垃圾渗沥液的生物毒性研究进展*

钟 辉，高 星，李 平，吴锦华

（1.中山市名城环境服务有限公司，广东 中山 528403；2.华南理工大学环境与能源学院，广东 广州 510640）

垃圾渗沥液是一种污染物种类繁多、水质构成复杂的高浓度毒性/难降解有机废水，迄今为止并未找到切实有效的处理工艺。在垃圾渗沥液的各种处理工艺中，生物处理法是去除有机污染物的最佳工艺［1］。研究表明［2］，垃圾渗沥液中污染物的生物毒性是影响渗沥液生物处理系统正常运行的关键因素之一。毒性污染物存在于渗沥液中将对生物处理系统中的微生物活性造成极大的影响，毒性抑制作用导致生物体最大比生长速率降低、半饱和系数升高，或者导致微生物菌群的不利转变，从而使生物降解速率大幅度降低，甚至使体系内微生物迅速死亡，导致处理系统彻底失效［3］。而渗沥液的生物毒性很难从物理化学指标上得到体现，近年来发展起来的各种生物毒性测试手段则能给我们提供更多的常规分析所不能提供的信息。它不仅可以核定未知化学物质的影响，也可以反映化学物质间的相互作用和联合作用以及化学物质的生物可利用性［4-6］。研究分析组分复杂的垃圾渗沥液中典型组分的生物毒性对有针对性地开发毒性削减技术，实现垃圾渗沥液的高效生物降解及达标排放具有重要的意义。

1 垃圾渗沥液中的毒性物质

垃圾渗沥液主要来自3个方面：①填埋场内的自然降水和地表径流；②垃圾自身含水；③微生物厌氧分解作用而产生的水。由于垃圾成分复杂，填埋后发生分解、溶出、发酵等反应，所以渗沥液中含有大量的无机物和有机物，他们所产生的毒性不仅与其性质有关，同时也依赖于浓度和有效性［1］。通常垃圾渗沥液主要包括无机物、重金属和具有不同生物降解能力的有机物。

在无机物中，氨氮、重金属离子被认为是在处理过程中最可能影响微生物正常活动的因素。垃圾渗沥液中的氨氮主要由有机的和人工合成的化合物降解产生［7］。在水中氨氮溶解性很高，并且在氨态氮和铵盐之间建立平衡，这种平衡取决于pH［7］。一般来讲垃圾渗沥液中的氨氮浓度随着垃圾填埋场年龄的增长而逐渐增加。渗沥液中的高氨氮能在一定程度上抑制微生物的生长，但不致于达到产生毒性的水平。

研究表明，垃圾渗沥液中通常含有10多种金属离子，其中重金属离子的浓度通常比较低［8］，一般来说，轻金属离子很少能达到毒性浓度，但很少量的重金属离子却能产生极高的毒性。当在某个极限浓度以下，重金属离子对菌体的生长起促进作用，一旦超过这个浓度则会渐渐产生抑制作用甚至立刻导致菌体死亡。由于垃圾填埋场中的重金属容易被DOC吸附或与硫酸盐、碳酸盐生成沉淀，因此少于0.02%的重金属会在填埋后30 a内渗入垃圾渗沥液中［9-10］，所以垃圾渗沥液中检出的重金属浓度较低，例如T.Vasiliki等［11］在阿尔及利亚的填埋场中检出的重金属浓度范围分别为Cd 50～138 μg/L、Zn 330～401 μg/L、Cu 10～408 μg/L、Cr 390～2 559 μg/L、Pb 980～2 217 μg/L。在垃圾填埋产甲烷阶段，重金属污染衰减主要由大部分可溶性重金属离子被螯合所引起的［12］。重金属离子通常被腐殖质和富里酸螯合，但是pH的改变会破坏这种螯合作用［13］。

迄今为止，垃圾渗沥液中能被检出的有机污染物已超过200种。由于人工合成的有机物质不断进入到自然界，各种新的合成有机物在垃圾渗沥液中被检出，越来越多的研究者日趋关注垃圾渗沥液中的外源有机污染物（XOCs）。垃圾渗沥液中典型的XOCs大致可分为以下几类：①邻苯二甲酸类，邻苯二甲酸应用于塑料生产中，如二（2-乙基已基） 邻苯甲酸类（DEHP）、二乙烷邻苯二甲酸类（DEP）、二丁基邻苯二甲酸类（DBP）等；②酚类，酚类是各种合成有机物的基本结构单元，并且是许多农药分解的产物；③芳香化合物，特别是BTEX化合类（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）作为众多产品的溶剂而在垃圾渗沥液中以很高的浓度被检出；④卤代化合物；⑤杀虫剂和除草剂；⑥药物类；⑦其他，包括砜、磺酸盐、萜烯醇、膦酸盐等。其中许多物质都具有很高的生物毒性，例如，杀虫剂Malathion和PCP对大型蚤的LC50范围分别为0.000 9～0.052 mg/L和0.1～1.78 mg/L。有研究者认为各种化合物的混合物可能会产生协同作用，将会对微生物产生更强的毒性［14］。

2 生物毒性测试表征方法

目前常用的生物毒性检验手段基本是建立在细菌发光抑制、细菌生长抑制、呼吸代谢速率、脱氢酶活性检测、降解动力学等基础上。近年来，环境污染物的生物毒性受到越来越多研究者的关注。表1汇集了在文献报道中运用较多的快速毒性测试、国际标准急性毒性测试以及遗传毒性测试方法。目前，生物毒性测试方法在国外的应用非常广泛且毒性指示生物非常丰富，国内的毒性检测仅限于MicrotoxR、Daphnia等方法，而且应用不甚广泛，与国外的差距较大。

