制革廢水和印染廢水的綜合毒性評(píng)估

　　印染廢水和制革廢水是難處理廢水之一，其中印染廢水特點(diǎn)是有機(jī)物含量高、成分復(fù)雜、水質(zhì)變化大、色度深，堿性強(qiáng)、有毒物質(zhì)多等，主要含有酸堿調(diào)節(jié)劑、重金屬離子、印染助劑和染料，制革廢水具有色度深、懸浮物多、堿性大、耗氧量高含有較多的鉻和硫化物等有毒的物質(zhì)[1, 2, 3, 4, 5]. 研究表明有些處理后的工業(yè)廢水的出水理化指標(biāo)雖然達(dá)到國(guó)家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)常仍然對(duì)受試生物仍表現(xiàn)出一定的毒性[6]. 生物毒性測(cè)試結(jié)合毒性評(píng)價(jià)方法彌補(bǔ)了理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)不足，對(duì)于廢水的安全排放提供更有意義的參考[7]. 因此，廢水生物毒性的評(píng)估對(duì)于廢水排放管理是必要的.

　　目前對(duì)于廢水毒性評(píng)估方法有三類(lèi)：①是通過(guò)毒性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，如平均毒性(average toxicity,AvTx )法[8]、毒性指數(shù)(toxic print，TxPr)法[8]、潛在毒性(potentia toxicologiae，pT)法[9]、最敏感的測(cè)試(most sensitive test，MST)法[10]、效應(yīng)-稀釋平均比(effect-dilution average ratio，EDAR) 法[11]等毒性分類(lèi)體系，主要用于評(píng)估廢水處理工藝的效果、廢水分級(jí)以及確定優(yōu)先控制污染源. ②融入了收納環(huán)境的特征，包括潛在的生物降解能力、環(huán)境中其它生態(tài)、生物或物理化學(xué)參數(shù)等. ③將廢水毒性與毒性負(fù)荷相結(jié)合，如Costan等[8] 于1993年提出的潛在毒性效應(yīng)(potential ecotoxic effects probe，PEEP)指數(shù)法，在多種生物毒性測(cè)試及生態(tài)毒理的測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，還綜合考慮了工業(yè)廢水的排放量與毒性之間的關(guān)系. 美國(guó)環(huán)保署(USEPA)提出TIE(toxicity identification evaluation)[12, 13, 14]. 毒性鑒別評(píng)價(jià)體系，用于廢水中致毒物質(zhì)鑒別. 目前國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者分別采用了生物毒性測(cè)試[15]和毒性鑒定評(píng)價(jià)[16, 17, 18]，但在成組生物毒性基礎(chǔ)上對(duì)廢水毒性削減程度和毒性鑒別聯(lián)合評(píng)估的研究尚不多見(jiàn).

　　本研究采用了發(fā)光菌急性毒性試驗(yàn)、斑馬魚(yú)幼魚(yú)急性毒性試驗(yàn)、斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育毒性試驗(yàn)及小球藻生長(zhǎng)抑制試驗(yàn); 然后通過(guò)毒性單位及4種綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)AvTx、TxPr、MST及PEEP對(duì)制革及印染廢水不同工業(yè)段的出水毒性進(jìn)行了全面而綜合的評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果得到不同工藝段的削減情況. 最后對(duì)印染廢水進(jìn)行毒性鑒別評(píng)估，從而確定導(dǎo)致廢水產(chǎn)生毒性物質(zhì)類(lèi)型. 1 材料與方法 1.1 水樣采集及存儲(chǔ)

　　污水A來(lái)自桐鄉(xiāng)市S制革廢水處理廠(chǎng)(見(jiàn)圖 1). 污水B 來(lái)自嘉興市P印染廠(chǎng)(見(jiàn)圖 2). 水樣采集后，并置于4℃下冷藏. 使用前取出，自然升溫至24~26℃.

