某石化廢水的綜合毒性評價及其處理工藝對毒性的削減規律研究

張瑛，曹迪，胡麗萍，石柳，王棟，孟甜甜，郭溪，周集體

大連理工大學化工與環境生命學部環境學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連 116024

石油化學工業是指以石油餾分、天然氣等為原料，生產有機化學品、合成樹脂、合成纖維、合成橡膠等的化工工業，產品的生產過程會產生大量的廢水。這些廢水成分復雜，含有大量的芳香族化合物、有機酸、苯系物、酚、硫化物、重金屬等有毒污染物[1-6]。目前石油化工行業廢水常用的處理工藝有隔油、氣浮、沉淀、生物處理及其他深度處理工藝，出水的理化指標基本都可以達標。目前，我國石化廢水的排放執行《石油化學業污染物排放標準》(GB 31571—2015)，標準中對懸浮物、化學需氧量(COD)、氨氮、總磷、部分金屬污染物和有機污染物等進行了濃度限值的規定。但是，研究表明：即使工業廢水達到相關排放標準排放后，仍可能對生物產生毒害作用[7-8]。排水綜合毒性測試(whole effluent toxicity, WET)將廢水作為一個整體，利用水生生物毒性測試直接測量排水的綜合毒性，對排水中的污染物進行聯合毒性評價[9]，從而將控制常規污染物排放上升到控制有毒物質排放，客觀地反映了排水的綜合毒性。WET彌補了理化指標監測的不足，但是目前關于石化廢水的毒性研究大都基于單一生物的毒性測試[10-12]，缺乏多生物的綜合毒性測試，而研究者們普遍認為使用多種生物的聯合毒性實驗要比單一毒性實驗更能全面反應廢水的毒性[13-14]。因此，為了更好地了解石化廢水的生物毒性及其生態風險，有必要對石化廢水進行多種生物的毒性分析，以明確石化廢水可能產生的生態風險。

為給廢水處理技術的選擇提供科學的依據，廢水中毒性物質的鑒別是一個重要的手段。毒性鑒別評價方法(toxicity identification evaluation，TIE)，最初起源于20世紀90年代的美國，因其高效、準確的檢測方法和嚴謹科學的思路，許多國家(如加拿大、美國、澳大利亞、意大利等)都陸續引進并采用了TIE技術，且制定了適合各國國情的技術指標[15-20]。我國學者也成功利用TIE技術對石化廢水、制藥廢水、城市污水和沉積物等進行了相應的研究[10, 21-25]。

本研究以某石化企業的生產廢水為研究對象，采用明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞3種生物，對石化廢水處理工藝中各處理單元出水的急性毒性進行了檢測，并對常規石化廢水處理工藝對生物毒性的去除效果進行了分析。同時，結合TIE技術，對各工藝流程出水的主要致毒物質進行了初步鑒別。本文旨在為石化廢水的綜合生物毒性評價，及處理工藝對廢水毒性的去除規律研究提供研究基礎。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 水樣采集

水樣于2016年5月采自遼寧省某石化污水處理廠，其處理工藝流程及廢水采樣點如圖1所示。水樣采集時，用便攜式溶解氧測定儀(YSI-550A，美國Mettler)現場測定溶解氧；水樣采集后，貯存于聚乙烯塑料瓶中，立即運送回實驗室測定其基本理化指標，用于毒性測試的水樣置于4 ℃冰箱中冷藏保存。

圖1 石化廢水處理工藝流程及采樣點注: A, 隔油池出水；B, 氣浮池出水；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 理化指標的測定方法

水質理化指標按照國家標準《水和廢水監測分析方法》[26]進行測試，其中pH值測定采用“水質 pH值的測定 玻璃電極法”(GB/T 6920)；COD測定采用“水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法”(GB/T 11914)；氨氮測定采用“水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法”(HJ 535)；總磷測定采用“水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法”(GB/T 11893)。

1.3 急性毒性實驗

采用單一生物進行毒性試驗時，由于選取指示生物靈敏性的差異，毒性評價效果差異較大[27]，為更加全面表征石化廢水的生物毒性，本研究采用明亮發光桿菌(Photobacteriumphosphoreum)、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)和大型溞(Daphniamagna)3種不同營養級水平的生物，對石化廢水的急性毒性進行綜合評價[28]。

