zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1826Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESБыстрое обнаружение органических веществ на городских очистных сооружениях с использованием флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии поглощения в УФ-видимом диапазонеFast Tracking and Detection of Organic Matter in an Urban Sewage Treatment Plant Using Fluorescence Spectroscopy and UV-Vis Absorption SpectroscopyChenX.ChenXiaowei

Чжэньцзян

Zhenjiang

ZhuW.ZhuWanjiang

Хэфэй

Hefei

njzhao@aiofm.ac.cnZhaoN.ZhaoNanjing

Хэфэй

Hefei

gfyin@aiofm.ac.cnYinG.YinGaofang

Хэфэй

Hefei

njzhao@aiofm.ac.cnJiaR.JiaRenqing

Хэфэй

Hefei

gfyin@aiofm.ac.cnYangR.YangRuifang

Хэфэй

Hefei

njzhao@aiofm.ac.cnMaM.MaMingjun

Хэфэй

Hefei

njzhao@aiofm.ac.cnQinH.QinHeng

Хэфэй

Hefei

ZhengJ.ZhengJiawen

Хэфэй

Hefei

Океанический колледж, Университет науки и технологий ЦзянсуOcean College, Jiangsu University of Science and TechnologyАньхойский институт оптики и точной механики, Китайская академия наук; Китайский университет науки и технологийKey Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences; University of Science and Technology of ChinaАньхойский институт оптики и точной механики, Китайская академия наукKey Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of SciencesAnhui Bishui Electronic Technology Co., Ltd.Anhui Bishui Electronic Technology Co., Ltd.202529032025922269269Copyright © Chen X., Zhu W., Zhao N., Yin G., Jia R., Yang R., Ma M., Qin H., Zheng J., 20252025Chen X., Zhu W., Zhao N., Yin G., Jia R., Yang R., Ma M., Qin H., Zheng J.Chen X., Zhu W., Zhao N., Yin G., Jia R., Yang R., Ma M., Qin H., Zheng J.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1826

Распределение и концентрация органических веществ на различных этапах городских очистных сооружений проанализированы с помощью спектроскопии поглощения в УФ-видимом диапазоне и трехмерной флуоресцентной спектроскопии. Шесть компонентов, идентифицированных с помощью матрицы возбуждения-эмиссии и анализа PARAFAC, показали, что компоненты, связанные с триптофаном (компоненты 1, 3 и 6), сильно коррелировали с концентрацией химического потребления кислорода (ХПК) с коэффициентами корреляции Пирсона 0.656, 0.447 и 0.674 соответственно. Анализ параметров флуоресценции и поглощения в УФ-видимой области выявил снижение содержания органических веществ, повышенную гумификацию и переход от экзогенных органических веществ к эндогенным органическим веществам на протяжении всего процесса очистки сточных вод. Индекс гумификации имел самую высокую корреляцию с уровнем ХПК (–0.834). На основе использования методов Монте-Карло, неинформативного исключения переменных и частичных наименьших квадратов для извлечения характерной длины волны из нормализованных спектров флуоресценции и поглощения разработана модель спектрального анализа слияния характеристик ХПК. Результаты показали хорошее соответствие между концентрациями ХПК, полученными с помощью спектрального анализа слияния признаков, и истинными значениями ХПК, полученными с помощью дихромата калия. Коэффициент детерминации между прогнозируемыми значениями ХПК и истинными значениями ХПК в тестовом наборе достиг 0.9725, среднеквадратическая ошибка 10.51 мг/л, остаточное прогностическое отклонение 4.74. Результаты свидетельствуют об эффективности использования спектроскопии поглощения УФ-видимого диапазона и трехмерной флуоресцентной спектроскопии для прямого отслеживания и обнаружения ХПК в процессах очистки сточных вод без какой-либо предварительной обработки.

