CN105136955B

CN105136955B - 一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法

Info

Publication number: CN105136955B
Application number: CN201510574146.1A
Authority: CN
Inventors: 梁淑轩; 王靖飞; 秦哲; 田在峰; 马珂; 康全影; 赵中庆; 马雄飞; 荣楠
Original assignee: HEBEI INSTITUTE OF ENVIRONMENTAL SCIENCE; Hebei University
Current assignee: HEBEI INSTITUTE OF ENVIRONMENTAL SCIENCE; Hebei University
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: CN105136955A

Abstract

本发明公开了一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其步骤包括：废水水样过滤、过固相萃取柱；过柱后得水样A和富集在固相萃取柱上的有机物B，经过液液萃取或梯度洗脱，将得到的样液进行摇床降解性实验，筛选难降解样品；将难降解样品混合后进行定性识别，对识别出的化合物的难降解性进行拓扑验证。本发明利用分级分离技术将不同极性的化合物分开，筛选难降解组分来降低样品的复杂性，通过气质联用系统来定性识别潜在难降解的有机污染物质，弥补了传统非目标性化学分析无法得到混合体系中难降解有机污染物的不足，其筛选分辨率高、准确度高、信息量大，使得难降解物质鉴别更加便捷可靠。

Description

一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体地说是一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法。

背景技术

我国作为一个工业大国，工业企业快速发展的同时产生了大量的工业废水。据不完全统计，我国每年平均排放工业废水221.6亿t，居世界前列。工业企业产生的废水不稳定，水质和水量经常随产品和生产工艺变化。一般来讲，工业废水具有成分复杂、毒性大、难降解、色度高、COD大等特点。即使废水经过污水厂处理后，许多难降解有机污染物和微生物代谢物等随着出水流入地表水中，不仅污染了水体环境，而且严重破坏了生态平衡。因此，工业废水中有机物难降解问题越来越受到人们的关注，能够快速、准确地找到工业废水中关键难降解物质，对后期污水治理具有重大意义。

目前，已有的有机物筛查技术多集中在毒性领域。20世纪90年代，为了评估排放的工业废水是否对受纳水体具有生态风险，美国EPA提出了将毒性评估和化学分析手段结合起来的毒性鉴别评估(Toxicity Identification Evaluation，TIE)方法；欧盟采用的效应导向分析(EffectDirected Analysis，EDA)方法，建立了工业废水中挥发/半挥发毒性污染物的鉴别评价体系。但是，这两种方法都是筛查评价毒性污染物，而到目前为止，对于工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物，国内外还没有一个较为快速、准确、完整的鉴别方法。当然，行业内也有用GC-MS来对污水中难降解物进行检测的，但由于工业废水成分相对较为复杂，水体中所含的挥发及半挥发难降解有机污染物的特殊性较强，若检测时对污水样液采用普通前处理，对GC-MS升温等仍按照传统参数进行设置，则其检测结果会出现准确性较低，定性分析能力差，可靠性不足的问题，而且检测后的结果难以确定哪些化合物是难降解的物质，还需要进一步做拓扑分析，工作量大，判定误差大，根本无法对废水中挥发及半挥发难降解组分进行准确定性识别，使最终检测的结果无法满足工业废水治理所需信息准确性的需求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，以针对工业废水中难降解物质提供一种科学的鉴别方法，解决现有技术中对工业废水中挥发/半挥发难降解物质的检测的准确性较差、判定误差较大等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，包括以下步骤：

(a)将污水水样过玻璃纤维滤膜过滤；

(b)将过滤后的水样过固相萃取柱，得到过柱后的水样A和富集在柱上的有机物B；

(c)将所述过柱后的水样A用有机溶剂萃取，将萃取后的样品旋转蒸发，氮吹浓缩至干，加入甲醇定容至3-5mL，得样品醇溶液A；

(d)将所述富集在柱上的有机物B用不同浓度的甲醇水溶液进行梯度洗脱，分别收集每个洗脱梯度的洗脱液，萃取，旋转蒸发，氮吹浓缩至干，分别加入甲醇定容至3-5mL，得多份样品醇溶液B；

