薛銀剛， 徐東炯， 曹志俊， 陳 橋， 沈麗娟， 張小瓊

（江蘇省環(huán)境保護(hù)水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 江蘇 常州 213001）

0 引言

近年來(lái)隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，工業(yè)廢水的排放總量和污染物組份迅速增加[1]，廢水經(jīng)凈化處理后，達(dá)到一定的排放標(biāo)準(zhǔn)后即排入受納水體，或再生回用、污水灌溉等。然而，有些排水雖然常規(guī)理化指標(biāo)達(dá)標(biāo)，但實(shí)際上仍可能含有一些有毒有害的新型微污染物，如藥品及個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)類物質(zhì)、全氟類化合物(PFCs)、消毒副產(chǎn)物等，雖然在水環(huán)境中殘留水平很低，對(duì)綜合指標(biāo)五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)和總有機(jī)碳等的貢獻(xiàn)極小，但是這些污染物在水環(huán)境中長(zhǎng)期積累和暴露后將使得水體綜合污染和復(fù)合毒性的現(xiàn)象越來(lái)越突出，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅[2-6]。傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法僅能測(cè)定污染物的濃度，但不能全面、直接地反映污染物對(duì)環(huán)境的綜合效應(yīng)。生物毒性測(cè)試方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，可有效檢測(cè)水體中所有共存污染物的綜合生物效應(yīng)，能直觀評(píng)價(jià)水質(zhì)的安全性，已逐漸發(fā)展成為傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的有效補(bǔ)充[7-9]。

發(fā)光細(xì)菌毒性檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的魚類或溞類毒性檢測(cè)法相比，具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有很好的靈敏度和可靠性，已廣泛用于工業(yè)廢水、飲用水、污染土壤等綜合毒性監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)[10-16]。利用發(fā)光細(xì)菌的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為當(dāng)前一種科學(xué)有效的實(shí)時(shí)生物監(jiān)測(cè)手段，國(guó)內(nèi)外都已開發(fā)出了相應(yīng)的生物毒性測(cè)試儀器。荷蘭microLAN公司在1996年研制的生物在線綜合毒性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Toxcontrol)近年來(lái)備受關(guān)注。Toxcontrol采用海洋費(fèi)氏弧菌(Vibrio fischeri)測(cè)試符合ISO 11348[17]和ISO15839國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[18]，大約25 min就可以監(jiān)測(cè)1個(gè)水樣的毒性，可以直接給出每天24 h，每周7 d的水質(zhì)情況，而每個(gè)星期只要1次維護(hù)，具有相對(duì)快速、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。目前，Toxcontrol主要用于國(guó)內(nèi)外飲用水水質(zhì)安全保障[19-22]，在發(fā)達(dá)國(guó)家包括美國(guó)、荷蘭、意大利、法國(guó)、德國(guó)等已經(jīng)使用了10余年。在我國(guó)北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)等重大事件的飲用水供水水質(zhì)安全保障和地方水利水務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等部門的飲用水污染預(yù)警的安全監(jiān)控中成功運(yùn)用。然而，將Toxcontrol用于污水處理廠的排水毒性監(jiān)控和評(píng)價(jià)方面的研究還鮮見報(bào)道。

本文嘗試采用Toxcontrol系統(tǒng)對(duì)常州市某污水處理廠不同工藝流程的排水毒性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為科學(xué)評(píng)價(jià)排水的毒性和生態(tài)安全性和污水處理廠毒性削減評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

使用儀器：生物在線綜合毒性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Toxcontrol(荷蘭，MicroLAN公司)、便攜式發(fā)光細(xì)菌毒性測(cè)定儀 DeltaTox(美國(guó)，SDI公司)。

菌種和試劑：儀器Toxcontrol和DeltaTox均使用的發(fā)光細(xì)菌為海洋費(fèi)氏弧菌凍干粉，復(fù)蘇液和滲透液均購(gòu)自美國(guó)SDI公司；標(biāo)準(zhǔn)稀釋水：ρ(CaCl2·2H2O)=294.0mg/L，ρ (MgSO4·7H2O)=123.3mg/L，ρ (NaHCO3）=63.0 mg/L，ρ(KCl)=5.5 mg/L；參考毒物：ZnSO4·7H2O溶液。所用試劑均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 研究方法

1.2.1 研究對(duì)象和樣品采集

常州市某污水處理廠擁有處理5 000 t/d工業(yè)廢水規(guī)模，處理的各類化工工業(yè)廢水CODCr質(zhì)量濃度較高，最高可達(dá)20 000 mg/L，屬于常州市典型污染源，因此選擇其作為研究對(duì)象。按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)要求，根據(jù)該污水處理廠排水周期，每隔4 h采集排水口出水帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定常規(guī)理化指標(biāo)，連續(xù)采集3 d。