明亮發光桿菌急性毒性實驗：明亮發光桿菌的急性毒性實驗根據“GB/15441—1995水質急性毒性 發光細菌法”進行。采用明亮發光桿菌(明亮發光桿菌T3，購自中國科學院南京土壤研究所)的凍干粉復蘇法進行毒性試驗，實驗過程中以3% NaCl作為空白對照，各濃度的水樣作為實驗組，將水樣按等比級數2稀釋成5個濃度梯度，每個濃度設3個平行。明亮發光桿菌菌液與水樣充分混勻后，用原子摩爾冷光檢測儀(Lumin Max-C，美國Maxwell Sensors)測定明亮發光桿菌在水樣中暴露15 min時的發光強度。結果以明亮發光桿菌15 min半數效應濃度(concentration for 50% of effect, EC50)對應的毒性單位TUa (acute toxicity unit, TUa=1/ EC50)[29]表示。

大型溞急性毒性試驗：溞類的急性毒性實驗根據“GB/T13266—91水質 物質對蚤類(大型溞)急性毒性測定方法”進行。以養殖水作為空白組，用大型溞(購自大連海洋大學)的養殖水按等比級數2將原水樣稀釋為6個濃度梯度，每個濃度3個平行，每個平行5只幼溞(3胎以后的幼溞，溞齡6 ～ 24 h)。培養條件為溫度25 ℃，光照比16 h:8 h，平均光照強度5 000 lux，48 h后記錄各組大型溞活動受抑制數。結果用48 h-EC50對應的毒性單位TUa表示。

斜生柵藻急性毒性試驗：藻類的毒性實驗根據OECD 201[30]進行。斜生柵藻(標號為FACHB-417，購自中國科學院水生生物研究所)，培養條件為溫度25 ℃，光照比12 h:12 h，平均光照強度5 000 lux，每天定時搖動3次。將水樣按等比級數2稀釋成5個濃度梯度，每個濃度3個平行。暴露結束后，用乙醇提取法對葉綠素a含量進行測定[31]，暴露結束后，取20 mL暴露72 h后的藻液，5 000 r·min-1離心10 min，移去上清液，加入10 mL 95%的乙醇溶液，搖勻后超聲破碎(功率750 W)20 min，避光條件下置于4 ℃冰箱浸提24 h，然后在10 000 r·min-1下離心10 min，用紫外可見光分光光度計(UV-560，日本JASCO)測定上清液在波長665 nm和649 nm處的吸光度。

1.4 廢水的毒性鑒別

為了確定廢水中的主要致毒物質，參照美國環保署制定的毒性鑒別方法—TIE法[20]，毒性鑒別評價試驗分為3個階段，分別是毒物特征試驗、毒物鑒別試驗和毒物確認實驗。本研究主要進行了毒性特征和鑒別試驗：對廢水進行一系列適當的物理、化學處理，包括pH調節、pH調節/曝氣、pH調節/過濾和pH調節/C18固相萃取。然后對未經處理和處理后的廢水分別進行毒性試驗，通過比較廢水在處理前后的毒性變化，分析廢水所含毒性物質的理化特性，判定毒性物質所屬類別。

1.5 廢水綜合毒性的評價方法

目前，國內外對于生態毒性還沒有形成統一的毒性分級標準，一般情況下，采用明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞等生物測定的工業廢水的急性毒性實驗結果，主要是按照Persoone等[32]提出的毒性單位(TUa)分級評定方法進行分級(如表1所示)，其中TUa<0.4時，表示排放廢水對受納水體的水生生物無急性毒性；當TUa>0.4，表示對生物有急性毒性。廢水對明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞的急性毒性，分別采用15 min-EC50、48 h-EC50和72 h-EC50對應的TUa進行表征。

表1 工業廢水生物毒性分級Table 1 Biotoxicity classification of industrial wastewater

1.6 數據分析

明亮發光桿菌的抑制率按照公式(1)[33]計算：

(1)

葉綠素a的含量(mg·L-1)和抑制率分別按照公式(2)[34]和(3)[30]計算：

C=13.95A665-6.88A649

(2)

