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焦化废水是一种有机质构成复杂、污染物分子结构特异的典型工业废水,已成为水污染控制中的一个难题,也构成了对生态环境及人类健康的严重威胁。由于分析技术的限制,对焦化废水水质构成特别是其中有机组分的存在类别缺乏全面认识,则目前采用的焦化废水控制指标不足以反映该类废水的污染特性。焦化废水中典型有机污染物认识的匮乏致使对污染物在处理工程中的转化过程及污染物质去除行为缺乏深入理解,导致污染控制工艺的选择带有盲目性,以致焦化废水污染依旧是该行业发展的制约因素。
本文在焦化废水常规指标分析的基础上应用XAD-8树脂根据极性将焦化废水中的有机物进行分离,考察各组分存在的化学图谱效应和种类构成;并以此建立固相萃取富集方法辅以硅胶/氧化铝分离技术,准确而又快速地对焦化废水中有机物进行全面分析;根据焦化废水中有机物存在的种类、分子结构和化学特性筛选出代表该类废水特性的典型有机污染物;以焦化废水中具有特殊分子构型的多环芳烃(PAHs)这类典型有机污染物作为研究对象,应用固相萃取和索氏抽提富集方法辅以GC/MS分析技术,定量化了该类典型有机污染物在焦化废水处理工程中的水相、颗粒相、污泥相和气相中的含量;应用质量衡算模型明确该类典型有机污染物的工程去向;在此基础上,考察该类物质的环境归趋,探究其存在的环境风险并讨论控制对策。
在所建立的分析条件下,约有15类558种有机污染物在焦化废水中被检出,其中高浓度有机物主要为亲水性物质和疏水酸性物质,如各种甲基取代的酚类物质。根据本文定义标准,将酚类、喹啉类、PAHs、有机腈等定义为焦化废水中典型有机污染物;在焦化生产过程中,该类典型污染物主要来自蒸氨过程。典型有机污染物中为代表的PAHs广泛存在焦化废水的原水、各级处理出水、焦化污泥和外排气中。PAHs在处理过程中主要分配在颗粒相内,最高分配值可达96%。高的分配值对PAHs在废水处理过程中的去除和去向发挥了重要作用,整个废水处理过程对水相PAHs的去除率可达97%以上;污泥吸附是该类物质去除的主要途径,例如高分子量PAHs通过污泥吸附去除的量可达76%。
研究发现污泥作为PAHs在废水处理过程中的主要环境去向,其中存在的PAHs可达160种,不乏一些含氮、氧、硫和羟基的组分。焦化污泥中PAHs含量最高可达6690 mg/kg,其中该类物质主要以4~5环芳烃为主,并且其组成具有煤燃烧源特征。焦化污泥的排放具有显著环境风险,生物处理技术将是未来消除其环境危害的主要途径。作为PAHs另一重要去向,处理工程的大气环境中发现约77种PAHs的存在,其总的浓度最高可达12960 ng/m3。其结果表明焦化废水处理工程是大气环境中PAHs新的排放源,且发现焦化废水处理工程操作单元大气中PAHs对操作工人存在致癌风险。
所实施的焦化废水水质构成的系统研究弥补了该领域的空白,为焦化废水的处理技术和系统工艺的研究提供了理论依据;焦化废水中典型有机污染物的识别,将有望成为废水处理系统运行新的参数和焦化废水污染控制新的指标,可作为焦化行业对水环境影响的示踪污染物;PAHs作为靶向污染物,有可能成为控制持久性有机污染物的技术引导;焦化废水处理工程外排水、外排泥和外排气中PAHs的浓度分布和毒性当量的研究阐明了废水处理工程的环境风险,为未来构建技术的全程无害化提供了发展方向。