焦化废水生化处理过程中溶解性有机物及毒性变化规律

何席伟，高洁，张徐祥，任洪强

(污染控制与资源化研究国家重点实验室，南京大学环境学院， 江苏 南京 210023)

当前，生态优先、绿色发展作为我国重大战略需求被写入“十四五”规划和2035年远景目标纲要。废水处理已无法满足于仅对化学需氧量(COD)、氮、磷等常规污染物的减排，对废水中特征污染物及废水的控制正在成为废水处理领域发展的趋势。

中国是世界焦炭第一生产和出口大国，焦炭年产量超过4.76亿t，约占世界焦炭产量的45%[1-2]。焦化废水是在煤焦化、煤气净化、液化和精炼等过程中产生的一种高负荷、难降解、高毒性有机废水[3-4]。据统计，2015年我国焦化废水产量高达2.93亿t[5]。巨量焦化废水的产生对废水处理及环境保护提出了严峻挑战。

焦化废水成分复杂，溶解性有机物(DOM)是其中的主要污染物。DOM是由具有多种官能团和分子大小的有机物组成的复杂混合物，其种类包括亲水性有机酸、类蛋白、类氨基酸、类腐殖酸以及碳水化合物等[6]。焦化废水中的DOM一方面能影响废水处理系统中微生物降解、污泥沉降、混凝、吸附和膜过滤等生化及理化过程[7]；另一方面，DOM中包含多种诸如酚类、杂环类、苯系物及多环芳烃(PAHs)等有毒特征污染物，是焦化废水毒性的主要来源[8]。生物法是焦化废水处理的主流方法，其中以基于厌氧-缺氧-好氧(A-A-O)工艺的生物处理方法联合混凝沉淀应用最为广泛[9]。研究表明，A-A-O联合混凝沉淀工艺能有效去除焦化废水中的COD、氨氮、总氮等常规污染物，但针对该废水处理过程中DOM的变化规律，以及工艺对废水毒性的削减效率的研究相对较少，仅有的少量相关研究也多基于单一污水厂的采样调研[10-13]，缺乏连续性。此外，由于A-A-O不同工艺段中微生物活性与功能存在差异，焦化废水DOM和毒性削减的关键工艺段也尚不清楚。因此亟需开展相关研究，以更全面地评估A-A-O联合混凝沉淀工艺在削减焦化废水DOM和毒性方面的处理效能。

光谱学技术因具有灵敏度高、选择性好、对样品无损伤等优点被广泛应用于废水DOM研究中[14]；而藻类和溞类生物因对毒性物质具有较高的敏感性被广泛应用于废水毒性评估中[15]。现选取国内4座典型采用A-A-O联合混凝沉淀工艺的焦化废水处理厂(CWWTP)作为研究对象，采集4座CWWTPs不同工艺段进、出水，通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)结合三维荧光光谱(3D-EEMs)分析等技术，研究处理系统中焦化废水DOM的变化特征；同时分别采用纤细裸藻(Euglenagracilis)和大型溞(Daphniamagna)急性毒性试验对沿程废水的生物毒性进行分析，全面评估解析焦化废水DOM及毒性在A-A-O联合混凝沉淀处理工艺中的变化规律，以期为焦化废水生化处理的效能优化和废水毒性控制及安全评估提供科学依据。

1 研究方法

1.1 样品采集与处理

选取国内4座典型CWWTPs(分别简称为GX、XZ、MN和MO)进行水样采集。4座CWWTPs隶属于不同焦化企业，主体工艺均采用生化法(A-A-O工艺)+深度处理(混凝沉淀)，其中，MO在深度处理之前增加了反硝化处理装置(后置A-O)。焦化废水处理后均直接排入附近受纳水体。各焦化废水处理厂基本信息见表1。

表1 焦化废水处理厂基本信息

于2018年4，7和11月对4座CWWTPs进行3次水样采集，采样点分别为废水处理厂进水(Inf)、厌氧池出水(A1)、缺氧池出水(A2)、好氧池出水(O)以及最终出水(Eff)。采样期间废水处理厂均处于稳定运行状态。所有采集的水样均用玻璃瓶密封避光保存并尽快运往实验室4℃冷藏，水样经0.45 μm滤膜过滤后用于后续总有机碳(TOC)、光谱学指标及急性毒性检测。

