1 引言
焦化废水是在煤的高温干馏、煤气净化和回收及化工产品精制等过程中产生的一类典型的工业废水，其中含有大量有毒物质，除氨、氰化物、硫氰化物、硫化物、氟化物等无机污染物外，还含有酚类、苯、多环芳烃及含氮、氧、硫的杂环化合物等有机污染物.张万辉等采用液-液萃取辅以硅胶、氧化铝净化的方法，结合GC/MS分析技术，在焦化废水中检测到15类558种有机物，其中的很多组分表现出持久性有机污染物及环境内分泌干扰物的环境特征，对微生物有严重的抑制作用.多组分混合的焦化废水，各种有毒有害污染物对微生物具有毒害/抑制作用，污染组分之间在生物降解过程中表现出拮抗作用导致焦化废水的可生化性差，增强了焦化废水的处理难度.综上所述，焦化废水是一类典型的高负荷、高污染、有毒/难降解工业废水，焦化废水的处理成为焦化行业发展的瓶颈问题.
要实现焦化废水中污染物生物过程的高效去除，应首先从认识其中易/难降解组分开始，这是优化工艺，有效控制污染的基础.但是目前关于焦化废水易/难降解组分构成及其可生化性的研究较少，这些有限的研究主要集中在通过化学方法如催化湿式氧化，零价铁工艺，Fenton 氧化)等改善焦化废水的可生化性，难降解生物出水的深度处理，如电化学氧化法，吸附法，混凝法等，以及焦化废水生物处理过程的毒性评估及削减.因此，目前亟需一种快速有效的预处理方法能够将焦化废水中复杂组分分离，明晰各组分的可生物降解特性，为后续靶向去除难降解组分提供依据.
工程实践中不可能把最新分析方法确定的焦化废水中15类558种有机污染物分离出来考察它们的生物降解性能，而且这些组分仅仅局限于相对低沸点的有机组分.树脂吸附分级法使废水中复杂组成的快速分离富集成为可能，它利用不同化学性质(极性)的有机物和树脂的特异性吸附而实现有机物的分离，从而将构成复杂的水体分离为若干极性不同的部分.本研究为了探明焦化废水中不同极性组分的生物降解性能优劣，采用DAX-8大孔吸附树脂对韶钢焦化厂二期工程废水进行分级分离，运用紫外吸收光谱和三维荧光光谱等光谱学手段识别分离的组分并用两种经典的方法评价其可生物降解特性，从而为实现靶向去除焦化废水难降解组分和后续高效生物除碳过程提供理论依据.
2 材料与方法
2.1 试剂和仪器
主要仪器：UV2800紫外可见分光光度计(上海尤尼柯公司)，F-7000荧光光谱仪，微波闭式COD消解仪，岛津TOC分析仪，溶解氧仪，RE-2000旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)，TDL-5-A离心机(上海安亭仪器厂)，水浴锅.
主要试剂：DAX-8树脂(Supelite公司)，重铬酸钾，硫酸亚铁铵，2，3，5-氯化三苯基四氮唑(TTC，上海阿拉丁公司)，三羟甲基氨基甲烷乙酸盐(Tris，上海阿拉丁公司)等试剂为市售分析纯.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-葡萄糖标准溶液：0.1000 g TTC与1.0000 g葡萄糖溶于100 mL容量瓶，棕色瓶保存，4 ℃下1周内可用.
2.2 试验水质
水样取自韶钢二期焦化厂废水处理工程的进水原水，水质指标统计结果如表 1所示(除pH外，其他单位均为mg · L-1).水样采集分两次进行，时间分别为2014年3月20日和2014年7月2日，取样体积为2 L，水样取回实验室立即经0.45 μm玻璃纤维膜(GF/F)过滤后置于4 ℃保存，并及时进行后续分析.
表1 焦化废水主要水质指标
2.3 不同极性组分分离
参照Leenheer等(1981)提出的方法，采用DAX-8树脂对经过0.45 μm玻璃纤维膜过滤后的焦化废水进行组分分离，根据不同洗脱液和洗脱顺序将焦化废水中所含物质分离为4种不同极性成分，分别为疏水酸性物质(HOA)、疏水碱性物质(HOB)、疏水中性物质(HON)和亲水性物质(HIS).其中HON是采用甲醇洗脱出来的，因此对此种组分的分析前先利用旋转蒸发仪去除甲醇.
2.4 测定方法
COD的测定参照《水和废水监测分析方法(第4版)》，TOC采用岛津TOC 分析仪进行测定，BOD5采用稀释接种法分3个不同稀释倍数测定，其中溶解氧通过溶解氧仪测定，UV-Vis光谱的测定：将废水稀释10倍，使用UV-2800紫外可见分光光度计进行全波段扫描，波长范围为200~700 nm，扫描间隔为0.5 nm.三维荧光光谱(3D EEMs)：将废水稀释50倍后调节pH值为7.0±0.2后，采用日立F-7000荧光分光光度计进行3D EEMs扫描.EEM参数设置：激发波长Ex为200~450 nm，发射波长Em为280~550 nm，扫描步长分别为5 nm和2 nm，激发和发射狭缝宽度为5 nm，PMT设为400 V，响应时间为自动方式，扫描光谱自动校正，扫描速度1200 nm/min，扫描间隔5 nm.此外，通过扣除蒸馏水的荧光光谱来排除拉曼散射，通过将Em ≤ Ex+5 nm和Em ≥ Ex+300 nm两个三角区域的数据置零的方法来消除瑞利散射的干扰(Yao et al., 2011).
2.5 TTC-脱氢酶活性(DHA)实验
污泥脱氢酶活性测定参照文献方法(任源等，2007)：取适量污泥经5000 r · min-1离心、洗涤两次，用超纯水配制5 g · L-1污泥悬液作为实验用菌液.将2 mL污泥悬液，2 mL pH 8.6 Tris-HCl，0.5 mL水样和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 ℃下水浴培养，1 h后停止，加入5 mL甲苯萃取并中止反应，5000 r · min-1离心30 min，测上层有机相A485.以单位时间(h)产生的TF质量作为一个酶活单位(U).为避免有机物浓度不同对实验造成的干扰，参与测试的各水样的TOC值均稀释至相同水平，空白试验则是用相同TOC当量的葡萄糖溶液代替水样进行.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 焦化废水不同极性组分的有机物含量分布
焦化废水中有机物种类丰富，目前已探知到焦化废水中存在约15类558种有机污染物，实际工作中通过明晰每种有机物含量来表达废水中有机物总量难以实现，通常采用COD和TOC来表征废水有机物含量.由图 1可知，焦化废水中COD和TOC分别为(3104±138)mg · L-1和(1086±38.2)mg · L-1，其中HOA的COD、TOC含量占比最高，分别为55.9%和56.8%，HOB的COD，TOC占比较高，均为20.7%，而HON和HIS的COD、TOC占比较低，分别12.1%、11.9%和11.3%，10.6%.因此，HOA和HOB是焦化废水的主要有机组分，Zhao等(2009)的研究也得出焦化废水中的有机物主要为HOA和HOB，而张万辉等(张万辉等，2012b)的研究指出焦化废水中的有机物主要为HIS和HOA组分，这可能是与炼焦过程的煤质、裂解温度及工艺等因素不同造成的.另外，当废水中的有机物完全被K2Cr2O7氧化时，COD/TOC理论值为2.67，而废水的COD/TOC值为2.70.其原因是废水中存在部分能被K2Cr2O7氧化的还原性无机物，如S2-，CN-，SCN-等而使得COD/TOC高于理论值.4种不同极性组分中HIS的COD/TOC值最高，为3.03，表明其中所含有的无机还原物质最多.
图1 焦化废水及各组分的COD和TOC
3.2 紫外-可见吸收光谱分析
紫外-可见吸收光谱是从分子对紫外、可见光吸收的层面反映其特性，并可以通过吸收峰的识别和UV参数的分析揭示有机物分子结构方面的性质.由图 2可知，原水的UV-Vis吸收光谱在200~400 nm存在较强的吸收带，并且在200~250 nm之间和250~300 nm之间出现两个较大的吸收峰，而在300~400 nm之间存在小的吸收平台.根据紫外-可见吸收光谱的判断准则(黄君礼和鲍治宇，1992)可知，焦化废水中含有大量单环芳香族化合物和少量多环芳烃及杂环化合物.4种不同极性组分在200~400 nm均表现出不同程度的紫外吸收，且强度顺序依次为HOA>HOB>HON>HIS，与有机物含量的分布表现出一致性.
