1 引言
焦化廢水是在煤的高溫干餾、煤氣凈化和回收及化工產品精制等過程中產生的一類典型的工業廢水，其中含有大量有毒物質，除氨、氰化物、硫氰化物、硫化物、氟化物等無機污染物外，還含有酚類、苯、多環芳烴及含氮、氧、硫的雜環化合物等有機污染物.張萬輝等采用液-液萃取輔以硅膠、氧化鋁凈化的方法，結合GC/MS分析技術，在焦化廢水中檢測到15類558種有機物，其中的很多組分表現出持久性有機污染物及環境內分泌干擾物的環境特征，對微生物有嚴重的抑制作用.多組分混合的焦化廢水，各種有毒有害污染物對微生物具有毒害/抑制作用，污染組分之間在生物降解過程中表現出拮抗作用導致焦化廢水的可生化性差，增強了焦化廢水的處理難度.綜上所述，焦化廢水是一類典型的高負荷、高污染、有毒/難降解工業廢水，焦化廢水的處理成為焦化行業發展的瓶頸問題.
要實現焦化廢水中污染物生物過程的高效去除，應首先從認識其中易/難降解組分開始，這是優化工藝，有效控制污染的基礎.但是目前關于焦化廢水易/難降解組分構成及其可生化性的研究較少，這些有限的研究主要集中在通過化學方法如催化濕式氧化，零價鐵工藝，Fenton 氧化)等改善焦化廢水的可生化性，難降解生物出水的深度處理，如電化學氧化法，吸附法，混凝法等，以及焦化廢水生物處理過程的毒性評估及削減.因此，目前亟需一種快速有效的預處理方法能夠將焦化廢水中復雜組分分離，明晰各組分的可生物降解特性，為后續靶向去除難降解組分提供依據.
工程實踐中不可能把最新分析方法確定的焦化廢水中15類558種有機污染物分離出來考察它們的生物降解性能，而且這些組分僅僅局限于相對低沸點的有機組分.樹脂吸附分級法使廢水中復雜組成的快速分離富集成為可能，它利用不同化學性質(極性)的有機物和樹脂的特異性吸附而實現有機物的分離，從而將構成復雜的水體分離為若干極性不同的部分.本研究為了探明焦化廢水中不同極性組分的生物降解性能優劣，采用DAX-8大孔吸附樹脂對韶鋼焦化廠二期工程廢水進行分級分離，運用紫外吸收光譜和三維熒光光譜等光譜學手段識別分離的組分并用兩種經典的方法評價其可生物降解特性，從而為實現靶向去除焦化廢水難降解組分和后續高效生物除碳過程提供理論依據.
2 材料與方法
2.1 試劑和儀器
主要儀器：UV2800紫外可見分光光度計(上海尤尼柯公司)，F-7000熒光光譜儀，微波閉式COD消解儀，島津TOC分析儀，溶解氧儀，RE-2000旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠)，TDL-5-A離心機(上海安亭儀器廠)，水浴鍋.
主要試劑：DAX-8樹脂(Supelite公司)，重鉻酸鉀，硫酸亞鐵銨，2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC，上海阿拉丁公司)，三羥甲基氨基甲烷乙酸鹽(Tris，上海阿拉丁公司)等試劑為市售分析純.pH 8.6 Tris-HCl：50 mL 0.1 mol · L-1 Tris加12.4 mL 0.1 mol · L-1 HCl，加水至100 mL，TTC-葡萄糖標準溶液：0.1000 g TTC與1.0000 g葡萄糖溶于100 mL容量瓶，棕色瓶保存，4 ℃下1周內可用.
2.2 試驗水質
水樣取自韶鋼二期焦化廠廢水處理工程的進水原水，水質指標統計結果如表 1所示(除pH外，其他單位均為mg · L-1).水樣采集分兩次進行，時間分別為2014年3月20日和2014年7月2日，取樣體積為2 L，水樣取回實驗室立即經0.45 μm玻璃纖維膜(GF/F)過濾后置于4 ℃保存，并及時進行后續分析.
表1 焦化廢水主要水質指標
?2.3 不同極性組分分離
參照Leenheer等(1981)提出的方法，采用DAX-8樹脂對經過0.45 μm玻璃纖維膜過濾后的焦化廢水進行組分分離，根據不同洗脫液和洗脫順序將焦化廢水中所含物質分離為4種不同極性成分，分別為疏水酸性物質(HOA)、疏水堿性物質(HOB)、疏水中性物質(HON)和親水性物質(HIS).其中HON是采用甲醇洗脫出來的，因此對此種組分的分析前先利用旋轉蒸發儀去除甲醇.