A665和A649分別代表波長為665 nm和649 nm處的吸光度；

(3)

毒性的削減根據毒性單位TUa按照計算公式(4)和(5)[29]計算：

(4)

(5)

毒性實驗結果以3次實驗的平均值表示，用EC50軟件(1.01版本，藍宙軟件)計算EC50值; 用SPSS軟件(18.0版本，美國IBM)斯皮爾曼等級(spearman rank)進行不同生物和各理化指標的相關性分析(P<0.05，表示顯著相關)。

2 結果(Results)

2.1 石化廢水各處理單元出水的理化指標

表2 石化廢水各處理單元出水的常規理化指標Table 2 Physicochemical parameters of the petrochemical wastewater samples from different units

表3 石化廢水各單元出水的生物毒性及生物毒性與理化指標的相關性Table 3 Acute toxicity of petrochemical wastewater samples and the correlation of acute toxicity and physicochemical parameters

注：r為相關性系數(*表示顯著相關)；P為顯著性水平(P< 0.05表示顯著相關)。

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

圖2 石化廢水不同處理單元出水生物毒性變化Fig. 2 Changes of acute toxicity of petrochemical wastewater samples from different units

石化廢水各處理單元出水的理化指標測定結果見表2，該處理工藝對COD和氨氮處理效果明顯，去除率分別達到87.1%、97.8%。經過處理后的最終出水，除總磷稍超出標準值以外，其他主要理化指標都達到了《石油化學工業污染物排放標準》(GB 31571—2015)規定的排放標準。

2.2 現行處理工藝對石化廢水毒性的削減

現行處理工藝中石化廢水各處理單元出水對明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞的毒性數據如表3所示。其中，處理后的出水對明亮發光桿菌的TUa值為0.15，無急性毒性，而對斜生柵藻和大型溞的毒性級別分別為中毒和低毒。從表3中的TUa值可以看出，現行處理工藝下，廢水對明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞和的毒性分別削減了96.4%、74.3%和99.5%。

石化廢水生物毒性隨處理單元變化如圖2所示。從圖2可以看出，雖然在精除油池過程中廢水的毒性有所增加，但是該處理工藝最終可以很好的去除廢水的急性生物毒性。具體來說，氣浮池和三沉池對明亮發光桿菌毒性的去除效果明顯，相比單元進水(隔油池出水和缺氧池出水)毒性分別降低了74.7%和83.3%；氣浮池和缺氧池對大型溞的毒性去除效果明顯，相比單元進水(隔油池出水和精除油池出水)毒性分別降低了90.0%和95.0%；缺氧池對斜生柵藻的毒性去除效果明顯，相比單元進水(精除油池出水)毒性降低了86.3%。

2.3 石化廢水毒性與理化指標的相關性分析

為探究石化廢水對明亮發光桿菌、斜生柵藻和大型溞的毒性效應與其理化指標之間的關聯，將石化廢水對3種生物的毒性效應與其理化指標(COD、DO、氨氮、總磷和pH)進行相關性分析。分析結果如表3所示，其中廢水對明亮發光桿菌的毒性與氨氮含量顯著相關(r=0.920,P<0.05)。

2.4 石化廢水各單元出水毒性鑒別

為進一步分析了解石化廢水中毒性物質的類別，并鑒于明亮發光桿菌急性毒性測試具有反應迅速，檢測靈敏，成本低等特點[35]，本研究采用明亮發光桿菌進行毒性鑒別階段的毒性測試。

石化廢水的隔油池出水及其經過物理化學處理后對明亮發光桿菌的毒性變化見圖3a。隔油池出水對明亮發光桿菌的TUa值為4.15，毒性級別為中毒，表明隔油池出水對明亮發光桿菌具有較高的發光抑制作用。隔油池出水經曝氣、過濾和C18固相萃取處理后，其毒性明顯降低，TUa值分別為1.98、0.42和0.26，對應的毒性級別分別為中毒、微毒和無急性毒性，表明隔油池出水主要毒性物質為揮發性、可濾型和非極性有機物；經pH調節/曝氣處理毒性值沒有降低，表明揮發性毒物在酸堿中可以穩定存在；經pH調節/過濾處理后的隔油池出水毒性明顯高于只進行過濾處理的毒性，表明部分可濾型毒物經酸堿調節后轉化為溶解態毒性物質；經pH調節/C18固相萃取處理后的隔油池出水毒性略高于只進行C18固相萃取處理的毒性，表明部分非極性有機毒物在酸性或堿性條件下轉化為極性毒物。