图2 焦化废水及各组分的紫外光谱图
紫外吸收参数UV254和SUVA是用来反映废水中不饱和物质和芳香性物质的参数(Pala and Erden， 2005).图 3显示，焦化废水的UV254为(13.35±1.02)cm-1，表明废水中含有大量不饱和芳香物质.4种不同极性组分中，HOA和HON的UV254分别占比43.1%和33.7%，说明这两类物质是焦化废水芳香性物质的主要贡献者.SUVA则反映废水中有机物的芳香构造化程度，是表达废水芳香性的量化指标，也经常用来反映废水的可生化性能(Yapsakli and Çeçen，2010).焦化废水的SUVA值为(1.19±0.12)L · mg-1 · m-1，这与Park等(2009)报道的废水SUVA值相近.根据Edzwald的分类标准(Edzwald，1993)，焦化废水中的溶解性有机物中芳香族化合物构造较少，分子量也较低.4种不同极性组分中，只有HON的SUVA值高于原水，为(3.44±0.23)L · mg-1 · m-1，其余3种组分的SUVA值均低于原水，表明HON是焦化废水中芳香结构有机物浓度相对最高的组分.
图3 焦化废水及各组分的UV254和SUVA值
3.3 三维荧光光谱分析
三维荧光光谱与传统化学分析方法相比，具有灵敏度高、操作简便等优点，近几十年来已经广泛应用于环境水体和城市、工业废水的溶解性有机物的检测中，它是从有机物分子的另一光谱特性- - 荧光响应层面反映有机物结构和性质的变化.焦化废水中有机物的种类繁多，结构复杂，内含有多种不同的荧光基团(具有低能量π→π* 跃迁的芳香结构或共轭生色团)，对焦化废水中有机物的荧光光谱分析已被很多学者采纳(Ou et al., 2014; Sun et al., 2008).
本研究对焦化废水及分离出的4种极性不同的有机物进行3D EEMs扫描，各水样的3D EEMs如图 4所示.根据Coble 提出的“寻峰法”(Coble，1996)来识别荧光光谱，可以看出焦化废水含有4个明显不同的荧光峰，分别为峰A-类富里酸(λEx/Em=245/414 nm)，峰B1-类酪氨酸(λEx/Em =270/298 nm)，峰 B2-类酪氨酸(λEx/Em=210/298 nm)和峰T-类色氨酸(λEx/Em=235/356 nm)(Hudson et al., 2008; Coble，1996).其中荧光峰B1的强度最大，表明焦化废水中类酪氨酸物质是主要的荧光团，而且类蛋白质的荧光强度显著高于类腐殖质.4种亲疏水性不同的组分中，HOA的整体荧光强度最高，它是焦化废水荧光强度的主要贡献者，这与焦化废水中含有大量的荧光量子产率很高的酚类物质有关.荧光强度较高的是HOB和HON，荧光强度最低的是HIS，表明焦化废水中亲水性物质中荧光团数量最少，这与上述UV254和TOC的结果是吻合的.
图4 焦化废水及各组分的三维荧光光谱
根据Chen等提出的荧光区域积分法(Chen et al., 2003)将图谱划分为5个区域，可以实现荧光光谱的定量分析.这5个区域分别为：Ⅰ区(Ex/Em=200~250 nm/280~330nm)为色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等类芳香族蛋白质;Ⅱ区(Ex/Em=200~250 nm/330~380 nm)为类芳香族蛋白质;Ⅲ区(Ex/Em=200~250 nm/380~550 nm)为类富里酸物质;Ⅳ区(Ex/Em=250~280 nm/280~380 nm)为类溶解性微生物代谢产物;Ⅴ区(Ex/Em=> 250 nm/380~550 nm)为类腐殖酸物质.从图 4可以看出，焦化废水的荧光峰主要位于Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ区，这与文献报道相吻合(Zhao et al., 2009).考察焦化废水及各组分不同荧光组分所占比例，对5个荧光区域进行积分.在众多的研究中(杨赛等，2014; Yu et al., 2013; Cohen et al., 2014)生物处理对类腐殖质等芳香性物质低效甚至无效，因而类腐殖质被认为是难降解有机组分.从图 5可以看出，焦 化废水中荧光物质以Ⅳ区的类溶解性微生物代谢产物为主，其比例PⅣ达41.1%，该区域的荧光主要由酚类物质发射的，而类蛋白质占比P(Ⅰ+Ⅱ)和类腐殖质P(Ⅲ+Ⅴ)占比分别为27.9%和31.0%;四种不同极性组分中，类腐殖质占比由高到低依次为HON>HOB>HIS>HOA，P(Ⅲ+Ⅴ)值分别为46.3%，31.4%，25.18%和14.4%.可以得出HON和HOB中难降解有机组分比例高于原水，而HOA和HIS中难降解有机组分相对原水较少，因此HON和HOB可能是焦化废水生物抑制强相关的有机组分.
