CN103760315A - 一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，属于污水处理领域。本发明通过（1）污水毒性的大型蚤急性毒性生物检测；（2）检测污水中疑似致毒物质；（3）污水中的主要致毒物质的确认；通过采用氮气吹脱处理2h；调节pH=6后进行氮气吹脱处理2h、调节pH=6并进行氮气吹脱2h后pH调到8.5，通过检测上述三种处理后的水样中大型蚤的半性致死率24h-LC50的变化，和通过回加疑似致毒物质来确认污水中导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质。本发明的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法具有成本低、周期短的优点。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，特别涉及一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法。
背景技术
随着科学技术的进步，工农业生产的飞速发展、以及城市化进程的不断推进，人们生产、生活产生的污污水排放量迅猛增加、污染物种类大量增加，致使水环境污染负荷日益严重，环境水体污染日趋复杂，在监测分析水中污染物时，除进行传统水质理化指标参数分析外，更须考虑有害物质或毒性物质对水体环境的影响。目前，我国环保部门在对污水的监督监测中主要执行国家污水综合排放标准（GB8978-1996），并根据所属行业排污特征，选择相应的化学指标对企业所排污水进行监控，但我国工业污水成份复杂，而且污染物之间的毒性效应往往还具有加和、协同、拮抗等作用，仅靠常规的理化监测指标，尚不能很好地反映污水，尤其是有毒污水对水体环境的影响与危害。
国内的综合污水排放标准中，污水的毒性问题并未引起足够的重视，而反观欧美等发达国家，例如美国、英国、法国、加拿大等都制定了相应的污水毒性排放标准。广泛应用于国外的污水排放的监控与管理当中的全污水毒性测试（whole effluent toxicity，WET）技术，是一种检测污水中综合毒性效应的一种有效方法，其所测试出的毒性表现为污水中的综合毒性，并且监控的毒物范围广泛。美国1984年3月颁布了“国家污染物排放淘汰制度”（national pollutant discharge elimination system，NPDES），它要求在确定排放许可证的排放标准时，采用全污水的生态毒性试验手段，以禁止有毒有害物质的排放，即采用WET测试技术监控污水中的毒物（尚惠华,金洪钧,崔玉霞.水环境毒物污染点源的生态风险管理现状与展望[J].应用生态学,2002,13(5)：620-624.）。1995年，美国EPA修改了对污染物分析的测试程序指南，添加了17种WET测试方法来直接检测污水和地表水的急性和慢性毒性（Thayumanavan P，Nelson P O.Application of whole effluent toxicity test procedures for ecotoxicological assessment of industrial wastes used as highway construction materials[M].Grzegorz B.The handbook of environmental Chemistry，Springer Berlin Heidelberg,2005:111-131.）。在英国，WET被称为直接毒性评价（direct toxicity assessment，DTA），1996年引入全污水的生态毒性检测法以监控组分复杂污水的排放（Coombe V T，Moore K W，Hutchings M J.TIE and TRE：An abbreviated guide to dealing with toxicity[J].Water.Sci.Technol.，1999，39(10)：91-97.）。其余的许多发达国家都已经采用WET方法的指引方针或有意向引入WET技术作为常规的监测指标。
