CN111175400A - 基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，通过将污水水样酸化，以及向水样中添加有机溶剂甲醇，优化污水中有机物在后续固相萃取小柱中的保留条件；通过调整有机溶剂的种类及体积配比，优化固相萃取小柱对污水中有机物的吸附条件以及后续洗脱条件；通过调整有机物的溶剂，优化获取的浓缩有机物的溶解条件。本发明方法可获得高达85％以上的污水总有机物回收率，富集浓缩的有机物同时可以用于后续痕量有机物的定量分析以及生物效应的定性分析。本发明方法综合考虑了污水中小分子有机物及大分子有机物的回收，精确度高，回收率好，为污水中痕量有机物污染物和生物毒性效应的监测，提供了一种科学有效的水样预处理方法。

Description

基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法
技术领域
本发明涉及环境水体的检测技术领域，特别涉及基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法。
背景技术
污水厂二级出水中溶解性有机物占总有机物的90％以上，这类物质种类多，性质杂，即包含小分子的痕量有机物污染物，又包含大分子多糖、蛋白以及腐殖酸等物质。目前污水厂二级出水中检测到的痕量有机污染物包括内分泌干扰物(EDCs)、药物及个人护理品(PPCPs)、有机磷阻燃剂(OPFRs)以及农药杀虫剂等等，此类物质在污水受纳水体中一方面可能会产生生物积累效应，另一方面可能直接会对水生生物产生毒害；污水厂二级出水中检测到的不利生物效应包括非特异性发光细菌急性毒性、特异性内分泌干扰效应、活性基因毒性umuC遗传毒性以及植物光合抑制效应等。随着人们对水体生态安全的关注，以及检测技术的发展，痕量有机污染物的定量检测结合生物毒性效应检测手段已经成为未来污水监测领域的必然趋势。但是，有效精确的检测需要科学高效的水样前处理步骤。目前，水样的前处理往往仅考虑痕量有机污染物的回收，未考虑大分子有机物的回收；或者仅考虑大分子有机物的回收，而不能保证有效的回收率。因此，不利于后续的生物毒性检测及有机物理化指标的定性和定量分析。科学合理的水样前处理方法，一方面要保证污水中小分子痕量有机污染物的回收，同时也要保证污水中大分子有机物的回收，使污水中各组分的回收率最大化从而保证后续检测的准确性。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，综合考虑污水中痕量有机污染物和大分子多糖、蛋白以及腐殖质等的回收，提高目标有机物的回收率，从而保证后续生物毒性检测及理化指标分析的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，包括以下步骤：
步骤一，污水样品的预处理：
按照标准采样方法采集污水水样，并对水样进行如下处理：
(1)利用大体积过滤装置，将一定量污水水样通过玻璃纤维滤膜过滤；
(2)滤后水样存放于玻璃容器内，用H2SO4将水样pH酸化至2.5；
(3)向水样中加入一定量色谱级甲醇溶液，使其最终体积分数为5％；
步骤二，有机物的富集浓缩：
利用固相萃取装置，对水样中有机物进行富集浓缩：
(1)将C18固相萃取小柱和HLB固相萃取小柱串联使用；
(2)依次将10mL二氯甲烷和正己烷混合液(体积比为1:1)、10mL甲醇、10mL超纯水(pH＝2.5)通过串联的固相萃取小柱进行活化清洗；
(3)将玻璃容器中步骤一得到的水样连续通过串联的固相萃取小柱，调节真空泵压力；
(4)污水水样上样完毕后，使用10mL超纯水(pH＝2.5)对串联小柱进行清洗；
(5)利用固相萃取装置继续真空抽气，使串联小柱充分干燥，之后将小柱放入离心机中进一步脱水干燥；
步骤三，浓缩有机物溶液的制备：
(1)依次将10mL甲醇、10mL二氯甲烷和正己烷混合液(体积比为1:1)通过干燥后的固相萃取小柱，并收集洗脱液；
(2)将洗脱液在水浴条件下，利用高纯氮气吹至2mL左右，之后将所有洗脱液集中至一个玻璃试管中，利用高纯氮气轻吹至充分干燥状态；
(3)利用磷酸盐溶液将获取的固态有机物溶解，有机物的最终浓缩倍数根据生物毒性检测结果而定(以TOC计)；
(4)利用有机溶剂将获取的固态有机物溶解，用于后续的液相色谱质谱联用仪或气相色谱质谱联用仪的上样检测。
所述的步骤一中，水样预处理具体为联合使用污水水样酸化(pH＝2.5)和添加5％的甲醇有机溶剂(体积分数)。
所述的步骤一中玻璃纤维滤膜为0.7/0.45μm，H2SO4浓度为2M。
所述步骤二中，二氯甲烷和正己烷混合液(体积比为1:1)、甲醇的配比使用(两者体积比为1:1)，活化溶剂极性覆盖范围为0.06(正己烷)→3.4(二氯甲烷)→6.6(甲醇)。
所述的步骤二中水样过流速度保持在5mL/min以下，利用固相萃取装置继续真空抽气20min。
所述步骤三中，二氯甲烷和正己烷混合液(体积比为1:1)、甲醇的配比使用(两者体积比为1:1)。
所述的步骤三中水浴条件为40℃，磷酸盐溶液为5mM(pH＝8)。
本发明的有益效果：
①该发明中，有机物富集浓缩过程实现脱盐的同时，污水有机物的回收率可达85％以上，同时富集浓缩的有机物其光学性质和原水有机物光学性质基本一致；
②该发明中，获取的有机物浓缩液可直接用于液相色谱质谱联用仪和气相色谱质谱联用仪的痕量有机污染物检测，同时可用于生物毒性检测；
③该发明中，大幅减少了污水有机物定量检测和生物效应定性检测的水样体积，提高了分析检测的灵敏度。
附图说明
图1本发明设计方法流程示意图。
图2实施例中本发明方法和现有技术方法获取的有机物TOC和UV-vis指标分析。
图3实施例中本发明方法和现有技术方法获取的有机物三维荧光光谱指标的分析。
图4实施例中本发明方法和现有技术方法获取的有机物中痕量有机污染物的分析。
图5实施例中本发明方法和现有技术方法获取的有机物发光细菌急性毒性的分析。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示：按照标准方法从某典型污水处理厂采集20L二沉池出水水样，其中10L水样按照上述发明方法仔细的进行样品处理；另外10L水样按照常用甲醇方法仔细的进行样品处理：将一定量污水水样通过0.7μm的玻璃纤维滤膜过滤；用20mL甲醇和10mL超纯水对HLB小柱进行活化清洗；将水样连续通过小柱，使水样过流速度保持在5mL/min以下，污水水样上样完毕后，使用10mL超纯水对小柱进行清洗；利用固相萃取装置继续真空抽气20min，使小柱充分干燥，之后将小柱放入离心机中进一步脱水干燥；使用20mL甲醇溶液对小柱进行洗脱，收集洗脱液，之后步骤同发明方法。
TOC值使用岛津TOC-VCPN仪器进行测量；扫描光谱使用岛津UV-1800测量；三维荧光采用日立F-7000仪器测量；痕量有机污染物采用UPLC-Xevo TQ MS仪器进行测量；发光细菌(Virbio fischeri)急性毒性试验参照修正的ISO11348方法，采用微板毒性法进行测定。
对本发明方法和常用甲醇方法获取的有机物进行对比分析，包括TOC、UV-vis、3DEEM、痕量有机物污染物和发光细菌急性毒性等五大类参数，如图2-5所示。发明方法总TOC的回收率为89％，相比甲醇方法TOC的回收率可提高50％；发明方法获取的有机物达到脱盐的效果同时，有机物紫外-可见光区光谱参数和原水有机物能够高度吻合；发明方法获取的有机物其三维荧光光谱参数可以看出，相比甲醇方法，获取的有机物荧光类物质回收率大幅提高；发明方法获取的有机物进行痕量有机污染物的定量检测表明，相比甲醇方法，单个物质的检测浓度显著提高，总的检测浓度提高86％；发明方法获取的有机物进行发光细菌急性毒性生物检测，与甲醇方法相比，当抑制率同为50％时，甲醇方法的浓缩倍数为55.5倍，而发明方法需要的浓缩倍数仅为15.5倍，大幅减少了生物毒性检测中污水水样的体积。

