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城鎮(zhèn)污水廠尾水人工濕地深度處理過(guò)程中DOM三維熒光光譜特征

文檔作者：楊長(zhǎng)明，汪盟盟，馬銳，李建華文檔來(lái)源：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)： 24 1	更新時(shí)間： 2025年05月06日
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第32卷，第3甥
2 O 1 2年3月
光譜學(xué)與光譜分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
VoI．32，No．3，pp708—713
March。2012
城鎮(zhèn)污水廠尾水人工濕地深度處理過(guò)程中DoM三維熒光光譜特征
楊長(zhǎng)明，汪盟盟，馬銳，李建華
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092
摘要采用三維熒光光譜(3DEEM)分析研究了兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地在深度處理城鎮(zhèn)污水處理廠
尾水過(guò)程中溶解有機(jī)物(Ⅸ)M)組成特征。結(jié)果表明，兩種潛流人工濕地對(duì)尾水中C()Do和D(℃的去除率平
均分別達(dá)到61．6％和70．1％。相比較而言，陶?；|(zhì)濕地對(duì)尾水有機(jī)物去除效果略?xún)?yōu)于沸石基質(zhì)濕地。三
維熒光掃描結(jié)果顯示，濕地進(jìn)水中表征出類(lèi)溶解性有機(jī)物，即色氨酸類(lèi)芳香族蛋白質(zhì)(s)、溶解性微生物代
謝產(chǎn)物(T)、可見(jiàn)類(lèi)富罩酸(M)、紫外類(lèi)富里酸物質(zhì)(A)。經(jīng)過(guò)人工濕地凈化處理后，出水中4個(gè)峰的相對(duì)熒
光強(qiáng)度均有不同程度的降低，其中M峰和T峰的相對(duì)熒光強(qiáng)度降低最為明顯，平均分別降低了16．4％和
11．7％；人工濕地出水中腐殖類(lèi)物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)有機(jī)物較少，這說(shuō)明潛流人工濕地對(duì)尾水
中化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難以分解、不易被生物利用的類(lèi)腐殖質(zhì)有較好的去除效果。M峰和T峰的熒光強(qiáng)度
在沿程上逐漸減小。S峰隨沿程呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。與沸石濕地相比較，陶粒基質(zhì)水平潛流人工濕
地系統(tǒng)對(duì)尾水中DoM的特征峰熒光強(qiáng)度削減更為明顯。
關(guān)鍵詞城鎮(zhèn)污水廠尾水；潛流人工濕地；溶解性有機(jī)物；三維熒光光譜
中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10．3964／j．issrL 1000-0593(2012)03一0708一06
引言
城鎮(zhèn)污水處理廠出水即使穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，但
相對(duì)于受納水體來(lái)說(shuō)，仍是重要的污染源[1]。城鎮(zhèn)污水處理
廠尾水中含有大量溶解性有機(jī)質(zhì)(D()M)，其中含有一些難
于被生物吸收降解的有毒有害成分有機(jī)物，當(dāng)直接排入地表
水體以后，會(huì)由于被生物氧化進(jìn)而大量消耗水中的溶解氧
(D0)，造成水體惡臭乜J。同時(shí)，對(duì)水生生物也會(huì)造成生態(tài)毒
性，并危害人體健康[3]。因此，有機(jī)物的削減是城鎮(zhèn)污水處
理廠尾水深度處理的鶯要考核指標(biāo)之一L4]。人工濕地作為一
種常用的生態(tài)處理技術(shù)，具有效率高、投資及能耗低、維護(hù)
簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以適應(yīng)低濃度污染物去除要求L5J，將人工濕
地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補(bǔ)充，能夠最大限度地
削減受納水體的污染物負(fù)荷[6]。近年來(lái)，利用人工濕地對(duì)尾
水深度處理的相關(guān)研究已有一些報(bào)道，對(duì)尾水中有機(jī)物的去
除效果往往只是采用傳統(tǒng)的表觀有機(jī)物指標(biāo)如COD等進(jìn)行
評(píng)價(jià)口]，這些指標(biāo)很難反映人工濕地處理在尾水處理過(guò)程中
各類(lèi)溶解有機(jī)物組成和含量的變化特征。
三維熒光光譜(3DEEM)是近年來(lái)廣泛用于研究D()M