WET技术也有其自身的缺陷，例如：它只能测试出污水的综合毒性而不能说明污水中单个物质的毒性大小，而且也不能检测出污水中的关键毒物是什么，因此，美国环保总局EPA于20世纪90年代初开始采用全污水毒性试验与污水组分分级分离的化学分析手段相结合的方法，即毒性鉴别评价（toxicity identification evaluation，TIE），以此来弥补WET技术的不足（U.S.EPA.Methods for aquatic toxicity identification evaluations：PhaseⅡ，toxicity identification procedures for samples exhibiting acute and chronic tox icity[M].Environmental Research Laboratory,1993(a)：1-90.）。
WET和TIE技术主要应用于排放至自然水体的污水生物毒性评价。对于城市污水处理厂而言，除了生活污水之外，部分工业污水也会通过污水管网进入城市污水处理厂进行进一步处理后然后再排放至自然水体中。城市污水处理厂最广泛应用的是生物处理工艺，活性污泥中的生物活动对污水的成功处理与否至关重要，而进水污水含有的毒性组分将会对活性污泥的生物群落产生抑制或毒性作用（Shijin Ren.Assessing wastewater toxicity to activated sludge:recent research and developments[J].Environment International,2004,30:1151–1164.）。目前世界各国都没有对排放进入污水处理厂的污水进行直接的毒性测试，国内环保职能部门仅对污水处理厂的排水进行监督和控制，缺乏对污水处理厂进水水质的监管，导致进水水质经常超出设计处理值。更有甚者，有些企事业单位将有毒有害物质直接排入城市污水管网，致使污水处理厂无法正常处理，这些工业生产中产生的高毒物浓度污水有时会毫无预警地进入活性污泥处理系统中，有毒废液的冲击常会导致污水处理系统的活性污泥因中毒而失活或活性下降，严重降低污水处理厂出水水质甚至导致污水处理厂处于瘫痪状态，对受纳水体造成严重污染，而更换一池活性污泥耗资很大，造成严重的经济损失和新的环境污染。因此，如果对污水处理厂进水污水进行毒性鉴别或者采取相应的保护措施，会大大减少或者避免进水毒性物质对污水处理厂活性污泥的生物活动产生的不利影响，避免污泥中毒严重影响污水处理厂的正常运行的后果。
目前国内污水处理厂由于缺乏对进水水质的监管，城市污水处理厂活性污泥中毒的案例并不鲜见。污水处理厂经常发生生物处理系统微生物中毒事件，生物反应池出现大量“死泥”和生物泡沫，导致整个反应曝气池段均被漂浮污泥覆盖，使得生产无法正常进行。本专利申请正是在此背景下提出并展开研究，课题借鉴美国环保署制定的毒性物质鉴别评价技术（TIE）对城市污水处理厂活性污泥中毒时污水中毒性物质进行溯源追踪和毒性物质鉴别。本发明中开展进水污水毒性物质及石油化工污水的生物毒性甄别，提供生物处理系统微生物的中毒事件中的毒性物质的鉴别方法，使得污水处理厂更好的应对进水水质出现恶性事故。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法。本发明针对目前出现的南方城镇生活污水处理过程中经常出现的生物处理系统微生物的中毒现象，给出生物处理系统微生物的中毒事件中的关键毒物的鉴别方法。针对特定的毒物提出消减和控制的应急预案及措施，使得污水处理厂更好的应对进水水质出现恶性事故，保证活性污泥处理工艺高效率地工作。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，由以下步骤实现：
（1）污水毒性的大型蚤急性毒性生物检测：
采集污水样品，经过梯度稀释后；加入大型蚤幼蚤进行培养，每隔12h换一次稀释的污水样品，试验温度（25±2）℃；试验开始后24h记录每个容器中仍能活动的大型蚤数，得到半致死浓度24h-LC50；
（2）检测污水中疑似致毒物质：
取引起污水处理系统中引起微生物中毒的污水样品，应用国家标准分析方法测定污水水质指标中疑似致毒物质；
（3）污水中的主要致毒物质的确认：
取上述步骤（1）中污水样品分为3份，分别通过采用氮气吹脱处理2h；调节pH=6后进行氮气吹脱处理2h、调节pH=6并进行氮气吹脱2h后pH调到8.5，通过检测上述三种处理后的水样中大型蚤的半性致死率24h-LC50的变化，和通过回加疑似致毒物质来确认污水中导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质。
