焦化废水生物出水中可溶解性有机物的分子识别

王琦，寇丽红，王冠宇，王吉坤，刘敏，李兰廷，王昊

（1 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3 国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

焦化废水经生化处理后，化学需氧量（COD）、色度和氨氮等水质指标大幅下降，但是仍不能达到排放标准[1-2]，其生物出水的COD 依然在180～500mg/L 之间[3]。因此，随着环保标准的日益严格[4]，焦化废水若要满足排放标准，其生物出水需进行深度处理[5-9]。可溶解性有机物是焦化废水的重要组成部分，很难被生化降解。由于可溶解性有机物的分子组成极为复杂，其分子组成仍处于未知状态，需要一种能更好地了解其分子组成的分离以及分析方法，为后续深度处理工艺的优化和改进提供理论依据。

紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）等分析手段仅能提供平均分子结构等宏观信息，难以从单体化合物的角度分析表征。胡记杰等[10]、张万辉等[11]、Chu等[12]利用GC/MS解析焦化废水有机物的组成，赖鹏等[13]、李登勇等[14]、任源等[15]、吴海珍等[16]、金鹏[17]、张伟等[18]利用GC/MS 分析焦化废水生物出水的有机物组分，但是由于GC/MS 仪器本身的限制，不适用于高极性和高沸点化合物的分析。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）具有高质量准确度和超高分辨率，配合电喷雾电离源（ESI）可以准确识别样品中的极性化合物，在分子层次上识别可溶解性有机物组成[19-22]。

为从分子层次揭示焦化废水生物出水中可溶解性有机化合物的组成，本文首先使用液液萃取将生物出水分为有机相和萃余相，然后对有机相进行四组分分离，根据四组分极性的不同，对极性较弱的饱和分和芳香分采用GC/MS 分析，对极性较强的胶质和沥青质采用ESI FT-ICR MS分析；萃余相极性强，用固相萃取法（SPE）得到SPE 洗脱物，并对洗脱物进行ESI FT-ICR MS分析。

1 实验部分

1.1 水样的采集保存及试剂耗材

水样取自河北迁安宏奥工贸焦化厂的焦化废水生物出水，生化工艺为A/O/O，COD在182～201mg/L 之间波动。一经取样，水样立即经过0.45µm 玻璃纤维滤膜过滤，并在4℃下黑暗处保存备用。

试剂包含甲苯（分析纯，上海国药集团）、正己烷（分析纯，上海阿拉丁）、乙醇（分析纯，北京化工厂）、二氯甲烷（分析纯，北京化工厂）、甲醇（分析纯，北京化工厂）、纯水（LC-MS级，国药集团）、浓盐酸（ACS 级，Merk，德国），标样SRFA（购自IHSS，USA）；耗材包含Waters C18固相萃取柱（500mg，6mL，美国）、Agilent Bond Elut固相萃取小柱（100mg、3mL）。

1.2 组分分离

水样分离及分析路线和水样分离步骤见图1。

图1 焦化废水生物出水的分离步骤及分析路线

（1）采用液液萃取，二氯甲烷作为萃取剂，将水样分离成有机相和萃取相。

（2）对于有机相，采用四组分分离，将油溶性有机物分成极性较弱的饱和分、芳香分和极性较强的胶质、沥青质。

（3）对于萃余相，采用固相萃取，富集水溶性有机物。

1.3 测定方法

（1）液液萃取 取800mL 水样分4次于500mL分液漏斗中进行液液萃取。萃取剂为二氯甲烷，重复萃取3 次，单次加入量依次为40mL、20mL、20mL。震荡时间为10min，静置20min。合并全部萃取液，旋蒸浓缩至2mL 左右后氮吹挥发溶剂，于4℃下黑暗保存。

