三维荧光光谱技术在不明固体废物溯源的应用研究

伍银爱， 肖裕泽， 陈 灿， 曹 俊， 叶 脉， 郭学涛

（1.广东省环境科学研究院， 广东 广州 510045；2.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 西安 712100）

0 引言

近年来，固体废物非法倾倒、填埋、转移等污染环境案件频发，严重威胁生态环境安全，为及时消除环境安全隐患，生态环境部、最高人民检察院、公安部在全国各地组织开展严厉打击危险废物环境违法犯罪专项行动。 在危险废物环境污染案件的侦办过程中涉案废物的属性决定案件的严重性，因此，涉案废物的属性鉴别是危险废物环境污染案件侦办的首要步骤，对案件侦办至关重要。

涉案废物属性鉴别一般是对涉案废物的反应性、腐蚀性、毒性、易燃性等危险特性进行检测，基于检测结果判断其是否属于危险废物。 由于涉案废物的种类及成分的复杂性， 以及常规检测技术的局限性， 导致单纯依赖检测结果判断涉案废物属性可能得出错误的结论， 而影响危险废物环境污染案件的侦办。为提高涉案废物危险属性鉴别结论的准确性，往往需要依据涉案废物的来源，结合《国家危险废物名录》综合判断涉案废物的危险属性。但目前针对涉案废物溯源技术有限， 涉案废物来源信息往往是在明确涉案废物属性后由公安机关进行调查， 这就形成涉案废物危险属性鉴别需要结合涉案废物来源信息， 而涉案废物来源信息要在取得涉案废物危险属性鉴别结论后开展的死循环[1-4]。因此，环境管理部门针对危险废物环境污染案件，亟需有高效、精准判断涉案废物来源的溯源技术。

近年来， 三维荧光光谱技术广泛应用于水质溯源中， 为环境监管部门实施精准执法提供重要技术支撑。 三维荧光光谱技术是基于不同污染样品具有不同的激发/发射波长的荧光峰，从而可根据各类污染源的特征荧光峰来判断污染类型。清华大学环境学院吴静教授团队已建立印染废水、 电镀废水、石化废水等多类废水的“水质指纹”库[5-11]，将三维荧光光谱技术应用到水质溯源中。本文参照污废水三维荧光溯源方法，以一非法倾倒固体废物污染环境案件中的废渣作为研究对象，研究固体废物三维荧光光谱指纹提取方法，以及探讨三维荧光光谱技术在非法倾倒固体废物溯源的应用路线，以期为三维荧光光谱技术在固体废物溯源提供数据基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 溯源技术路线

三维荧光光谱技术溯源是通过将被测样品的三维荧光光谱图与已有谱图库进行比对， 通过相似度比较确定其污染来源， 技术路线见图1。 为实现快速、有效、精准判断不明固体废物来源，关键要素包括：①固体废物中荧光物质有效提取及测试方法。有效提取出荧光物质，获得完整的光谱代表性信号，是利用三维荧光光谱开展溯源工作的首要前提， 研究出一种可有效提取固体废物中特征荧光物质， 可屏蔽干扰物质，且适用于不同类型固体废物的浸提剂；②污染源数据库建立。由于固体废物种类繁多，不同类型样品存在光谱分布差异， 为了便于非法固体污染环境案件发生时能快速锁定污染源， 应建立污染源三维荧光光谱图库，该图谱库中应包含不同行业、不同企业、 不同产废环节的固体废物的三维荧光光谱图；③固体废物污染源溯源模型[12]。 溯源模型决定溯源效率及准确性，溯源模型是溯源的重要元素，构建适用于固体废物溯源的卷积神经网络模型。

图1 基于三维荧光光谱技术的不明固体废物溯源的技术路线

1.2 样品采集与制备

本文研究对象为非法倾倒危险废物污染环境案件中的废渣，倾倒废渣是盛装于白色吨袋中，每个吨袋作为1 个采样单元，分上、中、下层采样混合作为1 个份样，共采集10 个份样。 试样装于棕色玻璃瓶中，4°C 以下冰箱保存。

浸出液制备：定量称取40 g 固废样品，按液固比（L/kg）10 ∶1 添加纯水、10%甲醇溶液、0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液、0.5 mg/L 十二烷苯磺酸钠溶液为浸提剂，20 ℃下超声20 min，或者采用翻转振荡法，转速为30±2 r/min，在温度20±2 ℃下振荡18 h，用0.45 μm 滤膜过滤，滤液装至棕色VOA 中，于4 ℃冰箱内避光保存。