步骤（1）所述的污水样品优选为引起污水处理厂活性污泥系统中毒的污水样品；优选为来自石油化工厂化工区的污水样品；
步骤（1）中所述的梯度稀释优选为100%、50%、25%、12.5%、6.25%的梯度稀释；
步骤（1）中所述的梯度稀释中所用的稀释液配制方法为：将29.4g的CaCl2·2H2O；12.33g的MgSO4·7H2O；6.48g的NaHCO3；0.63g的KCl加水配制成1L，用氢氧化钠或盐酸溶液调节pH值，使其稳定在7.8±0.2，制得稀释液；
步骤（1）中所述的大型蚤幼蚤为6～24h新生健康大型蚤；
步骤（1）中所述的加入大型蚤幼蚤的量为每个浓度稀释液中按照50mL梯度稀释液放入10个大型蚤幼蚤；
步骤（1）中所述的24h-LC50为24h内污水对测试生物的半数致死浓度；
步骤（2）中所述的污水水质指标中疑似致毒物质优选污水中的苯系物、氨氮、硫化物等的指标；具体测定方法为用顶空气相色谱-质谱法（HSGC-MS）测定苯系物，用纳氏分光光度法测定氨氮含量，用碘量法测定硫化物；
步骤（3）中所述的调节pH优选为用NaoH和HCl溶液对污水pH进行调节；
步骤（3）中所述的通过半性致死率24h-LC50的变化和通过回加疑似致毒物质来确认的标准为：当氮气吹脱处理2h后，24h-LC50的值变小，回加苯后水样的24h-LC50恢复原来的数值，判断苯系物是主要的致毒物质；当调节pH=6-氮气吹脱处理2h后，24h-LC50的值变小，回加硫化物后水样的24h-LC50恢复原来的数值，判断硫化物是主要的致毒物质；当调节pH=6-氮气吹脱2h-pH调到8.5，24h-LC50的值几乎无变化，判断氨氮为主要的致毒物质。
本发明的原理为：
污水的毒性大小是毒性鉴别试验的基础，所以本试验在污水取回后即进行污水的生物毒性测试，求出全污水对大型蚤的24h-LC50值，24h-LC50值越小说明污水毒性越大，24h-LC50值越大说明污水毒性越小。
本发明采用氮气吹脱的方法来实现污水中苯的分离，然后用大型蚤对经过氮气吹脱的水样进行生物毒性测试，如果经吹脱后污水毒性显著降低，回加苯含量后毒性回复到原水平，则可判断苯是污水中的致毒物质；
研究表明在水中NH3的毒性远大于NH4 +的毒性，在25℃时pH=6和8.5时，水溶液中以NH3形式存在的氨氮，分别占水溶液中氨氮总量的0.18%和15.2%，所以pH值显著影响着氨氮的毒性大小，能很好的验证氨氮是否为致毒物质。但 是在pH=8.5时水中溶解的硫化物仅有不到5%以H2S的形式存，当pH=6有超过90%的硫化物以H2S的形式存在。所以将水样的pH值从8.5调节到6的过程中，虽然氨氮的毒性减弱了，但是硫化物的毒性性却在增加。
由于污水中的苯极易挥发，硫化物在pH=6时约有90%以H2S形式存在且极易挥发，而氨氮的毒性随着pH值的增大而增强，所以本研究分别采用氮气吹脱处理、调节pH=6-氮气吹脱处理、调节pH=6-氮气吹脱-pH重新调节共三种方法来进行疑似致毒物质的确证。在进行完上述试验后通过回加疑似致毒物质检测急性毒性结果最终确认导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.本发明选取大型（Daphnia magna）蚤作为毒性的生物检测实验，节肢动物大型蚤具有生活周期短、繁殖快、经济、方便易得、对毒物敏感和易于在实验室培养等优点，加上它在水域生态系统中的重要性，当水体受到污染时有毒物质会影响水蚤的生长，干扰蚤的生殖和发育，导致蚤类个体死亡。因此，水蚤的死亡率或繁殖能力作为毒性测试指标。
2.本发明应用苯系物、氨氮和硫化物的挥发性和在不同pH条件下的溶解性和毒性，对污水中三种疑似致毒物质的分别检验在生物处理系统微生物中毒事件中的主要作用，具有成本低、周期短的优点。
附图说明
图1是通过回加疑似致毒物质后水样急性毒性单位变化图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
大型蚤（Daphnia magna）的培养：本试验所用大型蚤由环境保护部华南环境研究所提供，参照已发表文献“次氯酸钠、表面活性剂、苯酚对大型蚤的急性毒性研究”，广东化工，2012年18期第39卷。