熒光性質(zhì)的一種分析技術(shù)，同時(shí)也是一種新型的水質(zhì)分析方
法[8J，三維光譜圖中熒光峰的位置可定性指示熒光物質(zhì)的類(lèi)
型和性質(zhì)，熒光光譜以水中各類(lèi)有機(jī)物的特征熒光強(qiáng)度之和
表示水中熒光類(lèi)有機(jī)物的綜合含鼉，以特征熒光峰中心最大
熒光強(qiáng)度作為表征水中某類(lèi)溶解性有機(jī)物含量的指標(biāo)[9】，與
傳統(tǒng)表征有機(jī)物含量的水質(zhì)參數(shù)相比，不僅能反映有機(jī)物的
濃度，同時(shí)還可以提供有機(jī)物組成成分的信息[1?。但是，目
前關(guān)于人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水過(guò)程中DOM的三維熒
光特征研究還鮮有報(bào)道。本文通過(guò)人工濕地小試裝置，采用
三維熒光光譜掃描(3脅EEM)技術(shù)，研究了城鎮(zhèn)污水處理廠
尾水中有機(jī)物在兩種不同基質(zhì)潛流人工濕地中的光譜特征變
化，以評(píng)價(jià)和探討潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)尾水中有機(jī)物的去除
效果及其可能的機(jī)理。
1實(shí)驗(yàn)部分
選擇水力負(fù)荷較高的水平潛流濕地系統(tǒng)作為研究平臺(tái)。
濕地裝置材料采用厚度為10 rIlrn的P、，C硬質(zhì)塑料板，尺寸
均為長(zhǎng)×寬×深一1．55 m×o．4 m×o．8 m。填料填充高度為
o．7 m，有效水深o．6 m，植物栽種密度為16株·rn-2。進(jìn)水
采用穿孔管布水。經(jīng)過(guò)粒徑30～50 fIlnl礫石布水區(qū)進(jìn)入濕
地填料床。出水經(jīng)粒徑30～50 mm礫石收水區(qū)進(jìn)入底部穿
收稿日期：2011-06．08．修訂日期：20ll-09—15
基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2008ZX07316—4)和國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAC628003)資助
作者簡(jiǎn)介：楊長(zhǎng)明。1973年生，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授e_mail：cIIlyang@ton函i edIL饑
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析
孔管，流出濕地系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置如圖l所示。實(shí)驗(yàn)裝置共2
套，分別為陶牧基質(zhì)(cw一1)和沸石基質(zhì)濕地系統(tǒng)(cw-2)，
濕地植物皆為黃菖蒲(J一，加叫出∞州i)。小試裝置構(gòu)建于
匿．童三2；．=二．≥j
z009年11月，啟動(dòng)初期采用崇明城橋污水處理廠生活污水
接種，啟動(dòng)期問(wèn)間歇運(yùn)行，日均換水45 L。2010年3月初人
工濕地開(kāi)始正式運(yùn)行。
址水
H晷l(wèi) slI抽Ⅱf婦fI口w伽略奸盹‘耐weIIand爿s1．，陋a嘲鋤單t崦s哪lts Io∞ti砸(①岫d№鞠mpli嗚l啦t_枷)
實(shí)驗(yàn)用水取自上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池
出水．試驗(yàn)期間(2010年4月～z010年1z月)進(jìn)水主要污染
物濃度分別為：00跣46．4～82．7 mg·L叫；TN 4．51～
11．3mg·I，1；TP 0．502～0．711 mg-L；NH3一N 0．716
～3．o r眶·I■‘，其平均c／N比為8．36。由此可以看出．該
污東廠尾永除了O()現(xiàn)有超標(biāo)外．其他各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)
污水廠污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
潛流人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)月穩(wěn)定期后，沿程和不同深
度各取樣點(diǎn)開(kāi)始采集水樣，每月取樣1次，并立即帶回實(shí)驗(yàn)
室分析。水樣中C【)阢采用重鉻酸鉀法測(cè)定}水樣中溶解性
有機(jī)碳(D0c)測(cè)定：水樣用o．4s“m膜過(guò)濾之后，加酸調(diào)至pH<2，直接上Toc分析儀測(cè)定(研VcPN Anal”er．日
本島津)}其他常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)鍘分
析方法舭“J。
D()M三維熒光光譜采用HITAcHI F4500型熒光光度
計(jì)測(cè)定，測(cè)定之前t用0．45腫wllaHT詛nGF／F膜過(guò)濾進(jìn)行
