利用生物毒性在線監測系統監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

（江蘇省環境保護水環境生物監測重點實驗室 常州市環境監測中心， 江蘇 常州 213001）

0 引言

近年來隨著工業化和城鎮化的推進，工業廢水的排放總量和污染物組份迅速增加[1]，廢水經凈化處理后，達到一定的排放標準后即排入受納水體，或再生回用、污水灌溉等。然而，有些排水雖然常規理化指標達標，但實際上仍可能含有一些有毒有害的新型微污染物，如藥品及個人護理用品(PPCPs)類物質、全氟類化合物(PFCs)、消毒副產物等，雖然在水環境中殘留水平很低，對綜合指標五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(CODCr)和總有機碳等的貢獻極小，但是這些污染物在水環境中長期積累和暴露后將使得水體綜合污染和復合毒性的現象越來越突出，對生態環境和人類健康構成威脅[2-6]。傳統的水質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境的綜合效應。生物毒性測試方法彌補了傳統方法的不足，可有效檢測水體中所有共存污染物的綜合生物效應，能直觀評價水質的安全性，已逐漸發展成為傳統水質評價方法的有效補充[7-9]。

發光細菌毒性檢測技術與傳統的魚類或溞類毒性檢測法相比，具有簡便、快速、經濟等優點，同時具有很好的靈敏度和可靠性，已廣泛用于工業廢水、飲用水、污染土壤等綜合毒性監測和評價[10-16]。利用發光細菌的在線自動監測技術已成為當前一種科學有效的實時生物監測手段，國內外都已開發出了相應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測系統(Toxcontrol)近年來備受關注。Toxcontrol采用海洋費氏弧菌(Vibrio fischeri)測試符合ISO 11348[17]和ISO15839國際標準[18]，大約25 min就可以監測1個水樣的毒性，可以直接給出每天24 h，每周7 d的水質情況，而每個星期只要1次維護，具有相對快速、廉價的優點。目前，Toxcontrol主要用于國內外飲用水水質安全保障[19-22]，在發達國家包括美國、荷蘭、意大利、法國、德國等已經使用了10余年。在我國北京奧運會、上海世博會等重大事件的飲用水供水水質安全保障和地方水利水務、環境監測等部門的飲用水污染預警的安全監控中成功運用。然而，將Toxcontrol用于污水處理廠的排水毒性監控和評價方面的研究還鮮見報道。

本文嘗試采用Toxcontrol系統對常州市某污水處理廠不同工藝流程的排水毒性進行監測，為科學評價排水的毒性和生態安全性和污水處理廠毒性削減評價提供技術支撐。

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測系統Toxcontrol(荷蘭，MicroLAN公司)、便攜式發光細菌毒性測定儀 DeltaTox(美國，SDI公司)。

菌種和試劑：儀器Toxcontrol和DeltaTox均使用的發光細菌為海洋費氏弧菌凍干粉，復蘇液和滲透液均購自美國SDI公司；標準稀釋水：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。

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工業廢水規模，處理的各類化工工業廢水CODCr質量濃度較高，最高可達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《水和廢水監測分析方法》(第四版)要求，根據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行測定常規理化指標，連續采集3 d。

1.2.2 廢水常規理化指標監測

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

污染源在線自動監控。利用污染源在線自動監控系統連續監控污水處理廠排水口出水3 d，主要監測企業排水口的CODCr，NH3-N和TP。

1.2.3 生物綜合毒性監測

（1）瞬時樣毒性監測

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進行測試廢水的急性毒性。

（2）DeltaTox毒性監測

DeltaTox毒性監測過程。參照ISO 11348的測試方法，先將-20℃保存的發光菌凍干粉在4℃保存的1 mL稀釋液復蘇15 min，取0.1 mL復蘇菌液，用DeltaTox毒性檢測儀的ATP模式讀取其發光強度，若發光強度大于100萬光子數即可用于毒性測試(達不到要求的，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模式進行測試，先讀取0.1 mL復蘇菌液的發光強度，再取滲透調節后的水樣0.9 mL加入到0.1 mL復蘇菌液中，混勻后恒溫15 min測其相對發光度。根據前后發光強度的變化來計算樣品的相對發光度。

質量保證和質量控制。陰性對照采用標準稀釋水，須確保陽性對照(質量濃度為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次重復測定結果的相對偏差應不大于15%。