1.3 测量方法

（1）荧光光谱分析

采用苏州国溯水质溯源仪对试样的三维荧光光光谱图进行测定，设备主要参数：激发波长（Ex）范围为220～450 nm，步长间隔为5 nm；发射波长（Em）范围为230 ～550 nm，步长间隔为5 nm；扫描速度为12 000 nm/min。

（2）成分分析

采用Turbomatrix 40 Trap 顶空进样器串联7890B/5977A 气相色谱-质谱联用仪对试样苯系物进行定量分析，参照HJ 643—2013《固体废物挥发性有机物的测定顶空/气相色谱-质谱法》。 采用Nicolet iS50FTIR 傅里叶变换红外光谱仪进行成分分析，参照GB/T 19267.1—2008《刑事技术微量物证的理化检测第1 部分：红外吸收光谱法》。

1.4 数据处理

（1）荧光光谱的空白校正

测量所得荧光光谱均为经过扣除超纯水空白后的矫正结果， 以减少仪器条件和拉曼散射对荧光光谱的影响。

（2）荧光光谱指数计算

荧光指数（FI）指在370 nm 的Ex下，470 与520 nm 的Em荧光强度的比值；腐殖化指数（HIX）指在255 nm 的Ex下，435～480 与300～345 的Ex荧光强度平均值的比值；生物源指数（BIX）指在310 nm 的Ex下，380 与430 nm 的Em荧光强度的比值[13-14]。I280/340/I225/340是指Ex/Em=280 nm/340 nm 的荧光强度与Ex/Em=225/340 nm 的荧光强度比值[15]。

采用区域I 类为类酪氨酸荧光组分，Ex/Em为（220～250 nm）/（280～330 nm）；区域II 类为类色氨酸荧光组分，Ex/Em为 （220 ～ 250 nm）/（330 ～ 380 nm）；区域III 为类富里酸荧光组分，Ex/Em为（220～250 nm）/（380～500 nm）； 区域IV 为溶解性的微生物代谢物荧光组分，Ex/Em为（250～280 nm）/（280～380 nm）； 区域V 为类腐殖酸荧光组分，Ex/Em为（250～400 nm）/（380～500 nm）。MATLAB（R2021b）进行区域积分， 并计算某一荧光区域的特定结构有机物的积分占总积分的比例[14]。

（3）溯源分析

采用苏州国溯水质有机污染荧光预警软件3.0污染源数据库进行荧光图谱比对分析， 测得试样荧光图谱与污染源数据库进行相似度比对。 相似度大于90%，样品属于某类型污染；相似度在60%～90%间，样品与该类型污染相关；相似度小于60%，样品不属于该类型污染[16]。

（4）苯系物含量与荧光特征指数的相关性分析

采用皮尔逊相关分析采集份样中苯系物含量与荧光特征指数之间的关系，并使用SPSS 软件进行统计分析。

2 荧光响应物质提取与特征分析

2.1 固体废物荧光物质提取方法

一般苯系物、多环芳烃等具有π-π 共轭键的物质属于荧光响应物质， 为提取固体废物中具有荧光响应的物质， 参考土壤有机污染物淋洗剂0.5 mg/L十二烷苯磺酸钠溶液，比对纯水、10%甲醇溶液、0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液，4 种提取溶液荧光光谱图见图2。 由图2 可知，纯水、10%甲醇溶液、0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液三维荧光光谱图基本相似， 而0.5 mg/L 十二烷苯磺酸钠溶液三维荧光光谱除瑞利散射峰和拉曼峰外，在Ex/Em=225 nm/280 nm 附近有一个强荧光峰， 提取溶液自身的荧光特征峰会影响固体废物的荧光光谱峰，因此，可判断0.5 mg/L 十二烷苯磺酸钠溶液不适用于作为固体废物的荧光光谱提取剂。