Organic matter distributions and concentrations at various stages of an urban wastewater treatment plant were analyzed via ultraviolet‒visible (UV‒Vis) absorption and three-dimensional fluorescence spectroscopy. Six components identified via the excitation‒emission matrix and PARAFAC analysis revealed that components related to tryptophan (components 1, 3, and 6) correlated strongly with the chemical oxygen demand (COD) concentration, with Pearson correlation coefficients of 0.656, 0.447, and 0.674 respectively. Analysis of the fluorescence and UV‒Vis absorption parameters revealed a reduction in the organic matter content, increased humification, and a shift from exogenous organic substances to endogenous organic substances throughout the sewage treatment process. Notably, the humification index had the highest correlation with the COD level (–0.834). Based on the use of Monte Carlo–uninformative variable elimination‒partial least squares for characteristic wavelength extraction from normalized fluorescence and absorption spectra, a COD characteristic fusion spectral analysis model was developed. The results revealed good agreement between the COD concentrations obtained via feature fusion spectral analysis and the true COD values obtained via the potassium dichromate method. The coefficient of determination between the predicted COD values and the true COD values in the testing set reached 0.9725, the root mean square error was only 10.51 mg/L, and the residual predictive deviation was 4.74. These findings suggest the efficacy of using UV‒Vis absorption and three-dimensional fluorescence spectroscopy for direct COD tracking and detection in wastewater treatment processes without any pretreatment.