1.2.2 廢水常規(guī)理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)分析。廢水的分析采用的理化監(jiān)測(cè)方法：pH值(水質(zhì) pH值的測(cè)定玻璃電極法GB/T 6920—1986)；CODCr(水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法 GB/T 11914— 1989)；氨氮(NH3-N)(水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法HJ 535—2009)；總磷(TP)(水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法GB/T 11893 — 1989)。

污染源在線自動(dòng)監(jiān)控。利用污染源在線自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控污水處理廠排水口出水3 d，主要監(jiān)測(cè)企業(yè)排水口的CODCr，NH3-N和TP。

1.2.3 生物綜合毒性監(jiān)測(cè)

（1）瞬時(shí)樣毒性監(jiān)測(cè)

分別采取污水處理廠初沉池出水、二沉池生化出水和排水口出水的瞬時(shí)樣品，并同時(shí)利用Toxcontrol和DeltaTox進(jìn)行測(cè)試廢水的急性毒性。

（2）DeltaTox毒性監(jiān)測(cè)

DeltaTox毒性監(jiān)測(cè)過程。參照ISO 11348的測(cè)試方法，先將-20℃保存的發(fā)光菌凍干粉在4℃保存的1 mL稀釋液復(fù)蘇15 min，取0.1 mL復(fù)蘇菌液，用DeltaTox毒性檢測(cè)儀的ATP模式讀取其發(fā)光強(qiáng)度，若發(fā)光強(qiáng)度大于100萬(wàn)光子數(shù)即可用于毒性測(cè)試(達(dá)不到要求的，須更換凍干粉菌種)。取水樣1 mL，加入0.1 mL滲透液溶液，混勻，選擇B-Tox模式進(jìn)行測(cè)試，先讀取0.1 mL復(fù)蘇菌液的發(fā)光強(qiáng)度，再取滲透調(diào)節(jié)后的水樣0.9 mL加入到0.1 mL復(fù)蘇菌液中，混勻后恒溫15 min測(cè)其相對(duì)發(fā)光度。根據(jù)前后發(fā)光強(qiáng)度的變化來(lái)計(jì)算樣品的相對(duì)發(fā)光度。

質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。陰性對(duì)照采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水，須確保陽(yáng)性對(duì)照(質(zhì)量濃度為9.67 mg/L的ZnSO4·7H2O溶液)的毒性介于20%～80%。樣品每組3個(gè)平行，3次重復(fù)測(cè)定結(jié)果的相對(duì)偏差應(yīng)不大于15%。

（3）Toxcontrol連續(xù)在線毒性監(jiān)測(cè)

毒性監(jiān)測(cè)過程。本研究中利用1臺(tái)Toxcontrol系統(tǒng)分別連續(xù)監(jiān)測(cè)某污水處理廠3個(gè)不同工藝段(初沉池、生化二沉池和排水口)出水的綜合毒性。以水泵抽取初沉池、二沉池和排水口的出水，通過PVC軟管將廢水連接到Toxcontrol系統(tǒng)作為測(cè)試水樣，研究采用費(fèi)氏弧菌凍干粉通過孵育后進(jìn)行發(fā)光細(xì)菌毒性檢測(cè)，每個(gè)工藝段連續(xù)檢測(cè)24 h。每個(gè)工藝段測(cè)試完成后都進(jìn)行儀器清洗和維護(hù)，并更換不同的PVC軟管、注射器并清洗吸頭和黑色連接膠管以防交叉污染，導(dǎo)致毒性差異。連續(xù)在線毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果可以從Toxcontrol系統(tǒng)中使用Toxview軟件導(dǎo)出。

質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。Toxcontrol儀器的報(bào)警限值設(shè)置為相對(duì)發(fā)光率80%(即光損率為20%)，光損率大于20%時(shí)立即報(bào)警。陰性對(duì)照采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水，陽(yáng)性對(duì)照采用質(zhì)量濃度為11.17 g/L的 ZnSO4·7H2O溶液。運(yùn)行Positive Control Measurement程序，陽(yáng)性對(duì)照的光損失必須〉40%。每運(yùn)行Normal Toxicity Measurement程序99次后運(yùn)行該程序1次。運(yùn)行Negative Control Measurement程序，2個(gè)檢測(cè)器間的相對(duì)偏差在±5%內(nèi)。每運(yùn)行Normal Toxicity Measurement程序99次后運(yùn)行該程序1次。Toxcontrol檢測(cè)過程確保修正系數(shù)CF值在0.6～1.8之間，確保發(fā)光細(xì)菌初始發(fā)光量必須大于50 000(當(dāng)發(fā)光量低于此值時(shí)，誤差會(huì)變大)，確保儀器具有很好的溫控條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，得到3組數(shù)據(jù)，應(yīng)用Excel 2007分析得出平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖表繪制使用Excel 2007。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢水理化監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果