預(yù)處理。考慮到濕地進(jìn)、出水中DOM較她表水明顯要高．
水樣用去離子水稀釋10倍。儀器光源為150 w氤燈．光電
倍增管電壓為700 V，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10帆。激
發(fā)波長(zhǎng)k與發(fā)射波長(zhǎng)^鋤掃描范圍分別為200～400腫及
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250～550m，掃描速度為12 000 mn·mjn-。。
2結(jié)果與討論
2．1水平灌漉人工濕地對(duì)尾水中有機(jī)韌總體去除效果分析
兩種不同類(lèi)型基質(zhì)潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水有機(jī)物濃度(以觀和D()c來(lái)表示)以及平均去除率如圖2所示。由圖
2可明顯看出，兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對(duì)污水廠尾水中
有機(jī)物均具有較好的深度凈化能力，而且隨季節(jié)變化明顯。
除試運(yùn)行階段(3月份)外，陶粒和沸石基質(zhì)人工濕地出水
coD均低于30 mg·L一，穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，其平
均去除率分別為63．o％和60．2％。與0DIk類(lèi)似，陶粒和沸
石兩種基質(zhì)潛流人工濕地對(duì)尾水中D【℃也具有較好的去除
效果，其去除率分別達(dá)到73．2％和66．9％．人工濕地出水
D()c濃度較為穩(wěn)定．均低于5mg·I．。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，陶
?；|(zhì)人工濕地對(duì)污水廠尾水中有機(jī)物的去除效果總體略高
于沸石基質(zhì)人工濕地，特別是對(duì)尾水中ⅨⅪ的去除作用，
陶?；|(zhì)人工濕地較沸石基質(zhì)濕地高出10．6“。這可能與不
同基質(zhì)濕地所蘊(yùn)臺(tái)的與有機(jī)物降解相關(guān)的微生物生物量與群
落結(jié)構(gòu)差異有關(guān)系[I”。
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2．2水平潛漉人工濕地沿程DoM三雛熒光圈譖特征
水平潛流人工溫地采樣點(diǎn)水樣中溶解性有機(jī)物的EEMs
圖譜見(jiàn)圖3所示。在進(jìn)水中可以分辨出有四個(gè)熒光峰出現(xiàn)，
分別是可見(jiàn)類(lèi)富里酸M、紫外類(lèi)富里酸A、類(lèi)色氨酸s和類(lèi)
Ⅲ們帥加舯卯加抑如m
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
710 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
色氨酸T。分析EEMs數(shù)據(jù)中四個(gè)特征峰的出峰位蹬及熒光
強(qiáng)度變化(表1)可看出．出水中M峰的相對(duì)熒光強(qiáng)度分別降
低了19．15％和13．58％．s峰降低了3．51％和2．17％，T峰
降低了10．67％和12．64％，而A峰幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。M
峰和T峰的熒光強(qiáng)度在沿程上逐漸減小，M峰和T峰基本
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上全都是在人工濕地的前l(fā)／2段被削減．s峰呈現(xiàn)出先增大
后減小的趨勢(shì)。s峰和T峰屬于類(lèi)蛋白物質(zhì)，其中s峰為色
氨酸類(lèi)芳香族蛋白質(zhì)，T峰為溶解性微生物代謝產(chǎn)物I M峰
和A峰屬于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。
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有研究表明．類(lèi)蛋白峰能很好的表征水環(huán)境的污染狀
況， ·般生活污水或微生物活動(dòng)強(qiáng)烈的水體都可以表現(xiàn)出極
強(qiáng)的類(lèi)蛋白熒光m]，因此可以把s和T峰的削減視為有機(jī)
污染物在濕地系統(tǒng)中的分解去除作用。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，雖然
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析711
T峰是溶解性的微生物代謝產(chǎn)物，但是還是能夠被濕地中的
植物、微生物所分解利用，S峰的熒光強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的減
小，這可能是因?yàn)樯彼犷?lèi)芳香族蛋白質(zhì)不能夠?yàn)闈竦刂形?