1.2 水样TOC测定

焦化废水TOC检测采用TOC/TN分析仪(Multi + N/C 3100, 德国Analytikjena)。测定原理为高温催化燃烧氧化法。

1.3 水样光谱学分析

1.3.1 紫外吸收参数和特征紫外吸光度测定

焦化废水紫外吸收参数(UV254)检测采用紫外可见分光光度计(UV-2800，美国UNICO)，以超纯水作为空白对照，扫描波长为254 nm，扫描间隔为0.5 nm。特征紫外吸光度(SUVA)的计算公式如下：

(1)

式中：SUVA——特征紫外吸光度，L/(mg·m)；UV254——紫外吸收参数，cm-1；TOC——总有机碳含量，mg/L。

1.3.2 三维荧光光谱(3D-EEMs)测定

焦化废水3D-EEMs检测采用荧光光谱分析仪(F7000，日本日立)，检测池为1 cm石英荧光样品池，光源为150W氨弧灯，激发波长(Ex)和发射波长(Em)分别为200～450 nm和200～600 nm，Ex和Em扫描间隔均为5 nm，扫描速度为1 200 nm/min，光电倍增管(PMT)电压为400 V。采用超纯水作为空白对照，室温下检测。

扫描得到的3D-EEMs原始数据采用Origin 8.5软件(美国Microcal)制成等高线图。三维荧光谱图采用平行因子分析法(PARAFAC)进行特征成分的提取。首先采用纯水样品进行拉曼散射剔除，同时将特定瑞利散射区域置零以消除瑞利散射的干扰。PARAFAC所用的算法为矩阵工厂(MATLAB)适用的N-way Toolbox内置程序DOMFluor工具箱(www.models.life.ku.dk)。按照基本程序进行PARAFAC分析，荧光强度以硫酸奎宁单位(QSE)进行标准化，通过折半检验和残差分析确定荧光组分的强度得分值Fmax。

1.4 水样急性毒性试验

1.4.1 纤细裸藻(Euglenagracilis)急性毒性试验

纤细裸藻购自中国科学院典型培养物保藏委员会淡水藻种库，采用Checcucci等[16]的培养基，于250 mL三角烧瓶中培养纤细裸藻，培养温度为(25±1)℃，光照强度为80～90 μmol/(m2·s)，光暗周期为12 h∶12 h，每天定时摇动并随机移动各瓶的位置。

纤细裸藻的急性毒性试验参照Peng等[17]的方法。对扩大培养约3 d的藻液用血球计数板进行计数(鲁哥氏碘液固定)，当藻浓度达到2×105个/mL时可用于染毒试验。将原藻液以4 000 rpm离心10 min，弃去上清，加入原体积1/10的培养基使藻液浓度浓缩至2×106个/mL。向24孔板中每孔中加入1.9 mL待测废水样品，每个水样设置3个平行，同时设置3个培养基对照和3个自来水对照，每孔接种100 μL浓缩的藻液，使藻终浓度为1×105个/mL。在原条件下染毒培养72 h，检测每孔藻液610 nm波长处吸光度，同时检测未接种藻的水样的吸光度作为本底值，以排除水样本身颜色对试验结果的干扰。

1.4.2 大型溞(Daphniamagna)急性毒性试验

大型溞为本实验室连续培养3代以上的单克隆品系，按照《大型溞急性毒性实验方法》(GB/T 16125—2012)[18]进行培养，并定期以重铬酸钾为参考物检验实验用溞的敏感性，符合敏感性要求(重铬酸钾24 h半数致死剂量EC50在0.6～2.1 mg/L)的大型溞可用于毒性试验。本试验采用出生6～24 h内的新生幼溞，共设置6个等梯度实验浓度组和1个曝气自来水对照组，每个浓度设置4个平行。暴露时间为24 h，实验期间不喂食，试验结束后，统计各组大型溞死亡率，确保对照组中大型溞死亡率≤10%，否则试验结果无效。