городские очистные сооруженияфлуоресцентная спектроскопияспектроскопия поглощения УФ-видимого диапазонаорганическое веществоотслеживание и обнаружениеUrban sewage treatment plantfluorescence spectroscopyUV‒Vis absorption spectroscopyorganic mattertracking and detectionThis work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 62405330), the Director’s Fund Project of Hefei Institute (No. YZJJ2023QN09), the National Key Research and Development Program (No. 2022YFC3700902), and the Instrument and Equipment Function Development Program of the Chinese Academy of Science (No. E03HBF11291).ReferencesM. Mousazadeh, E. K. Niaragh, M. Usman, S. Khan, M. M. Emamjomeh, Environ. Sci. Poll. Res. Int., 23, 43143–43172 (2021).M. Mousazadeh, E. K. Niaragh, M. Usman, S. Khan, M. M. Emamjomeh, Environ. Sci. Poll. Res. Int., 23, 43143–43172 (2021).J. Zhang, Y. Shao, G. Liu, L. Qi, H. Wang, X. Xu, S. Liu, Sci. Rep., 11, 691–702 (2021).J. Zhang, Y. Shao, G. Liu, L. Qi, H. Wang, X. Xu, S. Liu, Sci. Rep., 11, 691–702 (2021).A. N. Matheri, F. Ntuli, J. C. Ngila, T. Seodigeng, C. Zvinowanda, Comp. Chem. Eng., 149, 107308 (2021).A. N. Matheri, F. Ntuli, J. C. Ngila, T. Seodigeng, C. Zvinowanda, Comp. Chem. Eng., 149, 107308 (2021).Ankit, S. K. Singh, J. Univ. Shanghai Sci. Technol., 23, No. 4, 306–316 (2021).Ankit, S. K. Singh, J. Univ. Shanghai Sci. Technol., 23, No. 4, 306–316 (2021).M. Ramaganesh, T. R. Pradeesh, S. Naresh, P. Venkumar, R. Manikandan, Mater. Tod. Proc., 46, 8548–8553 (2021).M. Ramaganesh, T. R. Pradeesh, S. Naresh, P. Venkumar, R. Manikandan, Mater. Tod. Proc., 46, 8548–8553 (2021).G. Li, Y. Zhou, S. Yang, RSC Adv., 14, 193–205 (2024).G. Li, Y. Zhou, S. Yang, RSC Adv., 14, 193–205 (2024).A. Sardana, L. Weaver, T. N. Aziz, Environ. Sci.: Process. Impacts, 24, No. 5, 805–824 (2022).A. Sardana, L. Weaver, T. N. Aziz, Environ. Sci.: Process. Impacts, 24, No. 5, 805–824 (2022).B. Waltham, B. Örmeci, J. Water Process Eng., 37, 101395 (2020).B. Waltham, B. Örmeci, J. Water Process Eng., 37, 101395 (2020).W. Moyo, N. Chaukura, M. M. Motsa, T. A. Msagati, T. T. Nkambule, Water SA, 46, No. 1, 131–140 (2020).W. Moyo, N. Chaukura, M. M. Motsa, T. A. Msagati, T. T. Nkambule, Water SA, 46, No. 1, 131–140 (2020).L. Guan, Y. Tong, J. Li, S. Wu, D. Li, RSC Adv., 9, 11296–11304 (2019).L. Guan, Y. Tong, J. Li, S. Wu, D. Li, RSC Adv., 9, 11296–11304 (2019).W. X. Ji, Y. C. Tian, A. Li, X. M. Gu, H. F. Sun, M. H. Cai, S. Q. Shen, Y. T. Zuo, W. T. Li, Chemosphere, 308, No. 3, ID 136359 (2022).W. X. Ji, Y. C. Tian, A. Li, X. M. Gu, H. F. Sun, M. H. Cai, S. Q. Shen, Y. T. Zuo, W. T. Li, Chemosphere, 308, No. 3, ID 136359 (2022).L. Fu, L. Bin, J. Cui, D. Nyobe, P. Li, S. Huang, F. Fu, B. Tang, Sci. Total Environ., 722, 137895 (2020).L. Fu, L. Bin, J. Cui, D. Nyobe, P. Li, S. Huang, F. Fu, B. Tang, Sci. Total Environ., 722, 137895 (2020).T. Dai, L. Wang, T. Li, P. Qiu, J. Wang, H. Song, Environ. Geochem. Health, 45, 6693–6711 (2023).T. Dai, L. Wang, T. Li, P. Qiu, J. Wang, H. Song, Environ. Geochem. Health, 45, 6693–6711 (2023).J. Zhang, Y. Shao, H. Wang, G. Liu, L. Qi, X. Xu, S. Liu, Environ. Res., 195, 110843 (2021).J. Zhang, Y. Shao, H. Wang, G. Liu, L. Qi, X. Xu, S. Liu, Environ. Res., 195, 110843 (2021).J. Bayo, S. Olmos, J. López-Castellanos, Chemosphere, 238, 124593 (2020).J. Bayo, S. Olmos, J. López-Castellanos, Chemosphere, 238, 124593 (2020).Y. Wang, Y. Gao, T. Ye, Y. Hu, C. Yang, Environ. Res., 194, 110709 (2021).Y. Wang, Y. Gao, T. Ye, Y. Hu, C. Yang, Environ. Res., 194, 110709 (2021).J. Lan, L. Liu, X. Wang, X. Wu, Z. Wang, Environ. Sci. Poll. Res., 