某石化废水的综合毒性评价及其处理工艺对毒性的削减规律研究

张瑛，曹迪，胡丽萍，石柳，王栋，孟甜甜，郭溪，周集体

大连理工大学化工与环境生命学部环境学院，工业生态与环境工程教育部重点实验室，大连 116024

石油化学工业是指以石油馏分、天然气等为原料，生产有机化学品、合成树脂、合成纤维、合成橡胶等的化工工业，产品的生产过程会产生大量的废水。这些废水成分复杂，含有大量的芳香族化合物、有机酸、苯系物、酚、硫化物、重金属等有毒污染物[1-6]。目前石油化工行业废水常用的处理工艺有隔油、气浮、沉淀、生物处理及其他深度处理工艺，出水的理化指标基本都可以达标。目前，我国石化废水的排放执行《石油化学业污染物排放标准》(GB 31571—2015)，标准中对悬浮物、化学需氧量(COD)、氨氮、总磷、部分金属污染物和有机污染物等进行了浓度限值的规定。但是，研究表明：即使工业废水达到相关排放标准排放后，仍可能对生物产生毒害作用[7-8]。排水综合毒性测试(whole effluent toxicity, WET)将废水作为一个整体，利用水生生物毒性测试直接测量排水的综合毒性，对排水中的污染物进行联合毒性评价[9]，从而将控制常规污染物排放上升到控制有毒物质排放，客观地反映了排水的综合毒性。WET弥补了理化指标监测的不足，但是目前关于石化废水的毒性研究大都基于单一生物的毒性测试[10-12]，缺乏多生物的综合毒性测试，而研究者们普遍认为使用多种生物的联合毒性实验要比单一毒性实验更能全面反应废水的毒性[13-14]。因此，为了更好地了解石化废水的生物毒性及其生态风险，有必要对石化废水进行多种生物的毒性分析，以明确石化废水可能产生的生态风险。

为给废水处理技术的选择提供科学的依据，废水中毒性物质的鉴别是一个重要的手段。毒性鉴别评价方法(toxicity identification evaluation，TIE)，最初起源于20世纪90年代的美国，因其高效、准确的检测方法和严谨科学的思路，许多国家(如加拿大、美国、澳大利亚、意大利等)都陆续引进并采用了TIE技术，且制定了适合各国国情的技术指标[15-20]。我国学者也成功利用TIE技术对石化废水、制药废水、城市污水和沉积物等进行了相应的研究[10, 21-25]。

本研究以某石化企业的生产废水为研究对象，采用明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞3种生物，对石化废水处理工艺中各处理单元出水的急性毒性进行了检测，并对常规石化废水处理工艺对生物毒性的去除效果进行了分析。同时，结合TIE技术，对各工艺流程出水的主要致毒物质进行了初步鉴别。本文旨在为石化废水的综合生物毒性评价，及处理工艺对废水毒性的去除规律研究提供研究基础。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 水样采集

水样于2016年5月采自辽宁省某石化污水处理厂，其处理工艺流程及废水采样点如图1所示。水样采集时，用便携式溶解氧测定仪(YSI-550A，美国Mettler)现场测定溶解氧；水样采集后，贮存于聚乙烯塑料瓶中，立即运送回实验室测定其基本理化指标，用于毒性测试的水样置于4 ℃冰箱中冷藏保存。

图1 石化废水处理工艺流程及采样点注: A, 隔油池出水；B, 气浮池出水；C, 精除油池出水；D, 缺氧池出水；E, 三沉池出水。Fig. 1 Flowchart of petrochemical wastewater treatment plant and sampling schemeNote: A, effluent of oil separation; B, effluent of flotation tank; C, effluent of oil refining tank; D, effluent of anoxic tank; E, effluent of tertiary sedimentation tank.