　　圖 1 制革廢水采樣點(diǎn)示意

　　圖 2 印染廢水采樣點(diǎn)示意

　　1.2 儀器與試劑

　　原子吸收光譜(240Duo，安捷倫); 紫外分光光度計(jì)(Cary100，安捷倫); 倒置顯微鏡(Nikon,TS100-F); 細(xì)胞培養(yǎng)板(Corning/Costar Co.,USA); 微孔板型多功能檢測(cè)儀(PromegaCo.USA，Glomax Multi); 隔膜真空泵(GM-0.33A); 過(guò)濾裝置(T-50); C18柱(WondaSep，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司); 玻璃纖維濾膜(Ф50，海寧市鹽官飛特過(guò)濾器材廠(chǎng)).

　　試驗(yàn)所用主要試劑：氯化鈣、硫酸鎂、碳酸氫鈉、氯化鉀、檸檬酸、檸檬酸鐵胺、乙二胺四乙酸二鈉、硝酸鈉、磷酸氫二鉀、七水硫酸鎂、二水合氯化鈣、碳酸鈉、硼酸、四水合氯化錳、七水合硫酸鋅、二水合高錳酸鈉、五水合硫酸銅、六水合硝酸鈷、EDTA、硫代硫酸鈉、甲醇、二氯甲烷、己腈、氯化鈉(上述試劑均為分析純). 數(shù)據(jù)處理使用Origin 8.0軟件. 1.3 試驗(yàn)方法 1.3.1 基本理化監(jiān)測(cè)指標(biāo)

　　pH值(玻璃電極法，GB/T 6920-1986); COD(重鉻酸鉀法，GB/T 11914-1989); NH4+-N(納氏試劑比色法，GB/T 7479-1987); TP(鉬酸銨分光光度法，GB/T 11893-1989); 電導(dǎo)率(電導(dǎo)儀，參考文獻(xiàn)[19]的方法); Cu、Pb、Zn、Cd、Cr(原子吸收分光光度計(jì)，GB/T 7475-1987). 1.3.2 斑馬魚(yú)幼魚(yú)急性毒性及胚胎發(fā)育毒性試驗(yàn)

　　幼魚(yú)的獲得：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期穩(wěn)定培養(yǎng)的達(dá)到性成熟斑馬魚(yú)，按照雌雄比1 ∶2的比例置于孵化盒中孵化，挑出正常幼魚(yú)用于急性毒性試驗(yàn); 形成受精卵后，立即收集魚(yú)卵，用標(biāo)準(zhǔn)稀釋水沖洗2~3次，取出殘留物，用顯微鏡挑出正常分裂的胚胎，用于斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育毒性試驗(yàn). 96 h斑馬魚(yú)幼魚(yú)急性毒性試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[20]; 斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育毒性試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[21]. 1.3.3 發(fā)光菌急性毒性試驗(yàn)

　　供試生物：明亮發(fā)光桿菌(Photobacterium phosphoreum)T3小種，實(shí)驗(yàn)室制作的發(fā)光細(xì)菌凍干粉，初始發(fā)光強(qiáng)度高于200萬(wàn)光子數(shù). 方法參考劉保奇等[22]的研究.

　　1.3.4 小球藻生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)

　　試驗(yàn)用小球藻(Chlorella vulgaris). 小球藻生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[23]. 最大吸收峰及小球藻初始接種濃度的確定參考梁長(zhǎng)華[24]的研究，得到藻液的最大吸收波長(zhǎng)為685 nm.

　　1.3.5 毒性鑒別評(píng)估

　　經(jīng)曝氣、過(guò)濾、添加Na2S2O3、添加EDTA及C18固相萃取等一系列物理化學(xué)處理后，用發(fā)光菌分別對(duì)處理后廢水、洗脫液與未處理的廢水進(jìn)行毒性比較，毒性試驗(yàn)同1.3.3節(jié)[12, 13, 14]. 2 計(jì)算公式及毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

　　2.1 毒性計(jì)算公式

　　AvTx的計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)[25].

　　式中，Ti為第i個(gè)毒性試驗(yàn)的毒性單位; N為參與評(píng)價(jià)的生物毒性指標(biāo)數(shù).

　　TxPr的計(jì)算公式見(jiàn)公式(2)[25].

　　式中，n為生物測(cè)定為陽(yáng)性結(jié)果的毒性試驗(yàn)數(shù).