2.4 測定方法
COD的測定參照《水和廢水監測分析方法(第4版)》，TOC采用島津TOC 分析儀進行測定，BOD5采用稀釋接種法分3個不同稀釋倍數測定，其中溶解氧通過溶解氧儀測定，UV-Vis光譜的測定：將廢水稀釋10倍，使用UV-2800紫外可見分光光度計進行全波段掃描，波長范圍為200~700 nm，掃描間隔為0.5 nm.三維熒光光譜(3D EEMs)：將廢水稀釋50倍后調節pH值為7.0±0.2后，采用日立F-7000熒光分光光度計進行3D EEMs掃描.EEM參數設置：激發波長Ex為200~450 nm，發射波長Em為280~550 nm，掃描步長分別為5 nm和2 nm，激發和發射狹縫寬度為5 nm，PMT設為400 V，響應時間為自動方式，掃描光譜自動校正，掃描速度1200 nm/min，掃描間隔5 nm.此外，通過扣除蒸餾水的熒光光譜來排除拉曼散射，通過將Em ≤ Ex+5 nm和Em ≥ Ex+300 nm兩個三角區域的數據置零的方法來消除瑞利散射的干擾(Yao et al., 2011).
2.5 TTC-脫氫酶活性(DHA)實驗
污泥脫氫酶活性測定參照文獻方法(任源等，2007)：取適量污泥經5000 r · min-1離心、洗滌兩次，用超純水配制5 g · L-1污泥懸液作為實驗用菌液.將2 mL污泥懸液，2 mL pH 8.6 Tris-HCl，0.5 mL水樣和0.5 mL TTC-葡萄糖溶液依次加至50 mL具塞比色管，黑袋遮光38 ℃下水浴培養，1 h后停止，加入5 mL甲苯萃取并中止反應，5000 r · min-1離心30 min，測上層有機相A485.以單位時間(h)產生的TF質量作為一個酶活單位(U).為避免有機物濃度不同對實驗造成的干擾，參與測試的各水樣的TOC值均稀釋至相同水平，空白試驗則是用相同TOC當量的葡萄糖溶液代替水樣進行.
3 結果與討論(Results and discussion) 3.1 焦化廢水不同極性組分的有機物含量分布
焦化廢水中有機物種類豐富，目前已探知到焦化廢水中存在約15類558種有機污染物，實際工作中通過明晰每種有機物含量來表達廢水中有機物總量難以實現，通常采用COD和TOC來表征廢水有機物含量.由圖 1可知，焦化廢水中COD和TOC分別為(3104±138)mg · L-1和(1086±38.2)mg · L-1，其中HOA的COD、TOC含量占比最高，分別為55.9%和56.8%，HOB的COD，TOC占比較高，均為20.7%，而HON和HIS的COD、TOC占比較低，分別12.1%、11.9%和11.3%，10.6%.因此，HOA和HOB是焦化廢水的主要有機組分，Zhao等(2009)的研究也得出焦化廢水中的有機物主要為HOA和HOB，而張萬輝等(張萬輝等，2012b)的研究指出焦化廢水中的有機物主要為HIS和HOA組分，這可能是與煉焦過程的煤質、裂解溫度及工藝等因素不同造成的.另外，當廢水中的有機物完全被K2Cr2O7氧化時，COD/TOC理論值為2.67，而廢水的COD/TOC值為2.70.其原因是廢水中存在部分能被K2Cr2O7氧化的還原性無機物，如S2-，CN-，SCN-等而使得COD/TOC高于理論值.4種不同極性組分中HIS的COD/TOC值最高，為3.03，表明其中所含有的無機還原物質最多.
?圖1 焦化廢水及各組分的COD和TOC
3.2 紫外-可見吸收光譜分析
紫外-可見吸收光譜是從分子對紫外、可見光吸收的層面反映其特性，并可以通過吸收峰的識別和UV參數的分析揭示有機物分子結構方面的性質.由圖 2可知，原水的UV-Vis吸收光譜在200~400 nm存在較強的吸收帶，并且在200~250 nm之間和250~300 nm之間出現兩個較大的吸收峰，而在300~400 nm之間存在小的吸收平臺.根據紫外-可見吸收光譜的判斷準則(黃君禮和鮑治宇，1992)可知，焦化廢水中含有大量單環芳香族化合物和少量多環芳烴及雜環化合物.4種不同極性組分在200~400 nm均表現出不同程度的紫外吸收，且強度順序依次為HOA>HOB>HON>HIS，與有機物含量的分布表現出一致性.