1.2 理化指标的测定方法

水质理化指标按照国家标准《水和废水监测分析方法》[26]进行测试，其中pH值测定采用“水质 pH值的测定 玻璃电极法”(GB/T 6920)；COD测定采用“水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法”(GB/T 11914)；氨氮测定采用“水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法”(HJ 535)；总磷测定采用“水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法”(GB/T 11893)。

1.3 急性毒性实验

采用单一生物进行毒性试验时，由于选取指示生物灵敏性的差异，毒性评价效果差异较大[27]，为更加全面表征石化废水的生物毒性，本研究采用明亮发光杆菌(Photobacteriumphosphoreum)、斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)和大型溞(Daphniamagna)3种不同营养级水平的生物，对石化废水的急性毒性进行综合评价[28]。

明亮发光杆菌急性毒性实验：明亮发光杆菌的急性毒性实验根据“GB/15441—1995水质急性毒性 发光细菌法”进行。采用明亮发光杆菌(明亮发光杆菌T3，购自中国科学院南京土壤研究所)的冻干粉复苏法进行毒性试验，实验过程中以3% NaCl作为空白对照，各浓度的水样作为实验组，将水样按等比级数2稀释成5个浓度梯度，每个浓度设3个平行。明亮发光杆菌菌液与水样充分混匀后，用原子摩尔冷光检测仪(Lumin Max-C，美国Maxwell Sensors)测定明亮发光杆菌在水样中暴露15 min时的发光强度。结果以明亮发光杆菌15 min半数效应浓度(concentration for 50% of effect, EC50)对应的毒性单位TUa (acute toxicity unit, TUa=1/ EC50)[29]表示。

大型溞急性毒性试验：溞类的急性毒性实验根据“GB/T13266—91水质 物质对蚤类(大型溞)急性毒性测定方法”进行。以养殖水作为空白组，用大型溞(购自大连海洋大学)的养殖水按等比级数2将原水样稀释为6个浓度梯度，每个浓度3个平行，每个平行5只幼溞(3胎以后的幼溞，溞龄6 ～ 24 h)。培养条件为温度25 ℃，光照比16 h:8 h，平均光照强度5 000 lux，48 h后记录各组大型溞活动受抑制数。结果用48 h-EC50对应的毒性单位TUa表示。

斜生栅藻急性毒性试验：藻类的毒性实验根据OECD 201[30]进行。斜生栅藻(标号为FACHB-417，购自中国科学院水生生物研究所)，培养条件为温度25 ℃，光照比12 h:12 h，平均光照强度5 000 lux，每天定时摇动3次。将水样按等比级数2稀释成5个浓度梯度，每个浓度3个平行。暴露结束后，用乙醇提取法对叶绿素a含量进行测定[31]，暴露结束后，取20 mL暴露72 h后的藻液，5 000 r·min-1离心10 min，移去上清液，加入10 mL 95%的乙醇溶液，摇匀后超声破碎(功率750 W)20 min，避光条件下置于4 ℃冰箱浸提24 h，然后在10 000 r·min-1下离心10 min，用紫外可见光分光光度计(UV-560，日本JASCO)测定上清液在波长665 nm和649 nm处的吸光度。

1.4 废水的毒性鉴别

为了确定废水中的主要致毒物质，参照美国环保署制定的毒性鉴别方法—TIE法[20]，毒性鉴别评价试验分为3个阶段，分别是毒物特征试验、毒物鉴别试验和毒物确认实验。本研究主要进行了毒性特征和鉴别试验：对废水进行一系列适当的物理、化学处理，包括pH调节、pH调节/曝气、pH调节/过滤和pH调节/C18固相萃取。然后对未经处理和处理后的废水分别进行毒性试验，通过比较废水在处理前后的毒性变化，分析废水所含毒性物质的理化特性，判定毒性物质所属类别。

1.5 废水综合毒性的评价方法

目前，国内外对于生态毒性还没有形成统一的毒性分级标准，一般情况下，采用明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞等生物测定的工业废水的急性毒性实验结果，主要是按照Persoone等[32]提出的毒性单位(TUa)分级评定方法进行分级(如表1所示)，其中TUa<0.4时，表示排放废水对受纳水体的水生生物无急性毒性；当TUa>0.4，表示对生物有急性毒性。废水对明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞的急性毒性，分别采用15 min-EC50、48 h-EC50和72 h-EC50对应的TUa进行表征。

表1 工业废水生物毒性分级Table 1 Biotoxicity classification of industrial wastewater

1.6 数据分析

明亮发光杆菌的抑制率按照公式(1)[33]计算：

(1)