（2）四组分分离 据《SY/T 5119—2016 岩石中可溶有机物及原油族组分分析标准》进行。向试样中加入适量正己烷静置沉淀12h后，过滤沥青质溶液。将滤液浓缩至2mL 左右，用作柱层析分离。在层析柱底部填塞少量脱脂棉，加入3g于200℃电热干燥箱中活化4h 的硅胶和2g 于400℃活化4h 的中性氧化铝，用正己烷润湿固定相。当润湿层析柱的正己烷液面接近固定相顶端界面时，将试样浓缩液转入层析柱，用30mL 正己烷淋洗，分出饱和分。当最后一次加入的正己烷液面接近固定相顶部界面时，用20mL 二氯甲烷与正己烷混合溶剂（体积比2∶1）淋洗出芳香分。当第一次加入的混合溶剂流进固定相约3mL 时，用少量正己烷冲洗层析柱出口后，取下承接饱和分的称量瓶，换上承接芳香分的称量瓶。当最后一次加入的混合溶剂液面接近固定相顶部界面时，依次用7mL 无水乙醇和10mL 二氯甲烷淋洗胶质。当无水乙醇流进固定相约3mL 时，用少量混合溶剂冲洗层析柱出口后，取下承接芳香分的称量瓶，换上承接胶质的称量瓶。将上述分离好的各族组分溶液挥发溶剂至恒重，称量，求得试样中各族组分的质量分数。

（3）固相萃取 依次使用10mL 甲醇和10mL酸化超纯水（pH=2，盐酸酸化）对PPL 小柱进行淋洗活化，同时除去柱子中可能存在的杂质。取20mL 萃余相用盐酸酸化至pH=2，以5mL/min 的速度通过PPL小柱，此时样品中的有机质将在柱子上吸附。水样完全通过后，使用10mL 酸化超纯水对PPL小柱进行淋洗以除去盐分。使用氮吹的方式将PPL小柱中的水分完全除去。用5mL甲醇对吸附于PPL小柱上的有机质进行洗脱，收集。氮吹挥发溶剂，于4℃下黑暗保存，直至分析。

（4）GC/MS 分析 使用仪器为Bruker SCION TQ气相色谱质谱联用仪。色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱（30m×0.25mm×0.25µm）；柱温：初温80℃保持1min，以10℃/min 升温至300℃，再以300℃保持30min；氦气作为载气，流速为1mL/min。EI离子源温度保持为250℃，电压为70eV，采集质量范围为35～500amu，每秒钟扫描2次。

（5）FT-ICR MS 分析 采用配备有Apollo II 电喷雾离子源的Apex-ultra 9.4 T FT-ICR 质谱（Bruker，德国）在负离子模式下进行分析。样品用甲醇稀释至100mg/L 左右，注射泵以250µL/h 注入电喷雾源。

ESI负离子模式下的条件为：发射电压4000V，毛细管引入电压4500V，毛细管末端电压-320V。ESI正离子模式下的条件为：发射电压-3000V，毛细管引入电压-3500V，毛细管端电压320V。两种模式下离子在源六级杆中的存储时间为0.001s，碰撞池累积时间为0.02s，从碰撞池引入回旋检测池的飞行时间为0.0011s，采集质量范围为150～1000Da，采样点数为4M，时域信号叠加次数为128次。质谱数据分析处理使用了内部软件进行分子式分配，FT-ICR MS 分析前采用标样SRFA 的含氧同系列化合物校准。选取FT-ICR MS 的谱图中信噪比（S/N）大于4 的质量峰输出到excel 数据表中，利用实验室自主开发的软件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 焦化废水生物出水的组分分布

焦化废水生物出水在液液萃取过程中出现乳化的情况。液液萃取过程使用800mL 水样，分离出35.2mg“油”，将分离出来的“油”作为有机相进行分析，其含量为44.0mg/L。萃余相经SPE富集水溶性有机物，其含量为15.2mg/L。

水样有机相四组分和萃余相的收率见表1，水样元素分析结果见表2。由表中数据可知，水样的有机相分离的组分中，含量最多的是沥青质，其次是胶质、芳香分，分离出的饱和分含量最低。有机元素结果中，水样碳元素含量较高，氢含量偏低，使得整体有较低的H/C原子比，说明样品中有机组分以多环化合物为主。