1）水样采集：采集污水样品时，应将采样瓶充满水样，不留空气；样品采集后应立即进行试验；毒性测试时，污水样品可以用稀释水稀释配成不同浓度的试验液。
2）大型蚤作为毒性测试生物
大型蚤的繁殖；
试验生物为6～24h新生健康大型蚤，生物学反应终点为死亡；由于污水中的物质容易挥发，所以试验都在100mL带胶带的小口瓶中进行，每个瓶中加入50mL测试污水，每隔12h换一次水，试验温度（25±2）℃。试验开始后于第12,24h分别记录每个容器中仍能活动的大型蚤数。
本文采用24h-LC50、平均致死率和毒性单位（TU）来进行毒性的评价。24h-LC50值，即24h内污水对测试生物的半数致死浓度，其值及95%置信区间采用SPSS软件计算。污水毒性单位（TU）=100%/污水LC50；对于不能求出LC50的水样，毒性单位（TU）=致死率×100×0.02。
大型蚤的培养条件为：在生化培养箱中培养，培养温度控制在25℃，光暗比16h：8h，培养用水可选用人工配置的稀释水或经自然曝气三天以上的自来水，采用100mL的小烧杯作为培养容器，每个烧杯中放水70mL，放蚤2只，每天进行一次大蚤和小蚤的分离，每周换水两次。
所述的人工配置的稀释水用电导率10μS/cm（1mS/m）以下的蒸馏水或去离子水配置，配置方法如下：
a.氯化钙溶液：将29.4g二水氯化钙（CaCl2·2H2O）溶于水中稀释至1L。
b.硫酸镁溶液：将12.33g七水硫酸镁（MgSO4·7H2O）溶于水中稀释至1L。
c.碳酸氢钠溶液：将6.48g碳酸氢钠（NaHCO3）溶于水中稀释至1L。
d.氯化钾溶液：将0.63g氯化钾（KCl）溶于水中稀释至1L。
各取以上四种溶液10mL混合，稀释至1L；必要时可以用氢氧化钠或盐酸溶液调节pH值，使其稳定在7.8±0.2。
实施例中所用仪器见表1；
表1试验所用仪器表
其中，污水水质指标的分析方法
1）pH：便携式pH剂
2）氨氮：纳氏分光光度法
3）COD：快速密闭催化消解法
4）苯系物：顶空气相色谱-质谱法（HSGC-MS）
5）硫化物：碘量法
一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，由以下步骤实现：
（1）污水毒性的大型蚤急性毒性生物检测：
采集引起沥滘污水处理厂活性污泥系统中毒的污水样品分3个平行组，经过100%、50%、25%、12.5%、6.25%的梯度稀释后；每个浓度稀释液中按照50mL梯度稀释液放入10个大型蚤幼蚤；每隔12h换一次水，试验温度（25±2）℃；试验开始后24h记录每个容器中仍能活动的大型蚤数，得到半致死浓度24h-LC50；
表2沥滘污水处理厂的污水样品对大型蚤的24h急性毒性测试结果
由表2可知污水对大型蚤的24h-LC50的平均值为53.68%，根据李淑娆[33]等对工业污染排放水的等级划分，该污水属于中低毒性污水。
（2）对污水中毒物检测疑似致毒物质：
取引起污水处理系统中引起微生物中毒的污水样品，应用国家标准分析方法测定污水水质指标苯系物、氨氮、硫化物、COD、DO、pH值；测定值见表3；
表3污水水质指标
（3）污水中的主要致毒物质的确认：
取上述步骤（1）中污水样品分为3份，分别通过采用氮气吹脱处理2h；调节pH=6后进行氮气吹脱处理2h、调节pH=6并进行氮气吹脱2h后pH调到8.5，通过检测上述三种处理后的水样中大型蚤的半性致死率24h-LC50的变化，和通过回加疑似致毒物质来确认污水中导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质。
用氮气吹脱处理2h，回加苯的检测数据见表4。
表4苯的毒性鉴别试验结果
从表4可知，经氮气吹脱处理后污水中苯的含量下降到14.52mg/L，相比原水中苯的含量其去除率到达79.80%，污水对大型蚤以不产生24h急性毒性，说明伴随着苯的去除，污水的毒性也在下降。
调节pH=6后进行氮气吹脱处理2h、调节pH=6并进行氮气吹脱2h后pH调到8.5，鉴别硫化物和氨氮的毒性的试验结果见表5。
表5硫化物和氨氮的毒性鉴别试验结果
通过回加疑似致毒物质（苯和硫化物）来确认污水中导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质，检测结果如图1和表6所示。
表6致毒物质的确证试验结果
从表1及图1可知，通过调节污水pH及氮气吹脱处理使污水中的苯和硫化物大量溢出后，污水以不对大型蚤产生24h急性毒性。通过回加苯后，污水毒性显著增大，其对大型蚤的24h-LC50均值为66.37%，急性毒性单位为1.51，较原水的毒性单位1.86，其对污水毒性的贡献率为81.18%，说明了苯是检测污水中致毒的关键毒物；向污水中回加硫化物后，污水对大型蚤也产生毒性作用，其对大型蚤的平均致死率为6.67%，毒性单位0.13，也证明了硫化物是污水中的致毒物质；而同时向污水中回加硫化物和苯后污水对大型蚤的24h-LC50均值为56.34%，污水的毒性单位为1.77，占污水毒性的95.16%，而在这种基质条件下苯和硫化物对污水毒性的总贡献占污水毒性的88.17%，说明在污水中苯和硫化物的联合毒性是加成的。（其中24h急性毒性单位算法：急性毒性单位（TU）=100%÷污水的24h-LC50；对于不能求出24h-LC50的水样，毒性单位（TU）=致死率×100×0.02。）
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于由以下步骤实现：
（1）污水毒性的大型蚤急性毒性生物检测：
采集污水样品，经过梯度稀释后；加入大型蚤幼蚤进行培养，每隔12h换一次稀释的污水样品，试验温度25±2℃；试验开始后24h记录每个容器中仍能活动的大型蚤数，得到半致死浓度24h-LC50；
（2）检测污水中疑似致毒物质：
取引起污水处理系统中引起微生物中毒的污水样品，应用国家标准分析方法测定污水水质指标中疑似致毒物质；
（3）污水中的主要致毒物质的确认：
取上述步骤（1）中污水样品分为3份，分别通过采用氮气吹脱处理2h；调节pH=6后进行氮气吹脱处理2h、调节pH=6并进行氮气吹脱2h后pH调到8.5，通过检测上述三种处理后的水样中大型蚤的半性致死率24h-LC50的变化，和通过回加疑似致毒物质来确认污水中导致生物处理系统微生物中毒事件的主要致毒物质。
2.根据权利要求1所述的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于：步骤（1）所述的污水样品为引起污水处理厂活性污泥系统中毒的污水样品。
3.根据权利要求1所述的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于：步骤（1）所述的污水样品为来自石油化工厂化工区的污水样品。
4.根据权利要求1所述的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于：步骤（1）中所述的梯度稀释为100%、50%、25%、12.5%、6.25%的梯度稀释；
步骤（1）中所述的梯度稀释中所用的稀释液配制方法为：将29.4g的CaCl2·2H2O；12.33g的MgSO4·7H2O；6.48g的NaHCO3；0.63g的KCl加水配制成1L，用氢氧化钠或盐酸溶液调节pH值，使其稳定在7.8±0.2，制得稀释液。
5.根据权利要求1所述的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于：步骤（1）中所述的大型蚤幼蚤为6～24h新生健康大型蚤；
步骤（1）中所述的加入大型蚤幼蚤的量为每个浓度稀释液中按照50mL梯度稀释液放入10个大型蚤幼蚤。
6.根据权利要求1所述的城镇生活污水处理厂来水毒性物质的鉴别方法，其特征在于：步骤（1）中所述的24h-LC50为24h内污水对测试生物的半数致死浓度；
步骤（2）中所述的污水水质指标中疑似致毒物质为污水中的苯系物、氨氮、硫化物的指标；具体测定方法为用顶空气相色谱-质谱法测定苯系物，用纳氏分光光度法测定氨氮含量，用碘量法测定硫化物；
步骤（3）中所述的调节pH为用NaoH和HCl溶液对污水pH进行调节；
步骤（3）中所述的通过半性致死率24h-LC50的变化和通过回加疑似致毒物质来确认的标准为：当氮气吹脱处理2h后，24h-LC50的值变小，回加苯后水样的24h-LC50恢复原来的数值，判断苯系物是主要的致毒物质；当调节pH=6-氮气吹脱处理2h后，24h-LC50的值变小，回加硫化物后水样的24h-LC50恢复原来的数值，判断硫化物是主要的致毒物质；当调节pH=6-氮气吹脱2h-pH调到8.5，24h-LC50的值无变化，判断氨氮为主要的致毒物质。
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