(e)将所述样品醇溶液A和每份样品醇溶液B分别取1-2mL用10倍体积的稀释水稀释，在50-70℃水浴条件下氮吹50-70min，再分别用所述稀释水稀释至溶液中COD值为300-450mg/L，调节溶液的pH值至中性，加入接种污泥，封口，40℃恒温振荡，摇床降解，7天后分别检测各降解液中上清液的COD值；

(f)以所述7天后测得的上清液的COD值占初始COD值的百分比大于等于45％为标准，对各样品进行筛选，将符合所述标准的样品醇溶液鉴定为难降解样品；

(g)取每份所述难降解样品1-2mL，混合，氮吹、浓缩，用气相色谱-质谱仪联用系统进行定性分析；所述气相色谱升温程序为：初始60℃，以10℃/min升至110℃，以70℃/min升至140℃，保持3min，最后以12℃/min升至280℃，保持1min，终止；

(h)将步骤(g)分析的离子流色谱图与质谱谱图数据软件NIST中的谱图比较，确定检测到的化合物种类；

(i)将检测到的每个化合物通过有机物生物降解性的拓扑分析QSAR模型计算得到其降解性代表值二氧化碳生成量PCD，当计算得到PCD值≤0mmol/L的化合物即为难降解物质；所述PCD的计算公式为：

P C D = 53.18 - {4.537}^{3} X_{P} - {20.73}^{3} X_{P}^{V} + {13.78}^{4} X_{P C}^{V}

式中，³X_P、分别为三阶、三阶价、四阶价连接性指数。

本发明步骤(a)所述的玻璃纤维滤膜的孔径为0.45μm。

本发明所述的步骤(b)中所用的固相萃取柱为Waters Sep-Pak C₁₈固相柱；填料用量为1000mg。

本发明所述的步骤(b)中所用的固相萃取柱在使用之前进行活化，所述活化步骤为用10mL的纯甲醇以1mL/min的速度通过所述固相萃取柱，待其完全流出后再加入10mL的高纯水，待完全流出即可。

本发明步骤(c)所述的有机溶剂为二氯甲烷。

本发明步骤(c)所述的稀释水的配制方法是：在1L蒸馏水中加入2.5-3.5mL、pH值为7±0.5的磷酸盐缓冲溶液、22-23g硫酸镁、0.2-0.3g氯化铁和27-28g氯化钙，溶解混匀即可。

本发明步骤(d)中所述用不同浓度的甲醇水溶液进行梯度洗脱的工艺为：分别用体积百分比浓度为25％、50％、75％、80％、85％、90％、95％和100％的甲醇水溶液依次洗脱固相萃取柱上富集的有机物B，在4℃的恒温条件下，流速为1滴/sec。

本发明步骤(e)所述水浴温度优选65℃，氮吹时间优选60min，在优选条件下氮吹操作能够有效提高后期检测的准确性。

本发明步骤(e)所述加入的接种污泥在总溶液中的浓度为0.05-0.1g/L。

本发明的鉴别方法的技术路线见图1。

本发明利用分级分离梯度洗脱技术将样品中不同极性的化合物分开，基于摇床降解性实验筛选难降解组分来降低样品的复杂性，通过气相色谱—质谱仪联用系统来定性识别工业废水中挥发/半挥发关键的潜在难降解的有机污染物质，并进一步通过定量构效关系(QSAR)模型软件估算化合物的PCD值来追踪工业废水中的关键难降解物质，弥补了传统非目标性化学分析无法得到混合体系中难降解有机污染物的不足，同时通过分级分离与特征物筛选使其得到的结果分辨率高，信息量大，准确度高，使得非目标性难降解物质鉴别更加便捷可靠。