表1 有机相四组分和萃余相的萃取结果

表2 有机萃取物元素分析结果

2.2 饱和分和芳香分的GC/MS分析

有机相中饱和分的GC/MS 结果如图2和表3所示。从有机萃取相饱和分总离子流图中可以看出，生物出水的碳数在C12～C30均有分布。从有机萃取相饱和分种类和相对含量（表3）可以看出，饱和分中共检测到120种化合物，正构烷烃类和链烷烃类化合物相对含量接近80%，说明经生物处理后仍存在的可溶解有机物主要为一些分子质量较大的正构烷烃和链烷烃。

表3 有机萃取相饱和分种类和相对质量分数

图2 有机萃取饱和分总离子流图

有机相中芳香分的GC/MS 结果如图3和表4所示。从样品有机萃取相芳香分总离子流图中可以看出，芳香分中检测到34 种化合物，主要检测到较高含量的醇类、酯类和酚类化合物，其中酚类主要是苯酚的烷基取代物。

表4 有机萃取相芳香分种类和相对质量分数

图3 有机萃取相芳香分总离子流图

生物出水中含有大量的饱和烃以及芳香酚类物质。饱和分和芳香分的GC/MS 谱图中可以检测出苯酚、甲基苯酚、饱和烃类物质以及萘、菲、芘、屈类物质，饱和烃的谱图中可以鉴定出的有机质的种类主要为碳数为C12～C30的正构烷烃，芳香分中可检测到的物质主要是萘、菲、芘类化合物。酚类物质的存在对污水处理过程中的生化过程有较大的影响，这可能是造成后续污水处理过程中水质波动的原因之一。

2.3 胶质、沥青质和萃余相的ESI FT-ICR MS分析

结合ESI 源的高分辨质谱适于表征复杂体系中强极性化合物，焦化废水生物出水萃余相的极性强，有机相的胶质和沥青质也是强极性组分，因此适合用高分辨质谱进行分子层次表征，如图4。

图4 胶质、沥青质和SPE洗脱物-ESI FT-ICR MS质谱图

图4 为有机相中胶质、沥青质和SPE 洗脱物的-ESI FT-ICR MS质谱图。负离子ESI主要检测非碱性有机物。由图可知，胶质的分子量分布在150～450，沥青质在150～600 之间，沥青质较胶质的分子量更大。SPE洗脱物由于是萃余相中的有机质，以小分子的极性化合物为主，因此其质量主要分布在350以前。

由图5可知，正离子下检测到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共计5 类杂原子化合物，胶质和沥青质是生物出水DCM 萃取物柱分离的产物，DCM 萃取相的油溶性更强，因此其胶质和沥青质中有机质类型更加丰富。而与胶质相比，沥青质中有机物组成更加复杂，极性也更大，因此除了Ox类化合物外，NxOy类多杂原子的化合物丰度更加显著，且强极性的OxS1类化合物丰度也显著提高。SPE 洗脱物是DCM 萃余相中的有机质，其水溶性好，极性更强，因此以OxS1类为主。

图5 胶质、沥青质和SPE洗脱物-ESI FT-ICR MS化合物类型丰度图

图6为胶质组分中O1、O2和O3S1类化合物的碳数-DBE 点状图。因为横坐标为碳数，纵坐标为DBE，所以图中每个点都代表一个化合物分子式，而其点的大小则表示不同分子的相对丰度。通过DBE 值和对煤化工废水分子组成的认识，可以确定这些主要化合物分子的结构。

图6 胶质中主要化合物碳数-DBE点状图

胶质中O1类为长烷基侧链取代的苯酚类化合物，以C14丰度最显著，O2类化合物类型丰富。DBE=1 系列为长链脂肪酸，碳数分布为C10～C20；DBE=2 系列为烷基侧链取代的单环烷基羧酸，碳数集中分布于C15～C20；DBE=5系列为烷基侧链取代的单芳基羧酸，碳数集中在C15和C16；O3S1类化合物以DBE=4 系列为主，为烷基取代的苯磺酸（盐），碳数分布集中在C15～C20。