1.4.3 数据处理

急性毒性试验结果的处理采用SPSS 18.0软件中的概率元分析分别计算样品对纤细裸藻和大型溞的半最大效应浓度(EC50)，其结果以毒性单元TU值表示，计算公式如下：

(2)

式中：TU——毒性单元；EC50——半最大效应浓度，以水样的浓缩系数表示。TU值<1.0，毒性级别为微毒或无毒；TU值在1.0～2.0之间，毒性级别为低毒；TU值在2.0～10.0之间，毒性级别为中毒；TU值在10.0～100.0之间，毒性级别为高毒；TU值>100.0，毒性级别为剧毒。

2 结果与讨论

2.1 焦化废水TOC指标

采集的4座CWWTPs各处理工艺单元废水TOC含量见表2。由表2可见，从季节分布上看，GX、XZ、MN及MO各单元水样TOC在4，7和11月3次采样中无明显波动，指示焦化废水水质及各处理厂运行效果较稳定，受季节性影响较小。GX、XZ、MN及MO 3次采样的进水TOC质量浓度平均值分别为(2 464.5±335.4)，(1 163.5±212.9)，(1 166.4±82.8)及(1 204.9±119.3)mg/L。与其他厂相比，GX进水TOC含量明显较高，主要是因为GX焦化厂在前端的蒸氨阶段没有严格采取脱苯、脱油等前处理措施，使得处理厂收集到的蒸氨废水中有机物浓度较高。从整个工艺流程来看，焦化废水TOC始终随着生化处理的进行逐渐降低，但不同CWWTP各生化处理单元的TOC削减率存在差异，其中GX在A1和O段有较高的削减率(平均削减率分别为48.7%和74.2%)，XZ在A2和O段有较高的削减率(平均削减率分别为66.5%和71.6%)，而MN和MO仅在A2段有较高的削减率(57.0%和55.9%)。此外，混凝沉淀作为深度处理，对TOC的削减率也较高，平均削减率为79.0%。整个工艺的TOC总削减率为94.0%～98.8%，表明A-A-O生化工艺联合混凝沉淀深度处理能够有效去除焦化废水中的有机污染物。

表2 焦化废水处理厂各处理工艺单元废水TOC质量浓度 mg/L

2.2 焦化废水光谱学特征

2.2.1 UV254和SUVA

UV254可用来反映废水中含有的碳碳或碳氧双键的芳香性物质的含量[19]。焦化废水处理厂各处理工艺单元废水UV254见图1(a)(b)(c)(d)。由图1可见，焦化废水进水的平均UV254为(17.73±1.45)/cm，指示废水中不饱和芳香性物质较多。在4座CWWTPs中，GX进水的UV254最高,为(20.97±1.08)/cm，这与进水TOC的研究结果一致，已有研究表明，废水的UV254与TOC具有良好的相关性[20-21]，但GX进水UV254与其他3座废水处理厂的差距不及TOC明显。随着A-A-O处理工艺的进行，焦化废水UV254逐渐降低，表明其中的不饱和芳香性物质不断发生降解，其中A2和O段是UV254削减的关键段，削减率分别为59.3%和52.6%；同样，混凝沉淀处理能进一步削减好氧出水的UV254，最终出水的平均UV254降至(0.99±0.11)/cm，与进水相比的平均削减效率达到了94.4%，表明A-A-O工艺联合混凝沉淀能有效去除焦化废水中的不饱和芳香性物质。

SUVA是指示DOM的非腐殖质向腐殖质转化的一个重要参数[19]，可用来反映废水中有机物的芳香构造化程度，进而从侧面衡量废水的可生化性能[22]。焦化废水处理厂各处理工艺单元废水SUVA见图2(a)(b)(c)(d)。

