焦化廢水處理中溶解性有機物的特性
焦化廢水是原煤高溫干餾、煤氣凈化和化工副產品回收和精制過程中產生的工業(yè)廢水，成分復雜，污染物含量高，毒性大，是一種典型的難降解工業(yè)廢水。
而要實現(xiàn)對焦化廢水的高效處理，就需要對焦化廢水中的成分有全面的認識，這是靶向優(yōu)化工藝、實現(xiàn)有效控制污染的基礎。目前，常采用化學需氧量COD、生物需氧量BOD、氨氮、總有機碳以及總氮等指標實現(xiàn)對焦化廢水污染程度的定量分析，這些指標主要用于廢水處理過程中的質量控制以滿足達標要求，均難以揭示溶解性有機物的來源以及特征污染物在廢水處理過程中的變化。
目前，已有部分針對焦化廢水溶解性有機物特征的具體研究。例如張萬輝等人采用液液萃取輔以氧化鋁硅膠凈化的方法，并結合GC-MS分析技術，在焦化廢水中檢測到15類558種有機物。相較于COD、BOD等常規(guī)指標的研究，這種考察較為全面，但仍僅限于GC-MS能夠分析的低沸點成分；賀潤生等和徐榮華等采用紫外可見、紅外光譜以及熒光光譜等分析手段分別對焦化廢水的原水和最終出水的溶解性有機物特征進行了較為全面的研究，林沖等人則通過溶解性有機物的特征研究對臭氧流化床處理焦化廢水的工藝效果進行評價。
現(xiàn)階段的研究通常集中于對焦化廢水進出水污染物的分布情況，而對廢水處理過程中溶解性有機物(DOM)去除情況涉及較少。本文選取焦化廢水處理的典型工藝A/O工藝，通過紫外、紅光、熒光光譜表征研究污染物特性的變化，以期從新角度揭示焦化廢水的凈化機制和存在的問題，從而為實現(xiàn)廢水處理技術的優(yōu)化提供依據。
1、實驗部分
1.1 樣品采集
焦化廢水以及各處理工段出水于2015年11月中旬取自河北省邯鄲市某焦化廠廢水處理系統(tǒng)，原水主要來自蒸氨廢水和煤氣水封水，此外還含有少量生活廢水。廢水處理系統(tǒng)的生化主體工藝為A/O工藝，取樣位置包括調節(jié)池、氣浮池、缺氧池、好氧池、二沉池以及混凝沉淀池出水口，每工段多點采樣后收集混合，所取水樣按照工段分別標號為a、b、c、d、e、f。水樣取回后經0.45μm濾膜過濾，濾液立即放入4℃冰箱保存，并盡快完成相關指標分析。
1.2 分析方法
COD的測定采用快速消解法；氨氮的測定采用電極法；DOC的測定采用日本島津TOC-VCPH型總有機碳分析儀。
紫外光譜分析采用Labtech的UV8100型紫外－可見分光光度計。將水樣用超純水稀釋200倍保證所得光譜曲線處于線性區(qū)間內，以超純水為參比進行紫外－可見光譜掃描。掃描波長范圍為190～600nm，掃描間隔為1nm，樣品池為1cm的石英比色皿。
傅立葉變換紅外光譜(FT-IＲ)掃描采用PerkinElmer400型紅外光譜儀。測試前參照文獻對樣品進行預處理:取水樣10mL冷凍干燥48h成粉末，以空白樣品建立光譜基線，薄膜法制備樣品，然后取樣掃描記錄光譜數(shù)據。
三維熒光光譜掃描采用日本日立的U-4100＆F7000型熒光光度計，測試前將樣品稀釋5000倍，以超純水為空白水樣，進行三維熒光光譜掃描。熒光光譜測定條件為:激發(fā)光源為150W氙燈，PMT電壓為700V，發(fā)射波長掃描范圍λEm為280～550nm，激發(fā)波長掃描范圍λEx為220～400nm，掃描間隔為5nm，掃描速度為30000nm/min。將樣品的熒光光譜減去超純水的熒光光譜以去除拉曼散射，并將瑞利散射置0。
2、結果與討論
2.1 水質參數(shù)
焦化廢水處理過程中COD、DOC、氨氮和UV254的變化如表1所示。可以看出:經過氣浮、缺氧、好氧、混凝處理以后，這幾種主要污染物指標均實現(xiàn)了80%以上的去除。其中A/O工段對污染物的去除效率最高，對這幾類污染物的去除均能達到50%以上。
2.2 紫外－可見吸收光譜分析
紫外－可見吸收光譜是通過分子對紫外、可見光的吸收特點來反映其特性(如芳香性等)，通過對吸收峰識別以及UV參數(shù)的判斷能夠對待測樣品進行初步定性。焦化廢水處理過程的DOM紫外吸收光譜如圖1所示。