叶绿素a的含量(mg·L-1)和抑制率分别按照公式(2)[34]和(3)[30]计算：

C=13.95A665-6.88A649

(2)

A665和A649分别代表波长为665 nm和649 nm处的吸光度；

(3)

毒性的削减根据毒性单位TUa按照计算公式(4)和(5)[29]计算：

(4)

(5)

毒性实验结果以3次实验的平均值表示，用EC50软件(1.01版本，蓝宙软件)计算EC50值; 用SPSS软件(18.0版本，美国IBM)斯皮尔曼等级(spearman rank)进行不同生物和各理化指标的相关性分析(P<0.05，表示显著相关)。

2 结果(Results)

2.1 石化废水各处理单元出水的理化指标

表2 石化废水各处理单元出水的常规理化指标Table 2 Physicochemical parameters of the petrochemical wastewater samples from different units

表3 石化废水各单元出水的生物毒性及生物毒性与理化指标的相关性Table 3 Acute toxicity of petrochemical wastewater samples and the correlation of acute toxicity and physicochemical parameters

注：r为相关性系数(*表示显著相关)；P为显著性水平(P< 0.05表示显著相关)。

Note：r, the correlation coefficient (* represents significant correlation);P, the significance level (P<0.05 represents significant correlation).

图2 石化废水不同处理单元出水生物毒性变化Fig. 2 Changes of acute toxicity of petrochemical wastewater samples from different units

石化废水各处理单元出水的理化指标测定结果见表2，该处理工艺对COD和氨氮处理效果明显，去除率分别达到87.1%、97.8%。经过处理后的最终出水，除总磷稍超出标准值以外，其他主要理化指标都达到了《石油化学工业污染物排放标准》(GB 31571—2015)规定的排放标准。

2.2 现行处理工艺对石化废水毒性的削减

现行处理工艺中石化废水各处理单元出水对明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞的毒性数据如表3所示。其中，处理后的出水对明亮发光杆菌的TUa值为0.15，无急性毒性，而对斜生栅藻和大型溞的毒性级别分别为中毒和低毒。从表3中的TUa值可以看出，现行处理工艺下，废水对明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞和的毒性分别削减了96.4%、74.3%和99.5%。

石化废水生物毒性随处理单元变化如图2所示。从图2可以看出，虽然在精除油池过程中废水的毒性有所增加，但是该处理工艺最终可以很好的去除废水的急性生物毒性。具体来说，气浮池和三沉池对明亮发光杆菌毒性的去除效果明显，相比单元进水(隔油池出水和缺氧池出水)毒性分别降低了74.7%和83.3%；气浮池和缺氧池对大型溞的毒性去除效果明显，相比单元进水(隔油池出水和精除油池出水)毒性分别降低了90.0%和95.0%；缺氧池对斜生栅藻的毒性去除效果明显，相比单元进水(精除油池出水)毒性降低了86.3%。

2.3 石化废水毒性与理化指标的相关性分析

为探究石化废水对明亮发光杆菌、斜生栅藻和大型溞的毒性效应与其理化指标之间的关联，将石化废水对3种生物的毒性效应与其理化指标(COD、DO、氨氮、总磷和pH)进行相关性分析。分析结果如表3所示，其中废水对明亮发光杆菌的毒性与氨氮含量显著相关(r=0.920,P<0.05)。

2.4 石化废水各单元出水毒性鉴别

为进一步分析了解石化废水中毒性物质的类别，并鉴于明亮发光杆菌急性毒性测试具有反应迅速，检测灵敏，成本低等特点[35]，本研究采用明亮发光杆菌进行毒性鉴别阶段的毒性测试。

石化废水的隔油池出水及其经过物理化学处理后对明亮发光杆菌的毒性变化见图3a。隔油池出水对明亮发光杆菌的TUa值为4.15，毒性级别为中毒，表明隔油池出水对明亮发光杆菌具有较高的发光抑制作用。隔油池出水经曝气、过滤和C18固相萃取处理后，其毒性明显降低，TUa值分别为1.98、0.42和0.26，对应的毒性级别分别为中毒、微毒和无急性毒性，表明隔油池出水主要毒性物质为挥发性、可滤型和非极性有机物；经pH调节/曝气处理毒性值没有降低，表明挥发性毒物在酸碱中可以稳定存在；经pH调节/过滤处理后的隔油池出水毒性明显高于只进行过滤处理的毒性，表明部分可滤型毒物经酸碱调节后转化为溶解态毒性物质；经pH调节/C18固相萃取处理后的隔油池出水毒性略高于只进行C18固相萃取处理的毒性，表明部分非极性有机毒物在酸性或碱性条件下转化为极性毒物。

