制藥廢水不同處理階段的生物毒性
中國污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2016-11-9 14:00:18
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發(fā)光細菌法作為一種靈敏、 快速、 廉價(jià)的生物檢測手段，普遍應用于生物毒性的測定. 發(fā)光細菌受到有害物質(zhì)干擾時(shí)，發(fā)光代謝受到影響，根據有害物質(zhì)的種類(lèi)與濃度不同，菌體發(fā)光強弱程度不同，據此以監測有害物質(zhì)的毒性[1]. 早在20世紀30年代，發(fā)光細菌首先用于快速評價(jià)藥物的毒性作用[2]. 隨著(zhù)對發(fā)光細菌的認識和理解的深入，這種毒性評價(jià)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，已成功用于研究苯酚衍生物和硝基苯[3]、 五氯酚鈉[4]、 水環(huán)境中金屬[1]、 土壤中有機污染物2,4,6-三硝基甲苯[5]、 農藥[6]等多種物質(zhì)的毒性，該法對生物毒性效應具有很好的指示作用，現已成為一種國際通用的標準毒性評價(jià)手段. 早期研究發(fā)現，污染物的濃度與發(fā)光細菌的發(fā)光度呈一定的線(xiàn)性關(guān)系，但隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究顯示，利用Sigmoidal模型、 Weibull 或Logit 模型等擬合出的“S”型曲線(xiàn)能夠有效地描述污染物的毒性，較線(xiàn)性擬合更加符合毒物與發(fā)光細菌作用的劑量-效應關(guān)系[7, 8]. 目前，國內對應用發(fā)光細菌法評價(jià)工業(yè)廢水毒性的報道較少. 張秀君等[9]在對造紙、 冶煉、 化工、 采礦等行業(yè)的廢水進(jìn)行急性毒性監測時(shí)，指出發(fā)光細菌法可以較好地評價(jià)工業(yè)廢水的毒性. 胡莉莉[10]利用發(fā)光細菌試驗測試了122種工業(yè)廢水得出結論，對于COD較高而成分未知的有機廢水，利用發(fā)光細菌檢測方法可以較好地評價(jià)其對生物的毒害效應. 那廣水等[11]利用發(fā)光細菌法評價(jià)了排污口污水中總有機污染物的毒性作用后，明確指出，該法對工業(yè)廢水中的總有機污染物毒性的評價(jià)是準確和全面的. 而對于制藥廢水利用發(fā)光細菌法進(jìn)行綜合生物毒性評價(jià)，國內的研究更為少見(jiàn). 李專(zhuān)等[12]曾利用淡水發(fā)光菌對多個(gè)制藥廠(chǎng)排水進(jìn)行綜合生物毒性研究，給出了毒性強弱程度排序，并分析了不同制藥廠(chǎng)排水與水體COD之間的關(guān)系，指出不同制藥廠(chǎng)排水對發(fā)光細菌的毒性與水體COD并無(wú)相關(guān)性. 劉銳等[13]利用明亮發(fā)光桿菌T3小種對維生素制藥各工段排水進(jìn)行了毒性評價(jià)， 得到相應水樣的半數抑制濃度，并對TOC與水樣毒性進(jìn)行相關(guān)分析，最終給出了排水處理工藝的優(yōu)化建議. 季軍遠等[14]利用明亮發(fā)光桿菌T3小種對制藥廢水中可能包含的4類(lèi)抗生素和厭氧消化中間產(chǎn)物進(jìn)行了毒性評價(jià)，得到氨芐青霉素、 林可霉素、 卡那霉素和環(huán)丙沙星的半數抑制濃度依次為3.99、 5.11、 4.32和5.63 g ·L-1，厭氧消化中間產(chǎn)物乙醇、 乙酸、 丙酸、 丁酸的半數抑制濃度依次為19.40、 20.71、 10.47和12.17 g ·L-1. 一些發(fā)達國家從20世紀70年代起，已經(jīng)開(kāi)始利用發(fā)光細菌等生物，對排放廢水進(jìn)行生物毒性評價(jià)，并制定相關(guān)的排放標準[15]. 在此期間，美國結合半數抑制濃度EC50，提出了廢水急性毒性的評價(jià)指標單位TUa(acute toxic unit)[16]，TUa與EC50在數值上的關(guān)系為T(mén)Ua=100/EC50. 目前，發(fā)光細菌法已成功應用于醫院[17]、 電鍍[18]等行業(yè)的廢水毒性評價(jià). 歐洲在2000年前后提出了最低無(wú)效應稀釋度LID(lowest ineflective dilution)[19]，規定為沒(méi)有觀(guān)察到抑制作用的最大濃度組的稀釋倍數值，或者是只觀(guān)察到不超過(guò)特定測試方法變異性效應的最大濃度組的稀釋倍數值. 它是用于排放廢水管理的毒理學(xué)新概念，直觀(guān)地描述了有毒的廢水對受試生物不產(chǎn)生毒害效應所需的稀釋倍數. 本研究利用發(fā)光細菌急性毒性評價(jià)制藥廢水在污水處理過(guò)程中的毒性削減過(guò)程，結合EC50、 LID和TUa，評價(jià)不同處理階段廢水的生物毒性，以期為利用生物毒性評價(jià)制藥工業(yè)廢水提供理論依據.
1 材料與方法
1.1 水樣來(lái)源
本試驗水樣來(lái)自某抗生素制藥廠(chǎng)2012年8月的廢水處理站廢水，該廠(chǎng)廢水font>的處理工藝為接觸氧化法. 選取5個(gè)采樣點(diǎn)分別為： ①地下調節池、 ②地上調節池、 ③中間沉淀池、 ④二級沉淀池和⑤總出水排放口，采集廢水處理工藝構筑物中的廢水. 廢水處理工藝流程和采樣點(diