利用生物毒性在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控和評價排水綜合毒性

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)測重點實驗室 常州市環(huán)境監(jiān)測中心， 江蘇 常州 213001）

0 引言

近年來隨著工業(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)象越來越突出，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅[2-6]。傳統(tǒng)的水質(zhì)評價方法僅能測定污染物的濃度，但不能全面、直接地反映污染物對環(huán)境的綜合效應(yīng)。生物毒性測試方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，可有效檢測水體中所有共存污染物的綜合生物效應(yīng)，能直觀評價水質(zhì)的安全性，已逐漸發(fā)展成為傳統(tǒng)水質(zhì)評價方法的有效補(bǔ)充[7-9]。

發(fā)光細(xì)菌毒性檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的魚類或溞類毒性檢測法相比，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，同時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)測和評價[10-16]。利用發(fā)光細(xì)菌的在線自動監(jiān)測技術(shù)已成為當(dāng)前一種科學(xué)有效的實時生物監(jiān)測手段，國內(nèi)外都已開發(fā)出了相應(yīng)的生物毒性測試儀器。荷蘭microLAN公司在1996年研制的生物在線綜合毒性監(jiān)測系統(tǒng)(Toxcontrol)近年來備受關(guān)注。Toxcontrol采用海洋費氏弧菌(Vibrio fischeri)測試符合ISO 11348[17]和ISO15839國際標(biāo)準(zhǔn)[18]，大約25 min就可以監(jiān)測1個水樣的毒性，可以直接給出每天24 h，每周7 d的水質(zhì)情況，而每個星期只要1次維護(hù)，具有相對快速、廉價的優(yōu)點。目前，Toxcontrol主要用于國內(nèi)外飲用水水質(zhì)安全保障[19-22]，在發(fā)達(dá)國家包括美國、荷蘭、意大利、法國、德國等已經(jīng)使用了10余年。在我國北京奧運(yùn)會、上海世博會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)控和評價方面的研究還鮮見報道。

本文嘗試采用Toxcontrol系統(tǒng)對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，為科學(xué)評價排水的毒性和生態(tài)安全性和污水處理廠毒性削減評價提供技術(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)測系統(tǒng)Toxcontrol(荷蘭，MicroLAN公司)、便攜式發(fā)光細(xì)菌毒性測定儀 DeltaTox(美國，SDI公司)。

菌種和試劑：儀器Toxcontrol和DeltaTox均使用的發(fā)光細(xì)菌為海洋費氏弧菌凍干粉，復(fù)蘇液和滲透液均購自美國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，購自國藥集團(tuán)。

1.2 研究方法

1.2.1 研究對象和樣品采集

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象。按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(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驗室進(jìn)行測定常規(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

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

污染源在線自動監(jiān)控。利用污染源在線自動監(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)測企業(yè)排水口的CODCr，NH3-N和TP。

1.2.3 生物綜合毒性監(jiān)測

（1）瞬時樣毒性監(jiān)測

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樣品，并同時利用Toxcontrol和DeltaTox進(jìn)行測試廢水的急性毒性。

（2）DeltaTox毒性監(jiān)測

DeltaTox毒性監(jiān)測過程。參照ISO 11348的測試方法，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100萬光子數(shù)即可用于毒性測試(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測其相對發(fā)光度。根據(jù)前后發(fā)光強(qiáng)度的變化來計算樣品的相對發(fā)光度。

質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。陰性對照采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水，須確保陽性對照(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個平行，3次重復(fù)測定結(jié)果的相對偏差應(yīng)不大于15%。

（3）Toxcontrol連續(xù)在線毒性監(jiān)測

毒性監(jiān)測過程。本研究中利用1臺Toxcontrol系統(tǒng)分別連續(xù)監(jiān)測某污水處理廠3個不同工藝段(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)作為測試水樣，研究采用費氏弧菌凍干粉通過孵育后進(jìn)行發(fā)光細(xì)菌毒性檢測，每個工藝段連續(xù)檢測24 h。每個工藝段測試完成后都進(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儀器的報警限值設(shè)置為相對發(fā)光率80%(即光損率為20%)，光損率大于20%時立即報警。陰性對照采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水，陽性對照采用質(zhì)量濃度為11.17 g/L的 ZnSO4·7H2O溶液。運(yùn)行Positive Control Measurement程序，陽性對照的光損失必須〉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個檢測器間的相對偏差在±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，誤差會變大)，確保儀器具有很好的溫控條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗室分析數(shù)據(jù)每組實驗重復(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)測指標(biāo)結(jié)果

每天手工采集的污水廠排水口出水實驗室內(nèi)分析6批，連續(xù)監(jiān)測3 d。監(jiān)測結(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)測系統(tǒng)間隔2h檢測1次，連續(xù)監(jiān)測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)測的時間段均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，可以排放。

2.2 生物在線綜合毒性測試結(jié)果

2.2.1 瞬時樣綜合毒性結(jié)果

Toxcontrol系統(tǒng)毒性檢測瞬時樣品結(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檢測瞬時樣品急性毒性

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)%。參照中國科學(xué)院南京土壤所提出的發(fā)光細(xì)菌急性毒性等級劃分方法可知[7]，不同工藝段的瞬時水樣采用Toxcontrol系統(tǒng)和DeltaTox毒性檢測儀的監(jiān)測結(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)，并未實現(xiàn)毒性削減。一方面可能是整個工藝流程本身對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，將會對生態(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，應(yīng)該重視廢水生物毒性管理[24-25]，水質(zhì)毒性監(jiān)測應(yīng)成為在線監(jiān)測的重點[26-27]，對有效控制工業(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為：排水口〉初沉池〉二沉池。利用Toxcontrol系統(tǒng)能實時、連續(xù)監(jiān)測排水綜合毒性，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，對相關(guān)行業(yè)企業(yè)污水處理效率、處理工藝進(jìn)行評價和毒性減排提供技術(shù)指導(dǎo)。