图2 不同提取剂荧光图谱

纯水、10%甲醇溶液、0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液3种提取剂翻转振荡法及0.5 mg/L 柠檬酸钾， 溶液超声浸提法的荧光光谱图见图3。 由图3 可知，3 种提取剂的三维荧光光谱图均可见2 个明显荧光峰，0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液荧光峰响应要较其他2 种提取剂强， 且0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液的三维荧光光谱显示在Ex/Em=350 nm/425 nm 附近有一个弱荧光峰，通过比较荧光峰数量及荧光峰响应强度， 确定后续实验将采用0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液作为固体废物三维荧光光谱的提取溶剂， 超声法的荧光谱图未见明显荧光峰， 而翻转振荡法荧光谱图中可见明显荧光光谱峰，主要由于超声时间较短，超声法未有效提取到固体废物中的荧光物质， 翻转振荡法更适用于提取固体废物的荧光物质。

图3 不同提取方法荧光图谱

2.2 荧光光谱特征分析

采用0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液， 按液固比10 ∶1（L/kg）比例，翻转振荡法提取一非法倾倒废渣的荧光响应物质，倾倒废渣浸出液荧光光谱图见图4。 由图4 可知， 倾倒废渣荧光光谱中均可见4 个强响应的荧光峰， 中心位置分别位于Ex/Em=220 nm/300 nm （峰A），Ex/Em=225 nm/340 nm （峰B），Ex/Em=275 nm/310 nm （峰C），Ex/Em=275 nm/320 nm （峰D）。 部分试样中可见1 个弱荧光响应的荧光峰，中心位置分别位于Ex/Em=295 nm/485 nm（峰E）。

图4 倾倒废渣荧光图谱

根据Ex/Em将荧光光谱图划分为5 个区域用以判断荧光响应物质类型，倾倒废渣的荧光峰A 位于I 区，荧光峰B 位于II 区，荧光峰C、D 位于IV 区，通过对区域积分标准体积， 计算各区域积分体积占比情况，各区域积分体积占比见图5。 倾倒废渣的荧光信号在II 区占比最高， 区域总占比为33.8 % ～54.1%，荧光信号在I 区、III 区占比次之，I 区域总占比为12.1 % ～ 23.6 %，III 区域总占比为10.7 % ～36.3%，判断荧光峰A，B 为该类物质的主要特征荧光峰。

图5 倾倒废渣的荧光区域积分

FI，HIX，BIX 等指数一般用于表征区分流域腐殖质来源， 相关研究表明可以用荧光特征指数作为污染源的典型特征[13,17,18]，参照腐殖质溯源文献，计算倾倒废渣的各荧光指数，见图6。

图6 倾倒废渣的荧光参数

倾倒废渣的FI 为1.15～3.07，由于倾倒废渣在V 区的荧光响应值较低， 导致试样间FI 差异较大。HIX 为0.206～0.800， 由于倾倒废渣主要荧光响应物质为类色氨酸类物质， 其腐殖质类物质荧光响应较低，因此倾倒废渣HIX 也较低。BIX 为0.568～1.76，I230/340/I225/340值为0.493 ～ 1.29， BIX 与I230/340/I225/340值相似，陈茂福等[15]在城市污水的三维荧光研究用I230/340/I225/340判断城市污水处理厂的污水来源， 指出工业废水I230/340/I225/340要低于生活废水，倾倒废渣的I230/340/I225/340与陈茂福等研究中的工业废水相接近，说明倾倒废渣的三维荧光光谱与工业废水更相似。并且， 倾倒废渣特征指数值明显区别于其他相关研究的特征指数值，具有其独特性。

3 三维荧光光谱图溯源分析

3.1 荧光响应物质溯源分析

除了利用荧光峰位置、荧光强度、荧光峰个数、荧光特征指数等信息进行溯源外， 还可利用荧光峰位置推测荧光响应物质从而判断其可能污染来源。一般，Em＜380 nm 的荧光峰，代表类蛋白质[19]，类蛋白荧光峰往往被认为主要来源于人为污染物， 倾倒废渣的荧光峰A，B，C，D 均为Em＜380 nm 的荧光峰，推测荧光峰A，B，C，D 可能为倾倒废渣中工业源污染物质峰。