Claims (8)

1.基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，污水样品的预处理：
步骤二，有机物的富集浓缩：
利用固相萃取装置，对水样中有机物进行富集浓缩：
(1)将C18固相萃取小柱和HLB固相萃取小柱串联使用；
(2)依次将10mL体积比为1:1的二氯甲烷和正己烷混合液、10mL甲醇、10mL超纯水，所述的超纯水经酸化pH＝2.5，先后通过C18和HLB固相萃取小柱进行活化清洗；
(3)将步骤一得到的污水样品先后通过C18和HLB串联的固相萃取小柱，调节真空泵压力；
(4)污水水样上样完毕后，使用10mL超纯水，所述的超纯水经酸化pH＝2.5，对串联小柱进行清洗；
(5)利用固相萃取装置继续真空抽气，使串联小柱充分干燥，之后将小柱放入离心机中进一步脱水干燥；
步骤三，浓缩有机物溶液的制备：
(1)依次将10mL甲醇、10mL体积比为1:1的二氯甲烷和正己烷混合液分别通过干燥后的固相萃取小柱，并收集洗脱液；
(2)将洗脱液在水浴条件下，利用高纯氮气吹至2mL左右，之后将所有洗脱液集中至一个玻璃试管中，利用高纯氮气轻吹至充分干燥状态；
(3)利用磷酸盐溶液将获取的固态有机物溶解，有机物的最终浓缩倍数根据生物毒性检测结果而定；
(4)利用有机溶剂将获取的固态有机物溶解，用于后续的液相色谱质谱联用仪或气相色谱质谱联用仪的上样检测。
2.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述的步骤一中；，水样预处理具体为联合使用污水水样酸化和添加5％的甲醇有机溶剂。
3.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述的步骤一中玻璃纤维滤膜为0.7/0.45μm，H2SO4浓度为2M。
4.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述步骤二中，二氯甲烷和正己烷混合液，体积比为1:1、甲醇的配比使用，两者体积比为1:1，活化溶剂极性覆盖范围为0.06的正己烷→3.4的二氯甲烷→6.6的甲醇。
5.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述的步骤二中水样过流速度保持在5mL/min以下，利用固相萃取装置继续真空抽气20min。
6.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述步骤三中，二氯甲烷和正己烷混合液，体积比为1:1、甲醇与混合液体积比为1:1。
7.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，所述的步骤三中水浴条件为40℃，磷酸盐溶液为5mM，pH＝8。
8.根据权利要求1所述的基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法，其特征在于，步骤一按照标准采样方法采集污水水样，并对水样进行如下处理：
(1)利用大体积过滤装置，将一定量污水水样通过玻璃纤维滤膜过滤；
(2)滤后水样存放于玻璃容器内，用H2SO4将水样pH酸化至2.5；
(3)向水样中加入一定量色谱级甲醇溶液，使甲醇溶剂的体积分数为5％。
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