利用生物毒性在线监测系统监控和评价排水综合毒性

薛银刚， 徐东炯， 曹志俊， 陈 桥， 沈丽娟， 张小琼

（江苏省环境保护水环境生物监测重点实验室 常州市环境监测中心， 江苏 常州 213001）

0 引言

近年来随着工业化和城镇化的推进，工业废水的排放总量和污染物组份迅速增加[1]，废水经净化处理后，达到一定的排放标准后即排入受纳水体，或再生回用、污水灌溉等。然而，有些排水虽然常规理化指标达标，但实际上仍可能含有一些有毒有害的新型微污染物，如药品及个人护理用品(PPCPs)类物质、全氟类化合物(PFCs)、消毒副产物等，虽然在水环境中残留水平很低，对综合指标五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)和总有机碳等的贡献极小，但是这些污染物在水环境中长期积累和暴露后将使得水体综合污染和复合毒性的现象越来越突出，对生态环境和人类健康构成威胁[2-6]。传统的水质评价方法仅能测定污染物的浓度，但不能全面、直接地反映污染物对环境的综合效应。生物毒性测试方法弥补了传统方法的不足，可有效检测水体中所有共存污染物的综合生物效应，能直观评价水质的安全性，已逐渐发展成为传统水质评价方法的有效补充[7-9]。

发光细菌毒性检测技术与传统的鱼类或溞类毒性检测法相比，具有简便、快速、经济等优点，同时具有很好的灵敏度和可靠性，已广泛用于工业废水、饮用水、污染土壤等综合毒性监测和评价[10-16]。利用发光细菌的在线自动监测技术已成为当前一种科学有效的实时生物监测手段，国内外都已开发出了相应的生物毒性测试仪器。荷兰microLAN公司在1996年研制的生物在线综合毒性监测系统(Toxcontrol)近年来备受关注。Toxcontrol采用海洋费氏弧菌(Vibrio fischeri)测试符合ISO 11348[17]和ISO15839国际标准[18]，大约25 min就可以监测1个水样的毒性，可以直接给出每天24 h，每周7 d的水质情况，而每个星期只要1次维护，具有相对快速、廉价的优点。目前，Toxcontrol主要用于国内外饮用水水质安全保障[19-22]，在发达国家包括美国、荷兰、意大利、法国、德国等已经使用了10余年。在我国北京奥运会、上海世博会等重大事件的饮用水供水水质安全保障和地方水利水务、环境监测等部门的饮用水污染预警的安全监控中成功运用。然而，将Toxcontrol用于污水处理厂的排水毒性监控和评价方面的研究还鲜见报道。

本文尝试采用Toxcontrol系统对常州市某污水处理厂不同工艺流程的排水毒性进行监测，为科学评价排水的毒性和生态安全性和污水处理厂毒性削减评价提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

使用仪器：生物在线综合毒性监测系统Toxcontrol(荷兰，MicroLAN公司)、便携式发光细菌毒性测定仪 DeltaTox(美国，SDI公司)。

菌种和试剂：仪器Toxcontrol和DeltaTox均使用的发光细菌为海洋费氏弧菌冻干粉，复苏液和渗透液均购自美国SDI公司；标准稀释水：ρ(CaCl2·2H2O)=294.0mg/L，ρ (MgSO4·7H2O)=123.3mg/L，ρ (NaHCO3）=63.0 mg/L，ρ(KCl)=5.5 mg/L；参考毒物：ZnSO4·7H2O溶液。所用试剂均为分析纯，购自国药集团。

1.2 研究方法

1.2.1 研究对象和样品采集

常州市某污水处理厂拥有处理5 000 t/d工业废水规模，处理的各类化工工业废水CODCr质量浓度较高，最高可达20 000 mg/L，属于常州市典型污染源，因此选择其作为研究对象。按照《水和废水监测分析方法》(第四版)要求，根据该污水处理厂排水周期，每隔4 h采集排水口出水带回实验室进行测定常规理化指标，连续采集3 d。

1.2.2 废水常规理化指标监测

实验室室内分析。废水的分析采用的理化监测方法：pH值(水质 pH值的测定玻璃电极法GB/T 6920—1986)；CODCr(水质 化学需氧量的测定重铬酸盐法 GB/T 11914— 1989)；氨氮(NH3-N)(水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法HJ 535—2009)；总磷(TP)(水质总磷的测定钼酸铵分光光度法GB/T 11893 — 1989)。

污染源在线自动监控。利用污染源在线自动监控系统连续监控污水处理厂排水口出水3 d，主要监测企业排水口的CODCr，NH3-N和TP。

1.2.3 生物综合毒性监测

（1）瞬时样毒性监测

分别采取污水处理厂初沉池出水、二沉池生化出水和排水口出水的瞬时样品，并同时利用Toxcontrol和DeltaTox进行测试废水的急性毒性。

（2）DeltaTox毒性监测

DeltaTox毒性监测过程。参照ISO 11348的测试方法，先将-20℃保存的发光菌冻干粉在4℃保存的1 mL稀释液复苏15 min，取0.1 mL复苏菌液，用DeltaTox毒性检测仪的ATP模式读取其发光强度，若发光强度大于100万光子数即可用于毒性测试(达不到要求的，须更换冻干粉菌种)。取水样1 mL，加入0.1 mL渗透液溶液，混匀，选择B-Tox模式进行测试，先读取0.1 mL复苏菌液的发光强度，再取渗透调节后的水样0.9 mL加入到0.1 mL复苏菌液中，混匀后恒温15 min测其相对发光度。根据前后发光强度的变化来计算样品的相对发光度。