石化废水的气浮池出水及其经过物理化学处理后对明亮发光杆菌的毒性变化见图3b。经气浮池处理后，废水的TUa由隔油池出水的4.15 降低到1.05，毒性削减了74.7%，毒性级别为中毒，表明该处理单元对石化废水毒性的削减效果明显。气浮池出水经曝气、过滤和C18固相萃取处理后毒性TUa值分别为0.79、0.67和0.25，毒性级别分别为微毒、微毒和无急性毒性；经pH调节/曝气或pH调节/过滤处理后，气浮池出水对明亮发光杆菌仍然具有微毒，表明气浮池出水挥发性物质和可滤型物质引起的毒性较小；而经pH调节/C18固相萃取处理后的毒性明显降低，毒性级别为无急性毒性，说明气浮池出水的主要致毒物质是非极性有机物。

石化废水的精除油池出水及其经过物理化学处理后对明亮发光杆菌的毒性变化见图3c。经精除油池处理后，废水的TUa值由气浮池出水的1.05降低到0.94，毒性削减了10.5%，毒性级别为微毒，表明该处理单元对毒性削减较小。经曝气、过滤和C18固相萃处理后的废水TUa值分别为0.88、0.94和0.19，毒性级别分别为微毒、微毒和无急性毒性，其中经固相萃取处理后的毒性削减了79.8%，表明精除油池出水的主要致毒物质是非极性有机物；而经pH调节/曝气、pH调节/过滤处理后的废水对明亮发光杆菌的毒性没有明显变化，表明此单元中废水中的致毒物质不易通过曝气、过滤等处理方法去除，即挥发性和可滤型物质对精除油池出水的毒性贡献较小。

图3 石化废水各单元出水的毒性鉴别评价Fig. 3 TIE for petrochemical wastewater samples from each treatment stage

石化废水的缺氧池出水及其经过物理化学处理后对明亮发光杆菌的毒性变化见图3d。经缺氧池处理后，废水的TUa值由精除油池出水0.94降低到0.90，毒性削减了4.3%，毒性级别为微毒，表明缺氧池对发光菌毒性削减较小。经曝气、过滤和C18固相萃处理后的废水TUa值分别为1.02、0.58和0.05，毒性级别分别为中毒、微毒和无急性毒性，其中经C18固相萃取处理后的毒性削减了94.4%，表明精除油池出水的主要致毒物质仍是非极性有机物；经pH调节后，缺氧池出水毒性物质出现波动，表明此阶段致毒物质受pH变化影响较大。

石化废水的沉淀池出水及其经过物理化学处理后对明亮发光杆菌的毒性变化见图3e。经沉淀池处理后，废水的TUa值由缺氧池的0.90降低到为0.15，毒性削减了83.3%，显示为无急性毒性，表明沉淀池对毒性有较好的去除效果。经曝气、过滤和C18固相萃处理后的废水TUa值分别为0.17、0.16和0.04，毒性级别均为无急性毒性，其中经C18固相萃取处理后的毒性削减了73.3%，表明精除油池出水仍含有非极性有机物；与未处理组相比，经pH调节/曝气、pH调节/过滤处理后的废水对明亮发光杆菌的毒性稍有增加，表明部分毒性物质经过酸碱调节后溶解；经pH调节/C18固相萃取处理后的废水对明亮发光杆菌的毒性进一步降低(TUa由0.15降低为0.04)，表明沉淀池出水仍含有非极性有机毒物。

3 讨论(Discussion)