每天手工采集的污水廠排水口出水實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析6批，連續(xù)監(jiān)測(cè)3 d。監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：pH值為6.9～7.9，CODCr質(zhì)量濃度為54～78mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為0.45～1.94 mg/L，TP質(zhì)量濃度為0.19～0.44 mg/L。在線污染源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)間隔2h檢測(cè)1次，連續(xù)監(jiān)測(cè)3d，排水口出水的CODCr質(zhì)量濃度為58～71mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為1.2～1.9 mg/L，TP質(zhì)量濃度為0.2～0.4 mg/L。根據(jù)DB 32/1072—2007《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》，CODCr，NH3-N和TP的排放限值分別為80，5和0.5 mg/L。由此可知，排水的常規(guī)理化指標(biāo)在連續(xù)監(jiān)測(cè)的時(shí)間段均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，可以排放。

2.2 生物在線綜合毒性測(cè)試結(jié)果

2.2.1 瞬時(shí)樣綜合毒性結(jié)果

Toxcontrol系統(tǒng)毒性檢測(cè)瞬時(shí)樣品結(jié)果通過Toxview獲得，見圖1。初沉池、二沉池和排水口出水的光損值分別為99.8%，73.1%和100%。

圖1 11月16日Toxcontrol檢測(cè)瞬時(shí)樣品急性毒性

初沉池、二沉池和排水口出水利用便攜式DeltaTox毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。光損值分別為(98.90±0.36)%，(87.63±2.74)%和(99.93±0.12)%。參照中國(guó)科學(xué)院南京土壤所提出的發(fā)光細(xì)菌急性毒性等級(jí)劃分方法可知[7]，不同工藝段的瞬時(shí)水樣采用Toxcontrol系統(tǒng)和DeltaTox毒性檢測(cè)儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果均為高毒，二沉池出水毒性稍低。

表1 污水處理廠不同工藝段出水瞬時(shí)樣品急性毒性

2.2.2 生物在線連續(xù)樣品綜合毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果

污水處理廠不同工藝段出水的急性毒性見圖2。初沉池主要是原水經(jīng)絮凝、pH值調(diào)節(jié)后的出水，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)原水的毒性非常強(qiáng)，毒性最低值為83.8%(高毒)，最大值達(dá)到 100%(劇毒)，平均光損值為95.6%(高毒)；二沉池是經(jīng)過活性污泥生化處理后的出水，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)二沉池的排水毒性也非常強(qiáng)，毒性最低值為66.9%(中毒)，最大值達(dá)到98.4%(高毒)，平均光損值為 82.3%(高毒)，與初沉池相比，二沉池的平均排水毒性略有削減，表明廢水經(jīng)過二沉池工藝段的處理后可以去除一部分致毒物質(zhì)；通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)排水口排水的毒性非常強(qiáng)，毒性最低值為90.2%(高毒)，最大值達(dá)到 100%(劇毒)，平均光損值為97.9%(高毒)，與初沉池、二沉池的排水毒性相比，平均排水毒性最強(qiáng)，并未實(shí)現(xiàn)毒性削減。一方面可能是整個(gè)工藝流程本身對(duì)于污水中的有毒污染物去除效果并不佳，另一方面可能是在末端處理工藝段添加了過量的強(qiáng)氧化劑之后，產(chǎn)生了次生污染物，形成新的污染，反而造成毒性的增強(qiáng)[23]。

圖2 污水處理廠不同工藝段出水的急性毒性

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)該污水處理廠排水的CODCr，NH3-N和TP可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，但其排水毒性卻為高毒。一旦直接排入受納水體，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成很大的威脅。因此，在控制廢水中污染物濃度的同時(shí)，應(yīng)該重視廢水生物毒性管理[24-25]，水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)應(yīng)成為在線監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)[26-27]，對(duì)有效控制工業(yè)廢水污染，保障生態(tài)安全及人類健康具有重要意義。

Toxcontrol系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)初沉池、二沉池和排水口的排水均具有較高的毒性，且平均毒性大小順序?yàn)椋号潘凇党醭脸亍刀脸亍＠肨oxcontrol系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)排水綜合毒性，可以彌補(bǔ)常規(guī)理化指標(biāo)的不足，將化學(xué)手段和生物學(xué)指標(biāo)相結(jié)合，可以客觀、準(zhǔn)確地反映廢水的生態(tài)安全性。研究可為政府部門排污許可監(jiān)測(cè)優(yōu)化管理和污染源調(diào)查、制修訂污水排放綜合毒性標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐，對(duì)相關(guān)行業(yè)企業(yè)污水處理效率、處理工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和毒性減排提供技術(shù)指導(dǎo)。