石化廢水的氣浮池出水及其經過物理化學處理后對明亮發光桿菌的毒性變化見圖3b。經氣浮池處理后，廢水的TUa由隔油池出水的4.15 降低到1.05，毒性削減了74.7%，毒性級別為中毒，表明該處理單元對石化廢水毒性的削減效果明顯。氣浮池出水經曝氣、過濾和C18固相萃取處理后毒性TUa值分別為0.79、0.67和0.25，毒性級別分別為微毒、微毒和無急性毒性；經pH調節/曝氣或pH調節/過濾處理后，氣浮池出水對明亮發光桿菌仍然具有微毒，表明氣浮池出水揮發性物質和可濾型物質引起的毒性較小；而經pH調節/C18固相萃取處理后的毒性明顯降低，毒性級別為無急性毒性，說明氣浮池出水的主要致毒物質是非極性有機物。

石化廢水的精除油池出水及其經過物理化學處理后對明亮發光桿菌的毒性變化見圖3c。經精除油池處理后，廢水的TUa值由氣浮池出水的1.05降低到0.94，毒性削減了10.5%，毒性級別為微毒，表明該處理單元對毒性削減較小。經曝氣、過濾和C18固相萃處理后的廢水TUa值分別為0.88、0.94和0.19，毒性級別分別為微毒、微毒和無急性毒性，其中經固相萃取處理后的毒性削減了79.8%，表明精除油池出水的主要致毒物質是非極性有機物；而經pH調節/曝氣、pH調節/過濾處理后的廢水對明亮發光桿菌的毒性沒有明顯變化，表明此單元中廢水中的致毒物質不易通過曝氣、過濾等處理方法去除，即揮發性和可濾型物質對精除油池出水的毒性貢獻較小。

圖3 石化廢水各單元出水的毒性鑒別評價Fig. 3 TIE for petrochemical wastewater samples from each treatment stage

石化廢水的缺氧池出水及其經過物理化學處理后對明亮發光桿菌的毒性變化見圖3d。經缺氧池處理后，廢水的TUa值由精除油池出水0.94降低到0.90，毒性削減了4.3%，毒性級別為微毒，表明缺氧池對發光菌毒性削減較小。經曝氣、過濾和C18固相萃處理后的廢水TUa值分別為1.02、0.58和0.05，毒性級別分別為中毒、微毒和無急性毒性，其中經C18固相萃取處理后的毒性削減了94.4%，表明精除油池出水的主要致毒物質仍是非極性有機物；經pH調節后，缺氧池出水毒性物質出現波動，表明此階段致毒物質受pH變化影響較大。

石化廢水的沉淀池出水及其經過物理化學處理后對明亮發光桿菌的毒性變化見圖3e。經沉淀池處理后，廢水的TUa值由缺氧池的0.90降低到為0.15，毒性削減了83.3%，顯示為無急性毒性，表明沉淀池對毒性有較好的去除效果。經曝氣、過濾和C18固相萃處理后的廢水TUa值分別為0.17、0.16和0.04，毒性級別均為無急性毒性，其中經C18固相萃取處理后的毒性削減了73.3%，表明精除油池出水仍含有非極性有機物；與未處理組相比，經pH調節/曝氣、pH調節/過濾處理后的廢水對明亮發光桿菌的毒性稍有增加，表明部分毒性物質經過酸堿調節后溶解；經pH調節/C18固相萃取處理后的廢水對明亮發光桿菌的毒性進一步降低(TUa由0.15降低為0.04)，表明沉淀池出水仍含有非極性有機毒物。

3 討論(Discussion)