根据王碧[20]研究，苯、甲苯、乙苯、丙苯、异丙苯、二甲苯、三甲苯的荧光峰位于Ex/Em=（205～215 nm）/（280～295 nm）； 苯乙烯的荧光峰位于Ex/Em=230 nm/345 nm， 荧光峰A 和B 位置与苯系物及苯乙烯相接近， 推测荧光峰A 和B 主要发光物质为苯系物。 为进一步验证荧光峰A 和B 的荧光响应物质，对倾倒废渣苯系物进行定量分析， 倾倒废渣苯系物检出浓度见表1。 利用皮尔逊相关系数分析苯系物与倾倒废渣荧光光谱图特征指数相关性， 苯系物浓度与荧光指数间的相关性见表2。 由表1 和表2 可知， 倾倒废渣中甲苯浓度与II 区积分值显著正相关，与III 区、V 区积分显著负相关，邻二甲苯浓度与BIX 指数显著正相关， 异丙基苯浓度与II 区积分值显著正相关，与V 区积分显著负相关，判断甲苯和异丙基苯是荧光峰B 的主要荧光响应物质之一。

表1 苯系物检出浓度 μg·kg-1

表2 苯系物浓度与荧光指数间的相关性

除苯系物外，据王士峰、黄振荣等[21-22]研究印染废水中含有的常用染料分散红3B、还原黄G 和分散蓝2BLN 等染料主要荧光峰位置在Ex/Em= 230/340 nm，275/320 nm， 染料的荧光峰位置与试样荧光峰A，B，D 位置相接近， 因此推测倾倒废渣荧光峰A，B，D 的荧光响应物质为颜料等。 利用傅里叶红外光谱仪对其成分进一步验证分析，该物质属于含醇酸树脂油漆的废渣，主要成分为醇酸树脂、颜料、烃类溶剂油、碳酸钙等物质，倾倒废渣红外光谱图见图7。

图7 傅里叶变换红外光图谱

红外光谱图中2 925 ，2 854，1 753 ，1 599 cm-1处吸收峰属于醇酸树脂油漆的特征吸收峰[23]。 红外光谱图在400 至1 700 cm-1处多个吸收峰为倾倒废渣中颜料吸收峰， 在不同试样中检出不同成分的颜料，如颜料黄12、颜料红48 ∶2 等，其中，颜料黄为联苯胺类物质，颜料红属于有机偶氮颜料。通过荧光峰A，B，D 所在位置，结合文献报道的有机物质荧光峰位置，初步判断该倾倒物质来源于印染行业。

3.2 污染源匹配溯源分析

在流域污染溯源中可通过将被监测样品的三维荧光谱图与典型污染源的三维荧光谱图进行相似度比较，从而判断污染来源。 目前，关于固体废物三维荧光光谱的数据甚少， 因此尝试将倾倒废渣的荧光谱图与苏州国溯水质有机污染荧光预警软件3.0 污染源数据库内各类水质指纹进行比对，相似度大于90%，样品属于某类型污染；在60%～90%间，样品与该类型污染相关；小于60%，样品不属于该类型污染。 倾倒废渣与水质荧光光谱谱库比对结果见图8。

图8 污废水荧光光谱图谱库匹配结果

由图8 可知， 匹配结果显示有2 个试样与印染废水相关，相关系数在74.7%～81.2%。据文献报道，印染废水的特征荧光峰为Ex/Em= 230 nm/340 nm，275/320 nm[9,22,24,25]，与倾倒废渣特征荧光峰相似，因此通过与图谱库匹配显示试样与印染废水有相关性。

4 结论

基于三维荧光光谱技术对一非法倾倒危险废物污染环境案件中的废渣进行溯源研究， 比对不同固体废物荧光物质提取试剂、提取方法，确定采用0.5 mg/L 柠檬酸钾溶液，按液固比10 ∶1（L/kg），翻转振荡法提取该不明废物三维荧光光谱图， 结果表明该不明固体废物具有4 个特征荧光峰，分别为Ex/Em=220 nm/300 nm （峰A），Ex/Em= 225 nm/340 nm （峰B），Ex/Em= 275 nm/310 nm （峰C），Ex/Em= 275 nm/320 nm （峰D）， 荧光峰B 所在的II 区积分占比最高，占比为33.8%～54.1%，通过该不明固体废物荧光峰的特征指数，荧光峰位置，结合已有污废水三维荧光光谱图，判断该倾倒废渣与印染行业相关。

三维荧光光谱技术已广泛应用于水体污染监测与溯源中， 相关案例显示该技术能快速诊断出水体污染来源，但目前在固体废物溯源研究甚少，本文为在固体废物溯源应用的初步探索， 后续仍需进一步深入研究固体废物荧光物质提取剂方法， 并采集不同行业、不同企业、不同产废环节的固体废物三维荧光光谱图，构建图谱库及溯源模型，以实现三维荧光光谱技术在不明固体废物精准溯源。