　　MST為最敏感的測(cè)定生物測(cè)定所對(duì)應(yīng)的毒性單位值，即毒性單位最大值[25].

　　PEEP的計(jì)算見(jiàn)公式(3)[8].

　　式中，Ti為第i個(gè)毒性試驗(yàn)的毒性單位; n為生物測(cè)定為陽(yáng)性結(jié)果的毒性試驗(yàn)數(shù); N為參與評(píng)價(jià)的生物毒性指標(biāo)數(shù); Q為排水量(m3 ·h-1).

　　2.2 毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

　　對(duì)不同待測(cè)廢水的急性(發(fā)育)毒性進(jìn)行等級(jí) 評(píng)定，毒性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別根據(jù)毒性單位的大小[26]、AvTx、TxPr及MST大小[27]、PEEP大小對(duì)水樣的綜合毒性進(jìn)行等級(jí)評(píng)定[8].

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 基本理化指標(biāo)

　　制革和印染廢水的各工藝段的重金屬含量見(jiàn)表 1和2，常規(guī)理化指標(biāo)見(jiàn)表 3和表 4，主要指標(biāo)分別達(dá)到了《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 343-2010)的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接排放.

　　表 1 制革廢水進(jìn)水及各工藝段的重金屬含量

　　表 2 印染廢水進(jìn)水及各工藝段的重金屬含量

　　表 3 制革廢水常規(guī)理化指標(biāo)

　　表 4 印染廢水常規(guī)理化指標(biāo)

　　3.2 制革廢水和印染廢水的綜合毒性削減評(píng)估

　　對(duì)于制革廢水和印染廢水的毒性評(píng)估以及處理工藝的毒性削減分析，選擇合適的評(píng)價(jià)指數(shù)很重要. 當(dāng)采用單一指示生物時(shí)，由于指示生物的靈敏度、選擇性的差異，毒性評(píng)價(jià)效果差異較大. 如表 5可見(jiàn)，制革進(jìn)水經(jīng)過(guò)混凝沉淀及CASS工藝處理后對(duì)發(fā)光菌和斑馬魚(yú)幼魚(yú)的TU值均為0，顯示無(wú)毒，而對(duì)斑馬魚(yú)胚胎以及小球藻的毒性大小依次顯示為微毒、微毒. TU值表明經(jīng)過(guò)混凝沉淀及CASS工藝，對(duì)發(fā)光菌、斑馬魚(yú)幼魚(yú)、斑馬魚(yú)胚胎和小球藻的毒性削減了100%、100%、90.3%和93.3%. 經(jīng)過(guò)混凝沉淀和CASS工藝后AvTx、TxPr、MST和 PEEP的結(jié)果分別顯示為，有毒，微毒，微毒、微毒. 其中TxPr最為敏感，得到進(jìn)水、混凝沉淀和CASS池分別呈現(xiàn)極毒、有毒、有毒.

　　對(duì)于印染廢水毒性評(píng)估如表 6，可見(jiàn)進(jìn)水經(jīng)過(guò)厭氧池、好氧池及菌泥分離池工藝處理后對(duì)于發(fā)光菌的TU值為0.27，顯示無(wú)毒，而對(duì)斑馬魚(yú)幼魚(yú)、斑馬魚(yú)胚胎以及小球藻的毒性大小依次為低毒、微毒、微毒. TU值表明經(jīng)過(guò)厭氧池、好氧池及菌泥分離池工藝處理后對(duì)于發(fā)光菌、斑馬魚(yú)幼魚(yú)、斑馬魚(yú)胚胎和小球藻的毒性削減了84.1%、66.7%、87.4%和93.1%. 而通過(guò)AvTx、TxPr、MST和 PEEP的評(píng)價(jià)結(jié)果分別顯示為，微毒，有毒，微毒、微毒. 其中TxPr最為敏感，得到進(jìn)水、厭氧池、好氧池及菌泥分離池分別呈現(xiàn)極毒、極毒、有毒、有毒.