焦化廢水原水以及氣浮池出水在190，220，270nm處有3處較明顯的吸收峰，對應著芳香族化合物的3個特征吸收峰，表明焦化廢水中的主要有機物為芳香族化合物；這3個吸收帶相比于苯的E1帶λmax=184nm、E2帶λmax=204nm、B帶λmax=255nm均發(fā)生了紅移，表明焦化廢水中的芳香族化合物多較苯環(huán)具有更大的共軛體系，即苯環(huán)與給電子基團連接成為多環(huán)化合物。經過生物處理，紫外光譜的吸收峰強度大大減弱，這可以表明，生化處理對焦化廢水的有機物有一定的削減作用。有研究表明，焦化廢水中存在的苯酚、含氮雜環(huán)類、苯胺類等經過生物處理后基本能夠得到完全降解。
其他紫外吸收參數(shù)也能夠從一定程度上反映廢水中溶解性有機物的特征。紫外吸收參數(shù)UV254能夠反映包括芳香族化合物在內的具有不飽和雙鍵結構的物質，UV254值越高代表溶液中的不飽和物質越多；SUVA(SUVA=UV254×100/DOC)值可以反映有機物的芳香度，SUVA值越高代表溶液中的芳香族物質含量比例越高，因此SUVA也可以反映廢水的可生化性能。SUVA和UV254的變化情況如圖2所示。可以看出:焦化廢水在處理過程中UV254的值總體在降低，其中厭氧段對UV254的去除效果最好，高達84%，。而SUVA總體呈上升趨勢，說明廢水處理過程中芳香構造化不斷增大，表明焦化廢水處理過程中難降解物質多為芳香族化合物，YiHuang等人的研究結果也驗證了這一點。
此外，還有其他參數(shù)等也能夠解釋廢水中DOM的組成特征:A254/A365與有機物分子量呈負相關；A253/A203能夠指示苯環(huán)上的取代基的類型，數(shù)值越低，取代基越趨于飽和；A300/A400能夠反映廢水的腐殖化程度，比值越小，腐殖化程度越高。以上參數(shù)的數(shù)值見表2。從表中數(shù)據可以得知:經過氣浮、A/O、混凝工藝，焦化廢水中的DOM分子量先增大后降低，苯環(huán)上的取代基逐漸趨于飽和，腐殖化程度先升高后降低。
2.3 傅立葉變換紅外光譜分析
紅外光譜是由于分子振動能級(同時伴隨轉動能級)躍遷產生，根據譜帶的波數(shù)位置、波峰數(shù)目及強度，能夠反映分子結構信息。焦化廢水處理過程中的紅外光譜如圖3所示。
基于文獻資料，對各工段廢水的紅外譜圖中主要特征吸收峰及其可能代表的物質進行分析，得到表3。
1)3650～3200cm－1的吸收峰是O―H的伸縮振動產生的，可判斷廢水中存在醇類、酚類或有機酸類，根據以往文獻資料對焦化廢水中有機物的分析，此處的吸收峰很可能來源于廢水中存在的酚類物質。從峰強度可以看出，隨著廢水處理的進行，這類物質不斷減少；
2)與其他工段出水不同，調節(jié)池出水和浮選池出水均在2069cm－1處存在強吸收峰，根據標準譜圖以及以往研究可以初步判斷此峰來源于廢水中的硫氰化物，但在生化處理后，幾乎看不到這一特征峰，證明厭氧工段對硫氰化物的去除極為有效；
3)進入二沉池之前的廢水均在1617cm－1存在較強的吸收峰，此吸收峰屬于CC或CO區(qū)，鑒于以往研究結果，可初步判斷，此處的吸收峰來源于廢水中存在的芳香族化合物的CC骨架振動，隨著處理過程的進行廢水中芳香族化合物逐步遷移轉化；
4)除混凝沉淀池出水以外，其他工段出水均在1380～1410cm－1存在中等強度吸收峰，此區(qū)域屬于C―N伸縮振動響應區(qū)，表明廢水中存在含量較高的含氮化合物，并且在處理全過程中含量均維持在較高狀態(tài)，直至生化處理以后含量才有所下降；
5)各工段出水均在1140cm－1處存在較強的吸收峰，這可能來自C―C單鍵、C―O單鍵、C―N單鍵等的伸縮振動，此吸收峰峰強變化很小；
6)996～997cm－1處的峰為烯烴中=C―H的變形振動峰，在處理過程中，該峰峰強先增大后減小，最后在混凝出水中幾乎消失，這可能是由于一些環(huán)狀化合物在生物處理過程中開環(huán)斷裂成含雙鍵的直鏈分子，后在混凝過程中與Fe3+的水解產物吸附得到去除。
縱觀焦化廢水處理全過程，焦化廢水的FT-IＲ譜圖變化主要體現(xiàn)在3450～3420，2069，1625～1615，1146～1139cm－1等處，分析表明，吸收峰是焦化廢水DOM的主要官能團的響應信號，因此可以認為FT-IＲ圖譜能夠在一定程度上揭示焦化廢水組成以及轉化過程。
2.4 三維熒光光譜分析