由图2可见，不同季节采集的焦化废水SUVA值差异较小，表明水质较为稳定。在4座CWWTPs中，GX进水的SUVA值最低，指示其可生化性最好，这与该厂TOC的削减率结果一致(削减率为98.8%，高于其他3座CWWTPs)；4座CWWTPs进水的平均SUVA值为(1.17±0.03) L/(mg·m)，与徐荣华[22]报道的焦化废水SUVA值相近。根据前人研究，SUVA>4 L/(mg·m)，认为水中含有大量高分子疏水性芳香类化合物，如腐殖酸等，SUVA<3 L/(mg·m)，则表示水中溶解性有机物相对亲水，分子量小，芳香构造化程度较低[23]。由此可以看出，采集的4座CWWTPs废水总体呈现相对亲水、低分子量、可生化性较好的有机物特性，适合采用生化处理。值得注意的是，焦化废水的SUVA值在生化处理阶段保持相对稳定或呈微弱降低趋势，但经过深度处理之后显著上升，表明A-A-O工艺对焦化废水中有机物的亲疏水性和芳香构造化程度影响较小，而絮凝沉淀对废水中亲水性非芳香类物质有更高的去除能力。

图1 焦化废水处理厂各处理工艺单元废水UV254

2.2.2 三维荧光光谱

在3D-EEMs分析上，由于4座CWWTPs不同季节的水质较为稳定，故对各厂区3个季节水样的平均荧光强度进行表征，各工艺段进、出水3D-EEM谱图见图3。由图3可见，不同CWWTPs焦化废水的主要荧光区域基本一致，且随着处理工艺的进行，各部分荧光强度显著降低。

根据Chen等[24]提出的荧光区域积分法将图谱划分为5个区域，具体划分方式见表3。

图2 焦化废水处理厂各处理工艺单元废水SUVA

焦化废水各工艺段出水中5类荧光物质的相对含量占比情况见图4(a)(b)(c)(d)。由图4可见，对废水的5个荧光区域进行积分可以看出，焦化废水的荧光峰主要集中在Ⅰ、Ⅱ2个区域，其中类色氨酸(Ⅱ区)在焦化废水中占据主要地位，其在不同工艺段水样中的比例达到36.7%～43.9%，表明焦化废水中芳香族类化合物较多，这与前人报道的结果一致[23]。其次为类溶解性微生物代谢产物(Ⅳ区)，其比例随废水处理流程呈现不断降低的趋势，表明这类物质更容易被A-A-O工艺联合混凝沉淀去除；相反，类腐殖酸物质(Ⅴ区)的比例随废水处理流程呈现不断升高的趋势，尤其在最终出水中，比例高达约24%，类腐殖酸物质是典型的难降解有机物[22, 25-26]，这可能与最终出水SUVA的升高有关；相比之下，类富里酸物质(Ⅲ区)的占比及变化范围较小。

图3 焦化废水处理厂各工艺段进、出水3D-EEM谱图

表3 三维荧光谱图区域划分

三维荧光—平行因子分析(EEM-PARAFAC)可以定量表征废水中DOM荧光的变化[27]，为了定量分析焦化废水中的荧光组分，引入了PARAFAC分析工具。PARAFAC模型在焦化废水DOM中共识别出4类主要的荧光组分：C1(Ex：280～370 nm；Em：400～480 nm)，C2(Ex：260～280 nm；Em：330～380 nm)，C3(Ex：260～280 nm；Em：290～330 nm)，C4(Ex：250～260 nm；Em：400～460 nm)，其中，C1代表类腐殖酸类物质，C2为类色氨酸类物质，C3为类酪氨酸类物质，C4为类富里酸类物质，表明焦化废水中的DOM主要由这4类物质构成，这与荧光区域积分法得到的结果相似。DOM中各组分的荧光强度得分值Fmax被认为与相应荧光组分的浓度成正比[28]。焦化废水各工艺段进出水中荧光组分C1、C2、C3、C4的强度见图5(a)(b)(c)(d)。