　　表 5 制革廢水的毒性當(dāng)量及根據(jù)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的廢水毒性評(píng)價(jià)1)

　　表 6 印染廢水的毒性當(dāng)量及根據(jù)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的廢水毒性評(píng)價(jià)

　　圖 3 不同化學(xué)處理后的印染廢水對(duì)發(fā)光菌的毒性當(dāng)量

　　通過(guò)對(duì)本試驗(yàn)中兩種廢水的毒性評(píng)價(jià)可以看出，TxPr最為敏感; 在不考慮排放量的情況下根據(jù)AvTx、TxPr、MST指標(biāo)顯示S制革廢水出水毒性略低于P印染廢水出水，但是考慮排放量情況下PEEP評(píng)價(jià)結(jié)果顯示S制革廢水出水毒性又略高于P印染廢水出水毒性，因此可以得到PEEP能夠更綜合地評(píng)價(jià)廢水的毒性，為相關(guān)部門(mén)排放提供參考.

　　3.3 毒性鑒別評(píng)估

　　圖 3為未處理及經(jīng)不同物理化學(xué)處理后的印染廢水對(duì)發(fā)光菌的毒性當(dāng)量. EDTA添加處理組對(duì)毒性的削減程度明顯高于要曝氣處理組和Na2S2O3添加處理組，但低于過(guò)濾處理組對(duì)毒性的削減程度. 過(guò)濾后再進(jìn)行添加EDTA和Na2S2O3處理后的毒性變化與之前類(lèi)似，表明重金屬及可濾型物質(zhì)對(duì)印染廢水的生物毒性具有部分貢獻(xiàn). 本研究對(duì)5種重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd及Cr)的含量進(jìn)行了測(cè)定，其中Cu、Zn的含量較高，因此推測(cè)印染廢水的部分毒性來(lái)自于金屬Cu和Zn. 房春娟等[28]指出Cu對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3的EC50為6.328 mg ·L-1; 于海等[29]報(bào)道，Zn對(duì)明亮發(fā)光桿菌T3的EC50為5.1 mg ·L-1. 因此可計(jì)算出該印染廢水中金屬Cu、Zn對(duì)發(fā)光菌的毒性當(dāng)量分別為0.06 TU及0.30 TU，基本與經(jīng)EDTA添加處理后降低的毒性當(dāng)量一致. 與未經(jīng)處理的印染廢水相比，經(jīng)C18固相萃取柱處理后，毒性得到了顯著降低; 洗脫液均存在毒性; 對(duì)于進(jìn)水、厭氧池、好氧池及菌泥分離池出水，與未處理組的毒性相比，過(guò)濾及C18固相萃取處理組均顯現(xiàn)出明顯的毒性降低，特別是C18固相萃取處理組更顯著. 綜合以上結(jié)果分析表明，推測(cè)非極性有機(jī)污染物是印染廢水中主要的致毒物質(zhì)，而可濾型物質(zhì)、重金屬、氧化性和揮發(fā)性物質(zhì)導(dǎo)致的毒性較小. 4 結(jié)論

　　(1)通過(guò)比較毒性單位、AvTx、TxPr、MST及PEEP這5種毒性評(píng)價(jià)法，PEEP法能夠更有效、全面而綜合地評(píng)價(jià)廢水毒性; 由制革及印染廢水的綜合毒性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，目前的排污標(biāo)準(zhǔn)還不能完全避免有毒廢水的排放.

　　(2)印染廢水毒性鑒別評(píng)估表明現(xiàn)有處理工藝對(duì)于可濾性物質(zhì)有較好降解，非極性有機(jī)物在一定程度上得到降解，而對(duì)于重金屬和氧化物的去除率相對(duì)較低，由于經(jīng)整個(gè)工藝處理后，非極性有機(jī)物的毒性貢獻(xiàn)率降低，重金屬及氧化物的毒性貢獻(xiàn)率增大. 因此，對(duì)于印染廢水深度處理及回用，深度處理工藝應(yīng)更多考慮重金屬和氧化物的去除.(來(lái)源及作者：常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 黃利、陳文艷、萬(wàn)玉山、鄭國(guó)娟、趙遠(yuǎn)、蔡強(qiáng))