?圖2 焦化廢水及各組分的紫外光譜圖
紫外吸收參數UV254和SUVA是用來反映廢水中不飽和物質和芳香性物質的參數(Pala and Erden， 2005).圖 3顯示，焦化廢水的UV254為(13.35±1.02)cm-1，表明廢水中含有大量不飽和芳香物質.4種不同極性組分中，HOA和HON的UV254分別占比43.1%和33.7%，說明這兩類物質是焦化廢水芳香性物質的主要貢獻者.SUVA則反映廢水中有機物的芳香構造化程度，是表達廢水芳香性的量化指標，也經常用來反映廢水的可生化性能(Yapsakli and ?e?en，2010).焦化廢水的SUVA值為(1.19±0.12)L · mg-1 · m-1，這與Park等(2009)報道的廢水SUVA值相近.根據Edzwald的分類標準(Edzwald，1993)，焦化廢水中的溶解性有機物中芳香族化合物構造較少，分子量也較低.4種不同極性組分中，只有HON的SUVA值高于原水，為(3.44±0.23)L · mg-1 · m-1，其余3種組分的SUVA值均低于原水，表明HON是焦化廢水中芳香結構有機物濃度相對最高的組分.
?圖3 焦化廢水及各組分的UV254和SUVA值
3.3 三維熒光光譜分析
三維熒光光譜與傳統化學分析方法相比，具有靈敏度高、操作簡便等優點，近幾十年來已經廣泛應用于環境水體和城市、工業廢水的溶解性有機物的檢測中，它是從有機物分子的另一光譜特性- - 熒光響應層面反映有機物結構和性質的變化.焦化廢水中有機物的種類繁多，結構復雜，內含有多種不同的熒光基團(具有低能量π→π* 躍遷的芳香結構或共軛生色團)，對焦化廢水中有機物的熒光光譜分析已被很多學者采納(Ou et al., 2014; Sun et al., 2008).
本研究對焦化廢水及分離出的4種極性不同的有機物進行3D EEMs掃描，各水樣的3D EEMs如圖 4所示.根據Coble 提出的“尋峰法”(Coble，1996)來識別熒光光譜，可以看出焦化廢水含有4個明顯不同的熒光峰，分別為峰A-類富里酸(λEx/Em=245/414 nm)，峰B1-類酪氨酸(λEx/Em =270/298 nm)，峰 B2-類酪氨酸(λEx/Em=210/298 nm)和峰T-類色氨酸(λEx/Em=235/356 nm)(Hudson et al., 2008; Coble，1996).其中熒光峰B1的強度最大，表明焦化廢水中類酪氨酸物質是主要的熒光團，而且類蛋白質的熒光強度顯著高于類腐殖質.4種親疏水性不同的組分中，HOA的整體熒光強度最高，它是焦化廢水熒光強度的主要貢獻者，這與焦化廢水中含有大量的熒光量子產率很高的酚類物質有關.熒光強度較高的是HOB和HON，熒光強度最低的是HIS，表明焦化廢水中親水性物質中熒光團數量最少，這與上述UV254和TOC的結果是吻合的.
?圖4 焦化廢水及各組分的三維熒光光譜
根據Chen等提出的熒光區域積分法(Chen et al., 2003)將圖譜劃分為5個區域，可以實現熒光光譜的定量分析.這5個區域分別為：Ⅰ區(Ex/Em=200~250 nm/280~330nm)為色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等類芳香族蛋白質;Ⅱ區(Ex/Em=200~250 nm/330~380 nm)為類芳香族蛋白質;Ⅲ區(Ex/Em=200~250 nm/380~550 nm)為類富里酸物質;Ⅳ區(Ex/Em=250~280 nm/280~380 nm)為類溶解性微生物代謝產物;Ⅴ區(Ex/Em=> 250 nm/380~550 nm)為類腐殖酸物質.從圖 4可以看出，焦化廢水的熒光峰主要位于Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ區，這與文獻報道相吻合(Zhao et al., 2009).考察焦化廢水及各組分不同熒光組分所占比例，對5個熒光區域進行積分.在眾多的研究中(楊賽等，2014; Yu et al., 2013; Cohen et al., 2014)生物處理對類腐殖質等芳香性物質低效甚至無效，因而類腐殖質被認為是難降解有機組分.從圖 5可以看出，焦 化廢水中熒光物質以Ⅳ區的類溶解性微生物代謝產物為主，其比例PⅣ達41.1%，該區域的熒光主要由酚類物質發射的，而類蛋白質占比P(Ⅰ+Ⅱ)和類腐殖質P(Ⅲ+Ⅴ)占比分別為27.9%和31.0%;四種不同極性組分中，類腐殖質占比由高到低依次為HON>HOB>HIS>HOA，P(Ⅲ+Ⅴ)值分別為46.3%，31.4%，25.18%和14.4%.可以得出HON和HOB中難降解有機組分比例高于原水，而HOA和HIS中難降解有機組分相對原水較少，因此HON和HOB可能是焦化廢水生物抑制強相關的有機組分.