由图5可见，4座CWWTPs中，GX进水的总Fmax最高，表明该厂进水中DOM含量显著高于其他3座CWWTPs，这与TOC的结果一致；4座CWWTPs进水中C2和C3的Fmax均值分别为(677.8±19.7) QSE和(400.9±16.6)QSE，远高于C1和C4组分的Fmax值[(94.6±7.1)和(79.2±5.3)QSE)]，表明焦化废水中DOM以类色氨酸和类酪氨酸物质为主，指示类蛋白质类物质在焦化废水中占据主导地位，这同样与荧光区域积分法得到的结果一致。C1、C2、C3和C4组分在A-A-O生化处理过程中逐渐降低，且C2、C3和C4降幅最明显的阶段为缺氧段和好氧段，好氧出水中3种荧光组分较进水的去除率分别达到(90.6±2.2)%，(87.5±2.3)%和(84.6±5.8)%，指示A-A-O工艺对焦化废水中类蛋白质物质和类富里酸物质具有较高的去除率；相比之下，类腐殖酸类物质(C1)

图4 焦化废水各工艺段出水中5类荧光物质的相对含量占比

在A-A-O工艺中的去除率较低，仅有(62.8±10.2)%，低于Xu等[29]报道的采用厌氧-好氧-水解-好氧(A-O-H-O)工艺对类腐殖酸类物质的去除率(78.0%)。在生化处理的基础上，絮凝沉淀深度处理可将焦化废水中的这几类物质进一步削减，其中对C3的去除率最高，为(69.8±9.5)%，其余依次为C2、C4和C1，去除率分别为(64.7±7.5)%，(47.8±18.7)%和(40.9±26.1)%。从进水到最终出水，C2,C3和C4的平均去除率分别为96.7%、96.3%和92.4%。相比之下，C1的平均去除率仅为79.3%。

图5 焦化废水各工艺段进出水中荧光组分C1、C2、C3、C4的强度

2.3 焦化废水毒性

2.3.1 纤细裸藻急性毒性

焦化废水的纤细裸藻急性毒性结果见图6(a)(b)(c)(d)。由图6可见，4座CWWTPs进水均能对纤细裸藻产生急性毒性，不同季节进水的藻毒性无明显差异，平均TU值分别为6.37±0.92，5.56±0.63，6.51±0.82和6.38±0.43，依据毒性分级标准，进水对纤细裸藻的毒性为中毒。在A-A-O联合混凝沉淀处理过程中，焦化废水藻毒性总体呈降低趋势，其中厌氧段是藻毒性削减的关键段，毒性削减率为46.1%～73.2%；经过缺氧段后，废水藻毒性出现升高现象，但进入好氧段后又逐渐降低，表明焦化废水经缺氧处理产生了一些具有更强藻毒性的代谢产物，而这些物质可被好氧降解，并且可被絮凝沉淀去除。从进水到出水，废水藻毒性的去除率为80.51%～82.34%，最终出水的纤细裸藻急性毒性TU值为0.93～1.23，处于微毒至低毒的临界状态，表明A-A-O工艺联合混凝沉淀对焦化废水的藻毒性具有良好的去除效果。针对焦化废水的藻毒性早期已有报道。王斯扬等[30]以斜生栅藻叶绿素a合成率为检测指标，发现焦化废水对其光合作用产生了显著的抑制作用；张瑛等[31]发现，与斜生栅藻、蛋白核小球藻以及海水小球藻相比，金鞭藻对于焦化废水毒性更为敏感。本研究以淡水中的纤细裸藻为模式生物对焦化废水的毒性进行评估，进一步丰富了焦化废水藻类毒性评估的数据库。