本发明通过不断地摸索，研究了适于定性检测成分复杂的工业废水中挥发/半挥发难降解物质的气相色谱—质谱仪(GC/MS)的最佳的前处理工艺和升温等检测参数，通过降解时吹氮处理以及检测时特定升温工艺的设定，大大提高了对难降解物质检测识别的分辨率、准确度和信息量，在此基础上对其进行拓扑定性，不仅大大减轻了工作量，而且使最终的鉴定结果更加全面和准确。因此，利用本发明提供的方法来鉴别追踪工业废水中关键难降解污染物，能够为工业废水排放标准的制定提供科学的依据，为后期水体环境的治理和改善提供更为全面、准确的信息支持。

附图说明

图1为本发明的技术路线图。

图2样品A摇床降解性实验数据图。

图3为实施例1中筛选出的难降解组分总离子流色谱图。

图4为对比例1中筛选出的难降解组分总离子流色谱图。

具体实施方式

下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

对工业园区污水处理厂进水中难降解有机污染物的鉴别，其具体步骤为：

(1)污水水样过滤：取1500mL工业园区污水处理厂进水过孔径0.45μm，直径5cm的玻璃纤维滤膜，去除杂质；该玻璃微滤膜使用前需经与实验污水水样pH值相同的高纯水淋洗老化；

(2)固相提取富集：取1000mL步骤(1)过滤后的水样通过沃特世固相萃取柱(WatersSep-Pak C₁₈)对有机物进行富集，得过柱后的水样A和富集在柱上的有机物B；所述固相萃取柱中的填料为C₁₈，用量为1000mg；

固相萃取柱在使用之前需要对固相萃取柱进行活化，活化工艺为：用10mL、浓度为100％的纯甲醇以1mL/min的速度通过柱子，待其完全流出后加入10mL的高纯水直到完全流出即可进行使用；

(3)对过柱后的水样A进行萃取：利用有二氯甲烷溶剂液液萃取3次来提取水样A中的有机物，将萃取得到的样品旋转蒸发(温度38℃)、氮吹浓缩至干，加入甲醇，定容至3mL，得样品醇溶液A，转移至玻璃小瓶中保存；

(4)将样品醇溶液A进行摇床降解性实验：

①配置稀释水：在1L蒸馏水中加入3mL pH值为7±0.5的磷酸盐缓冲溶液、22.5g硫酸镁、0.25g氯化铁和27.5g氯化钙，混匀，配制成均匀的水溶液；

②取1mL所述样品醇溶液A溶于10mL的所述稀释水中，在65℃水浴条件下氮吹60min，目的是将甲醇尽可能吹出，减小其对后面实验的干扰；

③用稀释水将步骤②中氮吹后的样品稀释至COD值为300-450mg/L，调节溶液的pH值至7.0±0.5；

④取步骤③处理好的样品300mL注入500mL锥形瓶中，加入5.0mL浓度为4000mg/L的接种污泥，用双层纱布封口，放置到恒温振荡器中，调整温度40℃(去除甲醇干扰)，转速120r/min，进行摇床降解；取300mL稀释水和相应量的甲醇混合液加入5.0mL接种污泥作空白对照；

其中接种污泥取自该污水厂氧化沟，测定初始污泥浓度，用稀释水洗涤3～5次后，将其接种污泥浓度用所述稀释水调整至4000mg/L；

⑤降解7天后，检测其上清液COD数值，其测得的数据如图2所示，生物降解评价标准见表1。

表1生物降解性评价标准

注：(1)其中ND-COD为难降解COD，ND-COD值等于降解前COD值减去降解7天后COD值；(2)所述0～25为0≤ND-COD:COD(％)＜25；所述25～45为25≤ND-COD:COD(％)＜45；以此类推。

图1中的1天是指第一天降解前样液的COD值，7天是指第7天降解后的COD值，计算得：ND-COD:COD＝18％，从而确定样品A属于易降解组分，弃去，不参与下一步检测。