三維熒光光譜是通過改變激發(fā)波長來獲得一系列的熒光發(fā)射光譜，能夠表示熒光強度隨激發(fā)和發(fā)射波長同時變化的信息。不同的熒光物質具有不同的熒光強度和不同位置的特征熒光峰，從而能夠反映有機分子的類別、性質來源等信息。焦化廢水處理過程中各工段出水的三維熒光光譜圖如圖4所示。
根據文獻資料，在焦化廢水處理各工段的三維熒光光譜圖上可以辨別出以下主要熒光峰:A類富里酸(Ex/Em=237～260/400～500nm)、B1類酪氨酸(Ex/Em=270/310nm)、T1類色氨酸(Ex/Em=280/340nm)、T2類色氨酸(Ex/Em=225～237/340～380nm)以及C類腐殖物(Ex/Em=300～370/400～500nm)，各熒光峰的位置與強度如表4所示。
在廢水處理過程中，各熒光峰的強度總體都呈下降趨勢，但廢水經過好氧處理后，代表類色氨酸物質T1、T2峰的峰強均大幅度提高，引起增長的物質可能為好氧體系中微生物分泌或細胞溶胞產生的SMP(soluble microbial products)，這類物質通常具有較大分子量，這一點在紫外參數(shù)A254/A365的數(shù)值上也有一定體現(xiàn)；且焦化廢水中含有大量的酚類物質，以酚類物質為底物的生物降解會產生大量的SMP物質，這也證明了引起T1、T2峰強增高的物質極有可能來自SMP。但經過混凝沉淀后，這類物質T1、T2的峰強隨即降低，說明混凝對SMP的去除有較好的效果:混凝處理工藝中的Fe3+的水解產物能夠產生壓縮雙電層、吸附架橋以及電荷中和作用，能夠與膠體或相對分子質量較大的有機物如SMP結合，實現(xiàn)SMP的有效去除。除T1、T2峰以外，各工段出水的其他熒光峰A、B1、C的峰強均在處理過程中逐步下降，其中好氧段對這幾處熒光峰代表的污染物質的削減最強。
此外，熒光指數(shù)FI是一種判別水體中DOM來源的指標，是指激發(fā)波長為370nm時，發(fā)射波長分別為450nm和500nm處熒光強度之比，過FI數(shù)值大小的比較可以判斷水體中DOM微生物來源比例的多少。廢水處理過程中各工段的FI值如表4所示。可以看出:在二沉池之前，焦化廢水的熒光指數(shù)FI一直在升高，尤其是好氧池，其FI指數(shù)達到7.08，說明此時廢水中很大一部分DOM來自微生物活動，進一步證實了廢水中存在生物源DOM。
3、結論
紫外圖譜表明焦化廢水中含有較高含量的芳香族化合物，并且隨著廢水處理的進行，不斷升高的SUVA表明芳香族化合物在DOM中的比例不斷升高，這說明芳香族化合物在A/O處理工藝中較難降解。
焦化廢水處理過程中的紅外譜圖變化，1617cm－1左右由芳香族化合物骨架振動引起的吸收峰證實焦化廢水中存在大量的芳香族化合物，經過廢水處理過程得到一定去除，但在最終出水中仍能觀察到此峰，說明出水中存在部分難降解的芳香族化合物；2069cm－1處的吸收峰表明焦化廢水中存在一定量硫氰化物，并且硫氰化物在進入生化系統(tǒng)后很快被基本去除，說明硫氰化物是易被生物降解的污染物。
焦化廢水的熒光光譜上可以分辨出5個主要的熒光峰，分別代表類腐殖物、類富里酸、類蛋白質，經過處理，各熒光峰峰強均有效下降；但FI指數(shù)的變化以及T1、T2峰強度變化，均可證明在好氧處理過程中，微生物代謝活動會產生大量SMP從而造成水體DOM含量的突然增高。
縱觀整個焦化廢水處理過程，預處理采用的氣浮工藝對常見污染物有一定的去除效果，尤其是COD的去除，可以達到24%以上；厭氧處理工藝則對氰化物、氨氮以及TOC有很好的去除效果，去除率均可以達到50%以上；而好氧過程對類富里酸以及類酪氨酸的去除較為有效，但于此同時也產生了大量溶解性微生物產物，一定程度上貢獻了出水污染物的含量；混凝沉淀工藝對各類污染物的去除都起到了一定效果，尤其是水中存在的小分子有機物。但整體來看，焦化廢水的處理過程還需要結合更為有效的生化工藝以及深度處理工藝針對難降解有機物以及溶解性微生物產物進行去除，實現(xiàn)焦化廢水的高效處理。（來源：中國科學院過程工程研究所環(huán)境技術與工程研究部，北京市過程污染控制工程技術研究中心，青海江倉能源公司，環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心）