其中，Microtox法采用发光细菌P.phousphoreum（或Vibrio fischeri）作为毒性测试的指示生物，通过测定发光强度的减弱程度来判断污染物的毒性强弱，是目前应用最频繁且最便捷的毒性筛选工具，但同时也是越来越受到争议的方法。M.Gutierrez等［24］认为评价污染物的潜在毒性时最好是利用渗沥液处理系统中的活性污泥作为考察对象更为恰当。其中，评价污染物对微生物的毒性的（ASRI）活性污泥呼吸抑制测试已成功应用于水处理工业。用5个普通无机污染物和6个有机污染物，在ARSI和Microtox之间做了比较性的研究，发现：Microtox太灵敏，ARSI更适合于污水处理厂反应器进水的在线监测。然而，更多的研究者倾向于依据食物链分级，选择各个营养级上有代表性的或对废水处理系统很重要的微生物种群共同组成一个生物检测系统，测定有毒物质对该系统的毒性效应，由此更贴近地模拟渗沥液进入到生物处理系统后对个体或者种群乃至整个生态系统的结构和功能的间接或直接的影响。

表1 毒性测试的方法

3 渗沥液中典型污染物生物毒性的研究进展

3.1 氨氮

D.Alkalay等［1］认为大多数垃圾渗沥液的蛋白质含量较低，在厌氧处理中氨氮的浓度很难达到产生毒性的水平，而且微生物对高浓度的氨氮有很强的适应性。同时，研究表明，即使氨氮的浓度达到10 000 mg/L，也不会产生杀菌的效果，而只是抑制微生物的生长，而当氨氮浓度降到3 000 mg/L后的7～10 d后微生物的活动恢复［26］。许多研究者对垃圾渗沥液中氨氮的生物毒性进行了测试，C.Bernard等［25］将取自14个垃圾填埋厂的渗沥液做不同前处理后制得的25个样品，进行Daphnia magnaEC50s毒性测试，发现绝大部分样品中的未离子化氨对Daphnia magna有较强毒性。在C.Bernard等［27］早先的研究中也证实了氨对duckweed的毒性。郝小凤等［28］研究了氨氮对泥鳅的急性毒性，研究表明，水中氨氮浓度越高，泥鳅的死亡率越高，其96 h LC50总氨浓度为164.4 mg/L，非离子氨浓度为2.22 mg/L。同时，与氨氮密切相关的碱度似乎对氨的毒性起到了加强作用，在一些情况下碱度直接产生了对Daphnia的毒性。

3.2 金属离子

对于垃圾渗沥液中金属离子的毒性研究相对较少，由于大多学者认为垃圾填埋场的金属离子易于生成硫化物及碳酸盐而很难或仅有少量的金属离子进入渗沥液中，所以垃圾渗沥液中金属离子的毒性并未引起研究者的关注。

3.3 有机污染物

由于垃圾渗沥液有机组成的复杂性及分析测试方法的局限性，使得对垃圾渗沥液毒性的全面解析仍具有难度。A.Baun［14］在丹麦的10个垃圾渗沥液样品中检出了55种XOCs和10种已知的降解产物：芳香族化合物（18种以及1种降解产物：BSA）、卤代脂肪烃（3种）、酚类（14种，包括1种可能的降解产物：2,5DCP）、壬基酚乙氧基羧酸盐（1种）、苯甲酸盐类（8种，包括5种降解产物：邻苯对甲酸单体）、杀虫剂（21种，包括草甘膦、莠去津和西玛津的3种产物）。其中许多物质不但难以被降解，而且对微生物具有很强的抑制作用，降低生物系统的效率甚至引起生物系统的崩溃。对这10种垃圾渗沥液进行了成分分析并对用SPE萃取后的组分进行了藻类和发光菌急性毒性实验和遗传毒性实验，并将其与美国环保局的ECOTOX数据库进行了对比，发现只有2%～37%的毒性结果可以找到确认的化学物质，其中在所有的样品中，萘和四氯甲酚在渗沥液的总毒性中占有1%～29%的毒性（毒性指示生物为藻类），遗传毒性实验结果显示在10个垃圾渗沥液样品中仅有1个垃圾渗沥液经过141倍浓缩能够产生遗传毒性。还有研究者［29］将垃圾渗沥液经过固相萃取（SPE）柱后再通过HPLC，根据辛醇-水分配比KOW分为5级，具有高logKOW的通过GC/MS分析组成，低logKOW通过HPLC/MS进行物质鉴定。每一化学分析步骤前后，采用Microtox及Daphnia magna（48 h）进行生物毒性监测，确定毒性最高的部分进行定性定量分析，发现毒性较高的第5级中主要有邻苯二甲酸类、BTEX化合类物质。

对于废水的生物毒性分析，一种行之有效的方法就是美国环保局提出的毒性鉴别评价方法（toxicity identification evaluation，TIE）［30-32］。通过一定的物化分析与生物毒性测试方法结合起来评价废水的毒性。M.Isidori等［20］将该方法运用到城市固体垃圾渗沥液的毒性检测中，由于采用了多种毒性指示生物，所以未能得出较为统一的结论。

4 结论与展望

垃圾渗沥液中的毒性物质，特别是有机物对生物处理系统的运行效率具有显著的影响，然而由于垃圾渗沥液复杂的组成，传统的化学分析不但很难完全检出其成分而且分析成本极高，生物毒性检测给我们提供未知物质对生物的毒害作用的信息，不但快捷而且成本相对低廉，对垃圾渗沥液的脱毒处理工艺及系统的优化具有很强的指导意义。然而，各种生物对垃圾渗沥液的毒性物质表现出千差万别的敏感性，如何找出各种生物毒性特征的相关性以及各种生物毒性表征与实际处理系统之间的联系将是今后的工作方向。

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