生物所降解利用。M峰為可見(jiàn)類(lèi)富里酸，A峰為紫外類(lèi)富里
酸物質(zhì)，都屬于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)，M峰熒光強(qiáng)度的明顯降低說(shuō)
明了潛流人工濕地系統(tǒng)只對(duì)類(lèi)腐殖質(zhì)中的可見(jiàn)類(lèi)富里酸具有
削減作用。一般來(lái)說(shuō)，類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難
于分解，較難被生物利用‘H]，而本研究中人工濕地系統(tǒng)對(duì)其
卻有較好去除作用。
Table l圈匠Ms a咖代s咖∞peak jn innI嘲l(fā)t and em哪It of t№∞r(nóng)lstmcted wetIaI一
2．3水平潛流人工濕地沿程塒礬I三維熒光參數(shù)分析
熒光指數(shù)(nuoresce眥e index，^50／500)可表征DOM中腐
殖質(zhì)的來(lái)源L15]。^s。，500是指激發(fā)光波長(zhǎng)Ex為370啪時(shí)．熒
光發(fā)射光譜在450與500啪處強(qiáng)度比值。McKnight等‘16J提
出，陸源D()M和牛物來(lái)源D()M這兩個(gè)端源^so舯值分別
為1．4和1．9。本研究中人工濕地進(jìn)出水的^so／soo值分別為
1．84(迸水)、1．91(CW-1出水)、1．81(Cw一2出水)(表2)，
說(shuō)明濕地水樣中的腐殖質(zhì)主要為生物來(lái)源。同時(shí)，熒光指數(shù)
^so／soo與富里酸芳香性成負(fù)相關(guān)，較高的^so，soo值揭示了濕
地出水中腐殖類(lèi)物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)較少。
一些研究認(rèn)為類(lèi)蛋白熒光強(qiáng)度與可見(jiàn)區(qū)類(lèi)富里酸熒光強(qiáng)
度比r(S，M)一般可以反映水體的枵染情況[1¨。r(S，M)計(jì)算
公式為
r(S，M)一氏／fM
其中Js和k分別為類(lèi)蛋白熒光強(qiáng)度和可見(jiàn)區(qū)類(lèi)富里酸熒光
強(qiáng)度。各點(diǎn)的r(S，M)值見(jiàn)表2。r(S，M)值在1．13～1．40之
間。而研究受污染河流D()M的r(S，M)一般大于1．5，說(shuō)明
濕地進(jìn)出水的污染程度不高。
紫外類(lèi)富里酸熒光強(qiáng)度與可見(jiàn)區(qū)類(lèi)富里酸熒光強(qiáng)度比值
“A，M)是一個(gè)與有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和成熟度有關(guān)的指標(biāo)，r(A，M)
值受有機(jī)質(zhì)分子的大小、溶液pH值等因素影響。r(A，M)計(jì)
算公式為
r(A，M)一“／JM
其中F^和Fh分別為紫外類(lèi)富里酸熒光強(qiáng)度和可見(jiàn)區(qū)類(lèi)富
里酸熒光強(qiáng)度。
r(A，M)值如果發(fā)生變化，說(shuō)明在D()M中至少含有兩
種類(lèi)型的富里酸熒光基團(tuán)。如果只含有一種基團(tuán)，則r(A，
M)應(yīng)該為一定值。系統(tǒng)各點(diǎn)r(A，M)見(jiàn)表2，r(A．M)值發(fā)生
了變化，說(shuō)明系統(tǒng)進(jìn)出水D【)M中不止含有一種富里酸熒光
基團(tuán)。
腐殖化指數(shù)(HⅨ)可以用于估算有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度或
成熟度，HIX是H／L的比值，定義為波長(zhǎng)254啪激發(fā)下，
發(fā)射波長(zhǎng)在435～480 nrn(H)與300～345 nm(L)波段內(nèi)的熒
光強(qiáng)度平均值的比率。濕地中各點(diǎn)的Hlx見(jiàn)表2，可見(jiàn)HIX
值均小于4，說(shuō)明人工濕地進(jìn)出水腐殖化程度都較低，濕地
中的有機(jī)物有可能來(lái)自于微生物的生命活動(dòng)和死亡分解。
’I．a(chǎn)bIe 2 EEMsⅨ阱al啦te隋aI蚰g distan∞in tl地咖晦tmcted wetlalld
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
712 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
3結(jié)論
(1)本研究所構(gòu)建的兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對(duì)城鎮(zhèn)
污水廠尾水中有機(jī)物具有較好的深度凈化作用，對(duì)尾水中
D()C和Ⅸ)阱的去除率分別達(dá)到6L 6％和70．1％，且存在
明顯的季節(jié)變化，說(shuō)明水平潛流人工濕地對(duì)尾水中有機(jī)物的
去除效率與溫度關(guān)系密切。陶?；|(zhì)潛流人工濕地對(duì)Ⅸ)c
的去除率要明顯優(yōu)于沸石基質(zhì)潛流人工濕地。
(2)濕地進(jìn)水中表征出4類(lèi)溶解性有機(jī)物，色氨酸類(lèi)芳
香族蛋白質(zhì)S、溶解性微生物代謝產(chǎn)物T、可見(jiàn)類(lèi)富里酸M、
紫外類(lèi)富里酸物質(zhì)A。經(jīng)過(guò)人工濕地凈化處理后，出水中M
峰、s峰、T峰的相對(duì)熒光強(qiáng)度都有不同程度的降低，A峰
幾乎沒(méi)有發(fā)生變化1人工濕地進(jìn)出水腐殖化程度都較低，濕
地中的有機(jī)物有可能來(lái)自于微生物的生命活動(dòng)和死亡分解。
(3)通過(guò)對(duì)DOM三維熒光參數(shù)分析表明。潛流人工濕地
出水熒光指數(shù)^50／500值分別為1．91和1．81，說(shuō)明濕地出水
中的腐殖質(zhì)以(微)生物來(lái)源為主。人工濕地出水腐質(zhì)化系數(shù)
均低于4，說(shuō)明人工濕地出水腐殖化程度都較低，濕地中的
有機(jī)物有可能來(lái)自于微生物的生命活動(dòng)和死亡分解。人工濕