本研究中所用的石化废水处理工艺对石化废水中的主要污染物质，如COD和氨氮，有较好的处理效果。但是，总磷含量在缺氧池单元出现明显波动，含量达到了最大(9.14 mg·L-1)，且该单元溶解氧含量明显降低(DO值0.15 mg·L-1，低于缺氧反应0.30～0.50 mg·L-1的范围[36])，推测原因可能是由于油类分散于水体，影响空气进入水体，导致单元整体溶解氧含量较低；总磷含量的波动可能与缺氧池中溶解氧过低，微生物的生化能力受到抑制而进行厌氧释磷有关[37]。为探究废水生物毒性与其理化指标的关系，本研究对废水的综合毒性效应与理化指标(COD、DO、氨氮、总磷和pH)进行了相关性分析，结果表明明亮发光杆菌的急性毒性与氨氮含量呈显著相关性(r=0.920，P=0.027)。

本研究所用的石化废水，其中隔油池出水对大型溞的急性毒性TUa值为200.0(EC50值0.5%，死亡率接近100%)，推测原因可能与隔油池的油性物质有关[38]：隔油池对密度小于1.0 g·cm-3的可浮油有较好的去除效果，但无法去除细分散油、乳化油和溶解油，这些疏水的油性物质包裹着大型溞，对大型溞的活动造成了影响；同时，大型溞为了吸取水中的氧气，使水不断进出体内，油类等毒性物质更容易在体内富集。

本研究中的石化废水处理单元中，发现精除油单元中的大型溞毒性有所升高，推测原因可能与该单元的污染物转化有关。经精除油池处理前后，COD、氨氮和总磷浓度几乎没有变化(表3)，而对大型溞的毒性增加，对比气浮池出水和精除油池出水分别经曝气和过滤后对发光菌的毒性，在去除挥发性和可滤型物质后毒性稍有增加，而C18固相萃处理后毒性明显下降，推测可能是在该单元内非极性有机毒物的毒性增加所致，具体原因有待进一步探讨。

石化废水对3种受试生物的毒性效应有较大的差异，如隔油池出水对明亮发光杆菌的TUa为4.15，对斜生栅藻的TUa为26.46，对大型溞的TUa为200；另外，经缺氧池处理后，废水对斜生栅藻和大型溞的毒性分别降低了86.3%和95.0%，而对明亮发光杆菌的毒性仅降低了4.3%。这表明，同种废水对不同生物产生的毒性效应存在明显的差异，与单一生物毒性检测相比，综合多种生物进行毒性试验能更全面、客观的评价废水的毒性效应[7, 39]。因此，如果只是通过单一生物的毒性检测，往往会忽略部分废水产生的其他生物毒性效应，而建立成组生物毒性测试来评价废水的毒性效应，能够更加客观、全面地评价废水对水生生物系统甚至人类健康的潜在危险。

对废水中毒性物质的类别进行鉴别，对于废水处理技术的选择具有重要的意义。本研究结果表明，非极性有机物对各单元废水的急性毒性始终有较大的贡献，现有处理工艺中的缺氧池对非极性有机物、挥发性物质和可滤型物质均有较好的去除作用。陈文艳等[39]用斑马鱼和发光菌对某制革废水各单元出水急性毒性和成分进行了分析，结果表明，周期循环活性污泥处理(CASS)对制革废中的有机物、氨氮、含磷类和金属类毒性物质有较好的去除效果；Yu等[40]用费氏弧菌对某抗生素废水处理厂各单元出水急性毒性和废水成分进行了检测，结果表明，好氧生物处理对抗生素废水中的有机物、含氮化合物和挥发性酚类毒性物质有较好的去除效果。鉴于废水种类复杂多样，废水毒性鉴别对如何选择适宜的处理工艺，进而有效去除废水中的污染物和生物毒性有至关重要的意义。

综上所述，结论如下 ：

(1)本研究中的石化废水处理工艺可以保证出水COD、氨氮达到国家规定的排放标准，同时对生物毒性也有较好的去除效果。

(2)对石化废水各处理工艺段出水进行毒性鉴别的结果表明，石化废水中主要毒性物质为挥发型、可滤型和非极性有机物，其中非极性有机物对毒性的贡献较大。

(3)生物毒性测试与理化指标监测并用很重要，只进行理化指标检测，或单一生物毒性检测，往往会忽略部分废水产生的生物毒性效应。

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