图5 焦化废水及各组分中5类荧光物质的相对含量
3.4 焦化废水不同极性组分的可生物降解性
BOD5/COD是最常用到的评价废水可生物降解性能的指标之一(Chamarro et al., 2001)，从图 6可以看出焦化废水的BOD5/COD值为0.39±0.06，表明焦化废水可生物降解性能较差.4种不同极性组分中，可生化性由高到低依次为HOA>HIS>HOB>HON，BOD5/COD值分别为0.50±0.05，0.32±0.04，0.30±0.04和0.21±0.02.4种组分中只有HOA的BOD5/COD值高于原水，表明该组分属于焦化废水中易降解有机物，其余3种组分可生化性能均较原水差，尤其是HON，是导致焦化废水可生化性差的关键组分.在废水的生物处理中，有机物的氧化实质为脱氢过程.脱氢酶活性能较直接反映有机物氧化的生物化学过程本质，因此毒理学范畴的脱氢酶活性的抑制试验被众多学者用来考察废水的生物毒性和可生物降解性能(Wang et al., 2014; Han et al., 2013).图 6结果显示，原水的TTC脱氢酶活性结果为(16.1±0.84)μg · h-1，相比空白((20.8±1.51)μg · h-1)脱氢酶活性抑制了22.6%，因此原水表现出一定的生物毒性.4种不同极性组分，对脱氢酶活性的抑制程度由强到弱依次为HON>HOB>HIS>HOA，相比空白分别抑制了38.5%，36.5%，24.0%和14.4%.焦化废水及各组分对脱氢酶活性的抑制恰好与其BOD5/COD变化趋势吻合，再次验证了HOA是焦化废水易降解组分，其余3种组分特别是HON为焦化废水中生物降解强抑制组分.
图6 焦化废水及各组分的BOD5/COD值及其对脱氢酶活性的抑制
另外，本研究中焦化废水及各组分的SUVA的变化趋势与可生物降解性能并不一致，表明焦化废水中难生物降解组分并不都表现为芳香性化合物，非芳香性化合物比如杂环化合物，长链烷烃等都可能对微生物的降解产生抑制.而水样的P(Ⅲ+Ⅴ)值(除HIS外)与废水可生物降解性强烈相关，即类腐殖质为焦化废水难降解组分的指示物.HIS中P(Ⅲ+Ⅴ)比原水低反而其可生化性较原水差的原因可能是亲水性物质里含有的无机盐份如S2-，CN-，SCN-等毒性成分对生物降解过程的抑制造成的，这又与前述分析废水及各组分的有机物含量分布结果中指出HIS含有较多还原性物质的结论是一致的.因此可以得出P(Ⅲ+Ⅴ)相较于SUVA用来指示焦化废水中难降解有机组分更加灵敏.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
4 结论(Conclusion)
焦化废水作为典型难降解工业有机废水，因其构成成分的复杂及有机物种类的繁多，难以用有效方法识别其中易/难降解组分.为了探明其中生物降解强抑制组分，采用DAX-8大孔树脂成功将焦化废水分离富集出了HOA、HOB、HON和HIS等4种极性不同的组分，其中HOA是主要的有机组分，同时也是主要的芳香物质及荧光组分，而HON是芳香构造化程度最高和类腐殖质占比最高的组分;各组分的BOD5/COD值及脱氢酶活性的抑制结果显示HON、HOB和HIS是焦化废水生物降解抑制组分，而以HON最甚，今后的研究可以针对这部分物质进行工艺调节及针对性处理单元的添加如靶向吸附功能材料的前端处理等.紫外吸收光谱，三维荧光光谱对焦化废水中难降解有机物的识别及与可生物降解性关联性分析指出了焦化废水中难降解组分并不都是芳香性化合物造成的，类腐殖质荧光组分对焦化废水难降解有机物的指示作用相比紫外吸光参数SUVA更加灵敏.