(5)对步骤(2)所得的富集在柱上的有机物B进行洗脱：基于工业废水的特点建立梯度洗脱分离技术，并对样品进行分离来降低样品的复杂性，具体方法如下：

洗脱装置：Supelco固相萃取装置；流速：1mL/min；洗脱液：甲醇和水；收集方式：用5mL规格的玻璃管按洗脱液梯度来收集馏分，得8份样品醇溶液B。

洗脱液梯度：

组分	1	2	3	4	5	6	7	8
									甲醇体积百分含量(％)	25	50	75	80	85	90	95	100
水体积百分含量(％)	75	50	25	20	15	10	5	0

(6)对步骤(5)分离得到的8份样品醇溶液B进行浓缩：

对1-6份采用一种浓缩方法，对7-8份采用另外一种浓缩方法。

(7)将8份样品醇溶液B进行摇床降解性实验：(其方法同步骤(4)所示)

①取每份样品醇溶液B 1mL分别溶于10mL稀释水中，在65℃条件下氮吹60min；

②用稀释水将浓缩后的各个组分稀释至COD在300-450mg/L，调节溶液的pH值至7.0±0.5；

③取步骤②处理好的样液300mL注入500mL锥形瓶中，加入5.0mL浓度为4000mg/L接种污泥，用双层纱布封口，放置到恒温振荡器中，调整温度40℃(去除甲醇干扰)，转速120r/min，进行摇床降解；取300mL稀释水和相应量的甲醇混合液加入5.0mL接种污泥作空白对照；

④将8份样液降解7天后溶液中残留的COD近似为难降解COD，利用难降解COD(ND-COD)占原始总COD百分比评价废水的降解性。生物降解性评价标准见表1，摇床降解性测定结果见表2。

表2 8份样品醇溶液B摇床降解性实验结果

由表2可知，1～5组分为较难降解以上的样液，即为难降解样品，将这5个难降解样品所对应的样品醇溶液各取1mL进行合并、氮吹、浓缩至2mL，保存在进样瓶中待定性分析；

(8)定性识别：用气相色谱—质谱仪联用系统对其进行分析，得到总离子流色谱如图3所示。所述气相色谱—质谱仪联用仪器的参数如下：

气相色谱—质谱仪(GC/MS)：安捷伦气相色谱—质谱仪(Agilent 6890-5973GC-MS)；

色谱柱：安捷伦色谱柱(HP-5MS UI柱，尺寸为30m×0.25mm，粒径为0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流速：1.0mL/min；进样口温度：280℃；进样体积：1μL；进样方式：不分流进样

气相色谱升温程序：初始60℃，以10℃/min升至110℃，以70℃/min升至140℃，保持3min，最后以12℃/min升至280℃，保持1min，终止；

质谱检测程序：EI电离方式，电子能量70eV，电子倍增电压1300V；扫描方式：全离子扫描模式(SCAN)，质荷比扫描范围35～650m/z。

(9)将步骤(8)得到化合物的离子流色谱图与质谱谱图数据软件NIST中的谱图相比较，筛选出匹配度较高的对应谱图来确定出化合物，从而得到难降解物质的筛选清单如下表3所示。