图6 焦化废水处理厂进水和各工艺单元出水纤细裸藻急性毒性

2.3.2 大型溞急性毒性

焦化废水的大型溞急性毒性结果见图7(a)(b)(c)(d)。

图7 焦化废水处理厂进水和各处理工艺单元出水大型溞急性毒性

由图7可见，4座CWWTPs中，GX进水的大型溞急性毒性最高，平均TU值为37.7±7.4，相比之下，XZ、MN和MO进水的大型溞毒性相对较低，平均TU值分别为26.1±3.2，30.2±2.9，28.6±3.5，表明相较于藻毒性，焦化废水的有机物含量对大型溞毒性的影响更大。依据毒性分级标准，4座CWWTPs进水的大型溞急性毒性均属于高毒，这与一些学者的研究结果相似[32]。在焦化废水处理过程中，大型溞急性毒性在厌氧段便得到显著降低，毒性削减率为80.2%～85.6%，表明厌氧处理可有效去除焦化废水中具有大型溞毒性的污染物，是大型溞急性毒性削减的关键段，这与藻毒性的削减规律相似；相比之下，后续各处理段的毒性削减率较低，最终出水的大型溞急性毒性较进水削减了89.8%～94.3%。虽然总体上A-A-O工艺联合絮凝沉淀处理对焦化废水的大型溞急性毒性有较高的削减率，但出水的TU值为1.8～3.1，仍表现为低毒至中毒。那春红等[33]也报道了A-A-O处理可有效削减焦化废水的大型溞急性毒性，并且经过A-A-O-臭氧氧化组合工艺和A-A-O-Fenton组合工艺处理后，焦化废水的大型溞急性毒性可降至无毒。石柳等[5]发现，虽然A-A-O处理后的焦化废水出水不具有显著的急性毒性，但仍可对大型溞造成氧化损伤。

2.4 相关性分析

为建立焦化废水DOM与毒性之间的潜在关联，对焦化废水的TOC、荧光指标和毒性指标进行Pearson相关性分析。焦化废水毒性及溶解性有机物指标间的相关关系见表4。

表4 焦化废水毒性与溶解性有机物指标间的Pearson相关关系

由表4可见，除了SUVA外，TOC和荧光指标均与毒性指标间存在显著正相关性，其中藻急性毒性与荧光组分C1和C4与的相关性最高，相关系数r均为0.71；大型溞急性毒性与C4的相关性最高，相关系数r为0.76。这些结果表明，焦化废水的毒性削减与DOM削减存在较好的一致性，指示废水中的有机组分是引起废水毒性的关键。关于废水毒性和化学指标的关联性，前期也有研究发现，在医药废水、抗生素废水和颜料废水等工业废水中，COD、TOC等常规化学指标与发光菌或大型溞急性毒性指标间存在显著正相关性[34-36]。随着废水毒性控制越来越受到关注，对废水毒性特征的快速准确分析是未来发展的必然趋势，而焦化废水的TOC、荧光组分C1和C4可作为其急性毒性的指示性指标，在大规模水样毒性初筛中发挥一定作用。

3 结论

通过对多个焦化废水处理厂的持续调研，系统评估了A-A-O工艺联合混凝沉淀处理在焦化废水DOM去除及毒性削减上的性能，为指导以焦化废水无害化处理为目标的工艺优化提供了科学依据。主要研究结论如下：

(1)焦化废水水质较稳定，随季节波动较小。焦化废水中含有大量不饱和芳香性物质，可生化性良好，其中类色氨酸和络氨酸物质在焦化废水中占主导，其次为类溶解性微生物代谢产物、类富里酸物质和类腐殖酸类物质。A-A-O生化处理联合混凝沉淀可去除90%以上的类色氨酸、络氨酸和类富里酸物质，关键去除段为缺氧段和好氧段，但对类腐殖酸类物质去除率相对较低，仅为约80%。

(2)未经处理的焦化废水可对水生生态系统中不同营养级生物(藻类和大型溞)产生急性毒性，毒性等级为中毒至高毒；在A-A-O生化处理过程中，焦化废水急性毒性总体呈不断下降趋势，其中厌氧段为急性毒性削减的关键段，整体工艺对急性毒性的削减率可达80.51%～94.30%。焦化废水经A-A-O生化处理后仍对不同营养级生物具有微毒至中毒等级的急性毒性，表明为确保废水的安全排放，仍需对其进行进一步深度处理。与焦化废水的纤细裸藻急性毒性相比，废水的大型溞急性毒性总体更高，表明大型溞对焦化废水的毒性更为敏感，适合作为检测焦化废水急性毒性的模式生物。

(3)焦化废水中的DOM与废水急性毒性总体呈现良好的相关性，其中废水TOC、代表类腐殖酸类物质的荧光组分C1和代表类富里酸类物质的荧光组分C4与废水藻类急性毒性和大型溞急性毒性间存在显著正相关关系，可作为焦化废水急性毒性的指示性指标，用于大规模水样急性毒性评估的初筛。