地出水中腐殖類(lèi)物質(zhì)芳香性較弱，含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)有機(jī)物較
少。
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Excitation—Emission Matrix Fl uorescence Spectra Characteristics of DOM
in a Subsurface Constructed Wetland fbr Advanced Treatment of
Municipal Sewage Plant Effluent
YANG Cllang-fning，WANG Meng-meng，MA Rui，LI Jia儼h岫
College of Enviro眥lental Science and Engineerillg，Key Laboratory of Yangt躚Water EnviroIm弛nt of Mimstry of Education，
1、0n萄i Ufliversity，Shangllai 200092，Chi冊(cè)
Abst隋ct I枷position and dynamics of dissolved orgaIlic matter(【)OM)were analyzed in a horizontaI subsurface c0璐tTlJcted
wetland fbr ad、ranced treannem of muIlicipal sew砸羚plant efnu朗t using thre}diIlle鵬ional excitation咖ission matrix nuores—
cence spectroscopy(3DEEM)．The r鶴ults indicate that the two subSurface∞嚙tructed、張tlands perf0姍ed excellent purifica—
tion of o唱amc substaIlc骼，and the r唧vaI rates of C()Dcr and D【Jc were 61．6％a11d 70．1％，respectively．The c0∞tnlcted
wetland sySt鋤filled謝th ceramSite showed slightly gr∞ter艦姍l effici∞cy of organjc substallce than tht謝th z∞lite substrate
Fbur diffe唧t types of pE．a(chǎn)ks such as arolmtic proteiIrlike咖pourlds(S)，soluble rIlicmbiaI b)rproducts(T)，fulvic aci士like唧unds，、，isible ful啊c_Iike(M)and UV ful、，ic．Iike∞mpounds(A)were found inⅨ)M f咖l infIow and 0utnow o“he
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第3期光譜學(xué)與光譜分析713
the subsurface wetlands based on the three_dimensional nuorescenoe spectroscopy amlysis．The nuorescence irItensity of the fbur
peaks was signifcantly decreased in the effluent“ter pu^fication by the subsurface constructed wetlands．Especially，the visible
fulvic—like compounds and S0luble micmbial byprcHducts were effectively removed from the sewage plant effluent by the subsurface
c0嬲tructed、^他tland、衍th nuorescence intensity reduction percentages of 16．4％and 11．7％．Aromatic structures of huIIlic_like
campounds were weakened and o瑁anic compounds with benzene rings were decreased in the outflow of the subsurface construc—
ted wetland This indicates that the subsurface constnlcted wetlands can decompose the cherrIicany stable and biorefractory hu—
mic-Iike compound甌The nuorescence intensity of IⅥand T peaks decreased along distance，while the fluorescence intensity of S
peaks firstly increased，then decreased along the distance of the subsurface constructed wetlands． As compared to zeolite sub—
strate constructed wetland syst咖，the constructed wetIand system fined with ce“l(fā)rnsite、帕s more effective to reduce the fluores—
cence intensity of characterized peaks of DOJⅥfrom the sewage plant efnuent．
№Ⅳords sewage plant efnuent；Subsu婦e 00nst加c矧wetland；DissolVed organic蚴tter(D()M)；n貯dimensio徹l e矧ta—
tion咖ission rmtrix nuorescence spectroscopy(3肛EEM)
(Recei、捌J吡8，2011；acc印ted sep．15，2011)

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