（3）Toxcontrol連續在線毒性監測

毒性監測過程。本研究中利用1臺Toxcontrol系統分別連續監測某污水處理廠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系統作為測試水樣，研究采用費氏弧菌凍干粉通過孵育后進行發光細菌毒性檢測，每個工藝段連續檢測24 h。每個工藝段測試完成后都進行儀器清洗和維護，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，導致毒性差異。連續在線毒性監測結果可以從Toxcontrol系統中使用Toxview軟件導出。

質量保證和質量控制。Toxcontrol儀器的報警限值設置為相對發光率80%(即光損率為20%)，光損率大于20%時立即報警。陰性對照采用標準稀釋水，陽性對照采用質量濃度為11.17 g/L的 ZnSO4·7H2O溶液。運行Positive Control Measurement程序，陽性對照的光損失必須〉40%。每運行Normal Toxicity Measurement程序99次后運行該程序1次。運行Negative Control Measurement程序，2個檢測器間的相對偏差在±5%內。每運行Normal Toxicity Measurement程序99次后運行該程序1次。Toxcontrol檢測過程確保修正系數CF值在0.6～1.8之間，確保發光細菌初始發光量必須大于50 000(當發光量低于此值時，誤差會變大)，確保儀器具有很好的溫控條件。

1.3 數據處理

實驗室分析數據每組實驗重復3次，得到3組數據，應用Excel 2007分析得出平均值和標準偏差。圖表繪制使用Excel 2007。

2 結果與討論

2.1 廢水理化監測指標結果

每天手工采集的污水廠排水口出水實驗室內分析6批，連續監測3 d。監測結果如下：pH值為6.9～7.9，CODCr質量濃度為54～78mg/L，NH3-N質量濃度為0.45～1.94 mg/L，TP質量濃度為0.19～0.44 mg/L。在線污染源監測系統間隔2h檢測1次，連續監測3d，排水口出水的CODCr質量濃度為58～71mg/L，NH3-N質量濃度為1.2～1.9 mg/L，TP質量濃度為0.2～0.4 mg/L。根據DB 32/1072—2007《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業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，排水的常規理化指標在連續監測的時間段均滿足排放標準，可以排放。

2.2 生物在線綜合毒性測試結果

2.2.1 瞬時樣綜合毒性結果

Toxcontrol系統毒性檢測瞬時樣品結果通過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毒性監測結果見表1。光損值分別為(98.90±0.36)%，(87.63±2.74)%和(99.93±0.12)%。參照中國科學院南京土壤所提出的發光細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系統和DeltaTox毒性檢測儀的監測結果均為高毒，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 生物在線連續樣品綜合毒性監測結果

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絮凝、pH值調節后的出水，通過監測發現原水的毒性非常強，毒性最低值為83.8%(高毒)，最大值達到 100%(劇毒)，平均光損值為95.6%(高毒)；二沉池是經過活性污泥生化處理后的出水，通過監測發現二沉池的排水毒性也非常強，毒性最低值為66.9%(中毒)，最大值達到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，表明廢水經過二沉池工藝段的處理后可以去除一部分致毒物質；通過監測發現排水口排水的毒性非常強，毒性最低值為90.2%(高毒)，最大值達到 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，并未實現毒性削減。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氧化劑之后，產生了次生污染物，形成新的污染，反而造成毒性的增強[23]。

圖2 污水處理廠不同工藝段出水的急性毒性

3 結論

本研究發現該污水處理廠排水的CODCr，NH3-N和TP可滿足排放標準，但其排水毒性卻為高毒。一旦直接排入受納水體，將會對生態環境和人類健康構成很大的威脅。因此，在控制廢水中污染物濃度的同時，應該重視廢水生物毒性管理[24-25]，水質毒性監測應成為在線監測的重點[26-27]，對有效控制工業廢水污染，保障生態安全及人類健康具有重要意義。

Toxcontrol系統監測發現初沉池、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系統能實時、連續監測排水綜合毒性，可以彌補常規理化指標的不足，將化學手段和生物學指標相結合，可以客觀、準確地反映廢水的生態安全性。研究可為政府部門排污許可監測優化管理和污染源調查、制修訂污水排放綜合毒性標準提供技術支撐，對相關行業企業污水處理效率、處理工藝進行評價和毒性減排提供技術指導。