质量保证和质量控制。阴性对照采用标准稀释水，须确保阳性对照(质量浓度为9.67 mg/L的ZnSO4·7H2O溶液)的毒性介于20%～80%。样品每组3个平行，3次重复测定结果的相对偏差应不大于15%。

（3）Toxcontrol连续在线毒性监测

毒性监测过程。本研究中利用1台Toxcontrol系统分别连续监测某污水处理厂3个不同工艺段(初沉池、生化二沉池和排水口)出水的综合毒性。以水泵抽取初沉池、二沉池和排水口的出水，通过PVC软管将废水连接到Toxcontrol系统作为测试水样，研究采用费氏弧菌冻干粉通过孵育后进行发光细菌毒性检测，每个工艺段连续检测24 h。每个工艺段测试完成后都进行仪器清洗和维护，并更换不同的PVC软管、注射器并清洗吸头和黑色连接胶管以防交叉污染，导致毒性差异。连续在线毒性监测结果可以从Toxcontrol系统中使用Toxview软件导出。

质量保证和质量控制。Toxcontrol仪器的报警限值设置为相对发光率80%(即光损率为20%)，光损率大于20%时立即报警。阴性对照采用标准稀释水，阳性对照采用质量浓度为11.17 g/L的 ZnSO4·7H2O溶液。运行Positive Control Measurement程序，阳性对照的光损失必须〉40%。每运行Normal Toxicity Measurement程序99次后运行该程序1次。运行Negative Control Measurement程序，2个检测器间的相对偏差在±5%内。每运行Normal Toxicity Measurement程序99次后运行该程序1次。Toxcontrol检测过程确保修正系数CF值在0.6～1.8之间，确保发光细菌初始发光量必须大于50 000(当发光量低于此值时，误差会变大)，确保仪器具有很好的温控条件。

1.3 数据处理

实验室分析数据每组实验重复3次，得到3组数据，应用Excel 2007分析得出平均值和标准偏差。图表绘制使用Excel 2007。

2 结果与讨论

2.1 废水理化监测指标结果

每天手工采集的污水厂排水口出水实验室内分析6批，连续监测3 d。监测结果如下：pH值为6.9～7.9，CODCr质量浓度为54～78mg/L，NH3-N质量浓度为0.45～1.94 mg/L，TP质量浓度为0.19～0.44 mg/L。在线污染源监测系统间隔2h检测1次，连续监测3d，排水口出水的CODCr质量浓度为58～71mg/L，NH3-N质量浓度为1.2～1.9 mg/L，TP质量浓度为0.2～0.4 mg/L。根据DB 32/1072—2007《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》，CODCr，NH3-N和TP的排放限值分别为80，5和0.5 mg/L。由此可知，排水的常规理化指标在连续监测的时间段均满足排放标准，可以排放。

2.2 生物在线综合毒性测试结果

2.2.1 瞬时样综合毒性结果

Toxcontrol系统毒性检测瞬时样品结果通过Toxview获得，见图1。初沉池、二沉池和排水口出水的光损值分别为99.8%，73.1%和100%。

图1 11月16日Toxcontrol检测瞬时样品急性毒性

初沉池、二沉池和排水口出水利用便携式DeltaTox毒性监测结果见表1。光损值分别为(98.90±0.36)%，(87.63±2.74)%和(99.93±0.12)%。参照中国科学院南京土壤所提出的发光细菌急性毒性等级划分方法可知[7]，不同工艺段的瞬时水样采用Toxcontrol系统和DeltaTox毒性检测仪的监测结果均为高毒，二沉池出水毒性稍低。

表1 污水处理厂不同工艺段出水瞬时样品急性毒性

2.2.2 生物在线连续样品综合毒性监测结果

污水处理厂不同工艺段出水的急性毒性见图2。初沉池主要是原水经絮凝、pH值调节后的出水，通过监测发现原水的毒性非常强，毒性最低值为83.8%(高毒)，最大值达到 100%(剧毒)，平均光损值为95.6%(高毒)；二沉池是经过活性污泥生化处理后的出水，通过监测发现二沉池的排水毒性也非常强，毒性最低值为66.9%(中毒)，最大值达到98.4%(高毒)，平均光损值为 82.3%(高毒)，与初沉池相比，二沉池的平均排水毒性略有削减，表明废水经过二沉池工艺段的处理后可以去除一部分致毒物质；通过监测发现排水口排水的毒性非常强，毒性最低值为90.2%(高毒)，最大值达到 100%(剧毒)，平均光损值为97.9%(高毒)，与初沉池、二沉池的排水毒性相比，平均排水毒性最强，并未实现毒性削减。一方面可能是整个工艺流程本身对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处理工艺段添加了过量的强氧化剂之后，产生了次生污染物，形成新的污染，反而造成毒性的增强[23]。

图2 污水处理厂不同工艺段出水的急性毒性

3 结论

本研究发现该污水处理厂排水的CODCr，NH3-N和TP可满足排放标准，但其排水毒性却为高毒。一旦直接排入受纳水体，将会对生态环境和人类健康构成很大的威胁。因此，在控制废水中污染物浓度的同时，应该重视废水生物毒性管理[24-25]，水质毒性监测应成为在线监测的重点[26-27]，对有效控制工业废水污染，保障生态安全及人类健康具有重要意义。

Toxcontrol系统监测发现初沉池、二沉池和排水口的排水均具有较高的毒性，且平均毒性大小顺序为：排水口〉初沉池〉二沉池。利用Toxcontrol系统能实时、连续监测排水综合毒性，可以弥补常规理化指标的不足，将化学手段和生物学指标相结合，可以客观、准确地反映废水的生态安全性。研究可为政府部门排污许可监测优化管理和污染源调查、制修订污水排放综合毒性标准提供技术支撑，对相关行业企业污水处理效率、处理工艺进行评价和毒性减排提供技术指导。