?圖5 焦化廢水及各組分中5類熒光物質的相對含量
3.4 焦化廢水不同極性組分的可生物降解性
BOD5/COD是最常用到的評價廢水可生物降解性能的指標之一(Chamarro et al., 2001)，從圖 6可以看出焦化廢水的BOD5/COD值為0.39±0.06，表明焦化廢水可生物降解性能較差.4種不同極性組分中，可生化性由高到低依次為HOA>HIS>HOB>HON，BOD5/COD值分別為0.50±0.05，0.32±0.04，0.30±0.04和0.21±0.02.4種組分中只有HOA的BOD5/COD值高于原水，表明該組分屬于焦化廢水中易降解有機物，其余3種組分可生化性能均較原水差，尤其是HON，是導致焦化廢水可生化性差的關鍵組分.在廢水的生物處理中，有機物的氧化實質為脫氫過程.脫氫酶活性能較直接反映有機物氧化的生物化學過程本質，因此毒理學范疇的脫氫酶活性的抑制試驗被眾多學者用來考察廢水的生物毒性和可生物降解性能(Wang et al., 2014; Han et al., 2013).圖 6結果顯示，原水的TTC脫氫酶活性結果為(16.1±0.84)μg · h-1，相比空白((20.8±1.51)μg · h-1)脫氫酶活性抑制了22.6%，因此原水表現出一定的生物毒性.4種不同極性組分，對脫氫酶活性的抑制程度由強到弱依次為HON>HOB>HIS>HOA，相比空白分別抑制了38.5%，36.5%，24.0%和14.4%.焦化廢水及各組分對脫氫酶活性的抑制恰好與其BOD5/COD變化趨勢吻合，再次驗證了HOA是焦化廢水易降解組分，其余3種組分特別是HON為焦化廢水中生物降解強抑制組分.
?圖6 焦化廢水及各組分的BOD5/COD值及其對脫氫酶活性的抑制
另外，本研究中焦化廢水及各組分的SUVA的變化趨勢與可生物降解性能并不一致，表明焦化廢水中難生物降解組分并不都表現為芳香性化合物，非芳香性化合物比如雜環化合物，長鏈烷烴等都可能對微生物的降解產生抑制.而水樣的P(Ⅲ+Ⅴ)值(除HIS外)與廢水可生物降解性強烈相關，即類腐殖質為焦化廢水難降解組分的指示物.HIS中P(Ⅲ+Ⅴ)比原水低反而其可生化性較原水差的原因可能是親水性物質里含有的無機鹽份如S2-，CN-，SCN-等毒性成分對生物降解過程的抑制造成的，這又與前述分析廢水及各組分的有機物含量分布結果中指出HIS含有較多還原性物質的結論是一致的.因此可以得出P(Ⅲ+Ⅴ)相較于SUVA用來指示焦化廢水中難降解有機組分更加靈敏.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
4 結論(Conclusion)
焦化廢水作為典型難降解工業有機廢水，因其構成成分的復雜及有機物種類的繁多，難以用有效方法識別其中易/難降解組分.為了探明其中生物降解強抑制組分，采用DAX-8大孔樹脂成功將焦化廢水分離富集出了HOA、HOB、HON和HIS等4種極性不同的組分，其中HOA是主要的有機組分，同時也是主要的芳香物質及熒光組分，而HON是芳香構造化程度最高和類腐殖質占比最高的組分;各組分的BOD5/COD值及脫氫酶活性的抑制結果顯示HON、HOB和HIS是焦化廢水生物降解抑制組分，而以HON最甚，今后的研究可以針對這部分物質進行工藝調節及針對性處理單元的添加如靶向吸附功能材料的前端處理等.紫外吸收光譜，三維熒光光譜對焦化廢水中難降解有機物的識別及與可生物降解性關聯性分析指出了焦化廢水中難降解組分并不都是芳香性化合物造成的，類腐殖質熒光組分對焦化廢水難降解有機物的指示作用相比紫外吸光參數SUVA更加靈敏.