沥青质有机质组成比胶质有机质更加丰富，图7 为 沥 青 质 中O1、O2、O3S1、O4S1和N1O2的 碳数-DBE点状图。与胶质相同，沥青质O1类以DBE=4的长链烷基苯酚系列为主，O3S1以DBE=4 的烷基取代苯磺酸（盐）为主，它们的碳数分布范围也一致。对于O2类化合物，沥青质中则主要以DBE=1的长链脂肪酸为主，DBE=2和5的羧酸丰度则没有胶质中高。此外，沥青质中还存在丰富的OxS1和NxOy类化合物，图中展示了丰度较高的O4S1和N1O2类化合物。O4S1类以DBE=1和4的系列为主，分别为链烷基硫酸酯和烷基苯硫酸酯。N1O2类化合物的DBE 分布范围较宽，以DBE=7、10、13 和16 系列的丰度较为显著，它们分别对应于具有吲哚、咔唑、苯并咔唑和萘并咔唑的系列羧酸化合物（每多一个相邻的苯环，DBE值增加3）。

图7 沥青质中主要化合物碳数-DBE点状图

ESI 电离源具有负离子和正离子两种模式，可以从不同角度表征复杂体系中的极性有机化合物，与负离子ESI 不同，正离子ESI 主要检测碱性有机物。图8展示了有机相胶质、沥青质和SPE洗脱物的+ESI FT-ICR MS 质谱图。由图可知，胶质的分子量分布在200～700，质量重心在300 附近。沥青质质量分布在200～600 之间，分布中心在250 附近。SPE 洗脱物质谱图中出现了m/z=360 的杂质信号干扰，这是+ESI 分析过程中常见的杂质，由于m/z=360 的存在，目标有机质的信号被压制。要进一步分析不同组分的化合物分布特征，还需要对分析数据进一步处理。

图8 胶质、沥青质和SPE洗脱物+ESI FT-ICR MS质谱图

正离子ESI FT-ICR MS鉴定出的胶质、沥青质和SPE洗脱物中化合物相对丰度图如图9所示。正离子下检测到的化合物主要有Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS1共计5 类杂原子化合物，这5 类化合物除了Nx类外，其他化合物均有对应加Na+的分子出现，加Na+分子的出现也是正离子ESI 检测中常见的现象。与负离子ESI类似，胶质和沥青质中的化合物类型分布相似，且沥青质中的化合物更加丰富，SPE洗脱物种的化合物类型分布与胶质和沥青质差别较大。具体来说，胶质中OxS1类化合物最为丰富，其中O2S1类丰度最为显著，Ox类丰度分布仅次于OxS1类化合物，另外还存在一定丰度的N1类化合物；沥青质中依然以OxS1类化合物丰度分布最为显著，单O1S1类丰度超过O2S2类丰度而成为丰度最高的化合物类型。此外，Nx和NxOy类化合物丰度也比较显著，且以N1类化合物丰度最高；对于SPE 洗脱物，其OxS1和Ox类化合物的分布与胶质和沥青质相似，此外还含有丰度显著的N1Ox类化合物，其中N1O1类丰度最高。

图9 胶质、沥青质和SPE洗脱物+ESI FT-ICR MS化合物类型丰度图

3 结论

基于生物出水各组分宏观分布和分子组成分析结果可得到以下结论。

（1）饱和分中共检测到120种化合物，难降解有机物主要为一些分子质量较大的正构烷烃和链烷烃；芳香分中检测到34 种化合物，主要检测到较高含量的醇类、酯类和酚类化合物，其中酚类主要是苯酚的烷基取代物。

（2）胶质、沥青质和SPE 洗脱物分别检测到Nx、N1Ox、N2Ox、Ox和OxS15 类碱性有机物和非碱性有机物，胶质和沥青质中的化合物类型分布相似，且沥青质中的化合物更加丰富，SPE洗脱物的化合物类型分布与胶质和沥青质差别较大。根据碳数分布和DBE 值，分别得到了主要化合物分子的结构，为后续深度处理工艺的优化和改进提供了理论依据。