表3难降解组分中主要有机物组成

(10)最终鉴别分析：筛选到的化合物通过有机物生物降解性的拓扑分析QSAR模型计算得到其降解性代表值二氧化碳生成量(PCD)，从而认证该物质降解性。计算公式为：

P C D = 53.18 - {4.537}^{3} X_{P} - {20.73}^{3} X_{P}^{V} + {13.78}^{4} X_{P C}^{V}

式中，³X_P、分别为三阶、三阶价、四阶价连接性指数，各分子连接性指数应用Molecular Modeling Pro程序进行计算。

有机物的生物降解性判定标准见表4，难降解物质有机物降解性QSAR分析结果见表5。

表4QSAR生物降解性判定标准

表5难降解物质的降解性QSAR分析结果

由此，筛选出的22种物质中，有5种易降解有机物(PCD≥8mmol/L)，分别是磷酸三乙酯、5-甲基-5-壬醇、2.3-二氯吡啶、N,N-二甲基甲酰胺、月桂酸。有5种属于可降解有机物(0＜PCD＜8mmol/L)，分别是柠檬酸三乙酯、N,N-二甲基苯胺、4-溴-2-(甲硫酰胺)嘧啶、十八烯、2,6,10,15-四甲基-十七烷。有12种难降解有机物(PCD≤0mmol/L)，包括芥酸酰胺、邻苯二甲酸二丁酯、氯代十八烷、2,2'-亚甲基双-(4-叔丁基-4-乙基苯酚)、邻苯二甲酸二异辛酯、4,4-二羟基二环己烷、邻苯二甲酸二异丁酯、2,4-二叔丁基苯酚、巴龙霉素、油酸酰胺、正二十六烷、正三十烷，这12种物质即为鉴别得到的某市工业园区污水处理厂进水中含有的挥发/半挥发难降解有机污染物，为进一步水处理提供可靠、有力的数据支持。

对比例1

本对比例与上述实施例1的不同点是难降解组分中化合物的定性识别部分，其它部分相同，针对难降解组分中化合物的定性识别部分具体内容和实验结果如下：

(1)实验内容：将实施例1中步骤(7)得到的5份难降解样品合并，混合，氮吹、浓缩，用气相色谱—质谱仪联用系统对难降解组分进行分析，得到总离子流色谱如图4所示。所述气相色谱—质谱仪联用仪器的参数如下：

气相色谱—质谱仪(GC/MS)：安捷伦气相色谱—质谱仪(Agilent 7000C)；

色谱柱：安捷伦色谱柱(DB-5MS柱，尺寸为30m×0.25mm，粒径为0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流速：1.0mL/min；进样口温度：270℃；进样体积：1μL；进样方式：不分流进样

气相色谱升温程序：初始温度50℃，保持3.5min，6℃/min升温至180℃，保持5min，再以3℃/min上升至264℃，保持10min，终止；

质谱检测程序：EI电离方式，电子能量70eV，电子倍增电压1477V；扫描方式：全离子扫描模式(SCAN)，质荷比扫描范围50～550m/z。

(2)实验结果：由总离子流色谱图4可知，①筛查得出的物质能够积分出来的只有5种；②总离子流色谱图的基线不能显现出来。因此，本对比例中气相色谱—质谱的参数和升温程序与实施例1相比，其定性能力较差，可靠性不足，不足以对难降解组分中化合物的定性识别。

对比例2

采用液液萃取的方式对工业园区污水处理厂进水中有机污染物进行鉴别，其具体步骤为：

(1)污水水样过滤：先用普通滤纸过滤水样，以除去部分悬浮物，再用滤膜孔径为0.45μm的微滤膜过滤水样，以除去微细悬浮物以及细菌残体。

(2)液液萃取：①取500mL滤完水样测pH值后，置于分液漏斗中。因水样pH为中性，加30mL二氯甲烷于分液漏斗中萃取5min，静置10min，收集二氯甲烷萃取液，重复3次；再用硫酸调节pH为1～2，加30mL二氯甲烷萃取5min，静置10min，收集二氯甲烷萃取液；用调节氢氧化钠pH至12，加30mL二氯甲烷萃取5min，静置10min，合并以上五次二氯甲烷萃取液。

②将于中性、碱性、酸性中萃取得到的有机相合并，加入少量无水Na₂SO₄(已在400℃马弗炉中加热脱水2h，存放于干燥器中)，采用抽滤瓶快滤有机相，以脱除有机相中残存的水分。

