负面影响，优化出水水质，提高处理效率，未来还需对上述方法进行改进，特别是在线测定及快速测定方面；同时，不同分析与表征技术之间的联合使用也将是NOM分析与表征的发展趋势。