29, No. 49, 74579–74590 (2022).J. Lan, L. Liu, X. Wang, X. Wu, Z. Wang, Environ. Sci. Poll. Res., 29, No. 49, 74579–74590 (2022).Y. Y. Yuan, S. T. Wang, S. Y. Liu, Q. Cheng, Z. F. Wang, D. M. Kong, Spectrochim. Acta A, 228, 117801 (2020).Y. Y. Yuan, S. T. Wang, S. Y. Liu, Q. Cheng, Z. F. Wang, D. M. Kong, Spectrochim. Acta A, 228, 117801 (2020).P. Cazón, D. Cazón, M. Vázquez, E. Guerra-Rodriguez, Food Packag. Shelf Life, 31, 100791 (2022).P. Cazón, D. Cazón, M. Vázquez, E. Guerra-Rodriguez, Food Packag. Shelf Life, 31, 100791 (2022).M. R. Sururi, M. Dirgawati, S. Notodarmojo, D. Roosmini, P. S. Putra, A. D. Rahman, C. C. Wiguna, Environ. Sci. Poll. Res., 30, 37248–37262 (2022).M. R. Sururi, M. Dirgawati, S. Notodarmojo, D. Roosmini, P. S. Putra, A. D. Rahman, C. C. Wiguna, Environ. Sci. Poll. Res., 30, 37248–37262 (2022).M. Shigemitsu, K. Sasaoka, M. Wakita, T. Yokokawa, T. Hashioka, K. Arulananthan, A. Murata, Prog. Earth Planet. Sci., 11, No. 1, 22 (2024).M. Shigemitsu, K. Sasaoka, M. Wakita, T. Yokokawa, T. Hashioka, K. Arulananthan, A. Murata, Prog. Earth Planet. Sci., 11, No. 1, 22 (2024).Y. Dai, H. Wang, J. Wang, X. Wang, Z. Wang, X. Ge, Spectrochim. Acta A, 273, 121059 (2022).Y. Dai, H. Wang, J. Wang, X. Wang, Z. Wang, X. Ge, Spectrochim. Acta A, 273, 121059 (2022).Y. Xiong, W. Yang, H. Liao, Z. Gong, Z. Xu, Y. Du, W. Li, Chemom. Intell. Lab. Syst., 223, 104532 (2022).Y. Xiong, W. Yang, H. Liao, Z. Gong, Z. Xu, Y. Du, W. Li, Chemom. Intell. Lab. Syst., 223, 104532 (2022).D. Sun, L. Xie, Y. Zhou, Y. Guo, S. Che, Spectrosc. Spectr. Anal., 41, 2754–2758 (2021).D. Sun, L. Xie, Y. Zhou, Y. Guo, S. Che, Spectrosc. Spectr. Anal., 41, 2754–2758 (2021).X. Wu, X. Bian, E. Lin, H. Wang, X. Tan, Food Chem., 342, 128245 (2021).X. Wu, X. Bian, E. Lin, H. Wang, X. Tan, Food Chem., 342, 128245 (2021).F. J. Rodríguez-Vidal, M. García-Valverde, B. Ortega-Azabache, A. González-Martínez, A. BellidoFernández, J. Environ. Manag., 263, 110396 (2020).F. J. Rodríguez-Vidal, M. García-Valverde, B. Ortega-Azabache, A. González-Martínez, A. BellidoFernández, J. Environ. Manag., 263, 110396 (2020).N. M. Peleato, B. S. Sidhu, R. L. Legge, R. C. Andrews, Chemosphere, 172, 225–233 (2017).N. M. Peleato, B. S. Sidhu, R. L. Legge, R. C. Andrews, Chemosphere, 172, 225–233 (2017).U. J. Wünsch, J. K. Geuer, O. J. Lechtenfeld, B. P. Koch, K. R. Murphy, C. A. Stedmon, Mar. Chem., 207, 33–41 (2018).U. J. Wünsch, J. K. Geuer, O. J. Lechtenfeld, B. P. Koch, K. R. Murphy, C. A. Stedmon, Mar. Chem., 207, 33–41 (2018).S. Singh, R. K. Henderson, A. Baker, R. M. Stuetz, S. J. Khan, J. Membr. Sci., 421-422, 180–189 (2012).S. Singh, R. K. Henderson, A. Baker, R. M. Stuetz, S. J. Khan, J. Membr. Sci., 421-422, 180–189 (2012).J. Wasswa, N. Mladenov, W. Pearce, Environ. Sci.: Water Res. Technol., 5, No. 2, 370–382 (2019).J. Wasswa, N. Mladenov, W. Pearce, Environ. Sci.: Water Res. Technol., 5, No. 2, 370–382 (2019).Y. Li, X. Yuan, Z. Wu, H. Wang, Z. Xiao, Y. Wu, X. Chen, G. Zeng, Chem. Eng. J., 303, 636–645 (2016).Y. Li, X. Yuan, Z. Wu, H. Wang, Z. Xiao, Y. Wu, X. Chen, G. Zeng, Chem. Eng. J., 303, 636–645 (2016).X. Bai, W. Liang, J. Sun, C. Zhao, P. Wang, Y. Zhang, J. Environ. Manag., 308, 114527 (2022).X. Bai, W. Liang, J. Sun, C. Zhao, P. Wang, Y. Zhang, J. Environ. Manag., 308, 114527 (2022).Y. Yuan, B. D. Xi, X. S. He, Y. Ma, H. Zhang, D. Li, X. Y. Zhao, Environ. Sci. Poll. Res., 25, 13026–13034 (2018).Y. Yuan, B. D. Xi, X. S. He, Y. Ma, H. Zhang, D. Li, X. Y. Zhao, Environ. Sci. Poll. Res., 25, 13026–13034 (2018).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.