③将滤后的有机相置于旋转蒸发器中，40℃的水浴恒温条件下蒸发浓缩至3-5mL，转用在40℃的水浴恒温条件下氮吹仪吹干。

④用1mL的正己烷定容。

(3)有机污染物的定性识别：将步骤(2)得到的样品用气相色谱—质谱仪联用系统对液液萃取的样品进行分析。所述气相色谱—质谱仪联用仪器的参数如下：

色谱柱：安捷伦色谱柱(HP-5MS UI柱，尺寸为30m×0.25mm，粒径为0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流速：1.0mL/min；进样口温度：280℃；进样体积：1μL；进样方式：不分流进样；

(4)步骤(3)检测到的可疑难降解物质的筛选：将步骤(3)得到化合物的离子流色谱图与质谱谱图数据软件NIST中的谱图相比较，筛选出匹配度较高的对应谱图来确定出化合物。从而得到有机污染物共计105种，其中直链烃29种，脂肪烃11种，卤代烃9种，含氧衍生物30种，含氮杂环19种，其他7种。

与实施例1相比，本对比例缺少了难降解组分筛查，识别出的这些有机污染物，不能确定哪种是难降解的物质，还需要通过拓扑分析，但是工作量很大，准确度却较小；同时，二者对水样处理方式的不同，实施例1识别出的物质不能在本对比例中完全包含。

Claims

1.一种工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将污水水样过玻璃纤维滤膜过滤；

(e)将所述样品醇溶液A和每份样品醇溶液B分别取1-2mL用10倍体积的稀释水稀释，在50-70℃水浴条件下氮吹50-70min，再分别用所述稀释水稀释，调节溶液的pH值至中性，加入接种污泥，封口，40℃恒温振荡，摇床降解，降解7天后分别检测各降解液中上清液的COD值；

(f)以所述7天后测得的上清液的COD值占初始COD值的百分比大于等于45％为标准进行筛选，将符合所述标准的样品醇溶液鉴定为难降解样品；

(g)取每份所述难降解样品1-2mL，混合，氮吹、浓缩，用气相色谱-质谱仪联用系统进行定性分析，得离子流色谱图；所述气相色谱升温程序为：初始60℃，以10℃/min升至110℃，以70℃/min升至140℃，保持3min，最后以12℃/min升至280℃，保持1min，终止；

(i)将检测到的每个化合物通过有机物生物降解性的拓扑分析QSAR模型计算得到其降解性代表值二氧化碳生成量PCD，当计算得到PCD值≤0mmol/L的化合物即为挥发/半挥发难降解有机污染物；所述PCD的计算公式为：

P C D = 53.18 - {4.537}^{3} X_{P} - {20.73}^{3} X_{P}^{V} + {13.78}^{4} X_{P C}^{V}

式中，³X_P、分别为三阶、三阶价、四阶价连接性指数；

所述的稀释水为以1L蒸馏水为溶剂，以2.5-3.5mL pH值为7±0.5的磷酸盐缓冲溶液、22-23g硫酸镁、0.2-0.3g氯化铁和27-28g氯化钙为溶质配制的溶液。

2.根据权利要求1所述的工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤(b)中所用的固相萃取柱为Waters Sep-Pak C₁₈固相柱。

3.根据权利要求2所述的工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤(b)中所用的固相萃取柱在使用之前进行活化，所述活化步骤为用10mL的纯甲醇以1mL/min的速度通过所述固相萃取柱，待其完全流出后再加入10mL的高纯水，待完全流出即可。

4.根据权利要求1所述的工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其特征在于，步骤(d)中所述用不同浓度的甲醇水溶液进行梯度洗脱的工艺为：分别用体积百分比浓度为25％、50％、75％、80％、85％、90％、95％和100％的甲醇水溶液依次洗脱固相萃取柱上富集的有机物B，在4℃的恒温条件下洗脱，流速为1滴/秒。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的工业废水中挥发/半挥发难降解有机污染物的鉴别方法，其特征在于，步骤(e)所述加入的接种污泥在总溶液中的浓度为0.05-0.1g/L。