本研究中所用的石化廢水處理工藝對石化廢水中的主要污染物質，如COD和氨氮，有較好的處理效果。但是，總磷含量在缺氧池單元出現明顯波動，含量達到了最大(9.14 mg·L-1)，且該單元溶解氧含量明顯降低(DO值0.15 mg·L-1，低于缺氧反應0.30～0.50 mg·L-1的范圍[36])，推測原因可能是由于油類分散于水體，影響空氣進入水體，導致單元整體溶解氧含量較低；總磷含量的波動可能與缺氧池中溶解氧過低，微生物的生化能力受到抑制而進行厭氧釋磷有關[37]。為探究廢水生物毒性與其理化指標的關系，本研究對廢水的綜合毒性效應與理化指標(COD、DO、氨氮、總磷和pH)進行了相關性分析，結果表明明亮發光桿菌的急性毒性與氨氮含量呈顯著相關性(r=0.920，P=0.027)。

本研究所用的石化廢水，其中隔油池出水對大型溞的急性毒性TUa值為200.0(EC50值0.5%，死亡率接近100%)，推測原因可能與隔油池的油性物質有關[38]：隔油池對密度小于1.0 g·cm-3的可浮油有較好的去除效果，但無法去除細分散油、乳化油和溶解油，這些疏水的油性物質包裹著大型溞，對大型溞的活動造成了影響；同時，大型溞為了吸取水中的氧氣，使水不斷進出體內，油類等毒性物質更容易在體內富集。

本研究中的石化廢水處理單元中，發現精除油單元中的大型溞毒性有所升高，推測原因可能與該單元的污染物轉化有關。經精除油池處理前后，COD、氨氮和總磷濃度幾乎沒有變化(表3)，而對大型溞的毒性增加，對比氣浮池出水和精除油池出水分別經曝氣和過濾后對發光菌的毒性，在去除揮發性和可濾型物質后毒性稍有增加，而C18固相萃處理后毒性明顯下降，推測可能是在該單元內非極性有機毒物的毒性增加所致，具體原因有待進一步探討。

石化廢水對3種受試生物的毒性效應有較大的差異，如隔油池出水對明亮發光桿菌的TUa為4.15，對斜生柵藻的TUa為26.46，對大型溞的TUa為200；另外，經缺氧池處理后，廢水對斜生柵藻和大型溞的毒性分別降低了86.3%和95.0%，而對明亮發光桿菌的毒性僅降低了4.3%。這表明，同種廢水對不同生物產生的毒性效應存在明顯的差異，與單一生物毒性檢測相比，綜合多種生物進行毒性試驗能更全面、客觀的評價廢水的毒性效應[7, 39]。因此，如果只是通過單一生物的毒性檢測，往往會忽略部分廢水產生的其他生物毒性效應，而建立成組生物毒性測試來評價廢水的毒性效應，能夠更加客觀、全面地評價廢水對水生生物系統甚至人類健康的潛在危險。

對廢水中毒性物質的類別進行鑒別，對于廢水處理技術的選擇具有重要的意義。本研究結果表明，非極性有機物對各單元廢水的急性毒性始終有較大的貢獻，現有處理工藝中的缺氧池對非極性有機物、揮發性物質和可濾型物質均有較好的去除作用。陳文艷等[39]用斑馬魚和發光菌對某制革廢水各單元出水急性毒性和成分進行了分析，結果表明，周期循環活性污泥處理(CASS)對制革廢中的有機物、氨氮、含磷類和金屬類毒性物質有較好的去除效果；Yu等[40]用費氏弧菌對某抗生素廢水處理廠各單元出水急性毒性和廢水成分進行了檢測，結果表明，好氧生物處理對抗生素廢水中的有機物、含氮化合物和揮發性酚類毒性物質有較好的去除效果。鑒于廢水種類復雜多樣，廢水毒性鑒別對如何選擇適宜的處理工藝，進而有效去除廢水中的污染物和生物毒性有至關重要的意義。

綜上所述，結論如下 ：

(1)本研究中的石化廢水處理工藝可以保證出水COD、氨氮達到國家規定的排放標準，同時對生物毒性也有較好的去除效果。

(2)對石化廢水各處理工藝段出水進行毒性鑒別的結果表明，石化廢水中主要毒性物質為揮發型、可濾型和非極性有機物，其中非極性有機物對毒性的貢獻較大。

(3)生物毒性測試與理化指標監測并用很重要，只進行理化指標檢測，或單一生物毒性檢測，往往會忽略部分廢水產生的生物毒性效應。

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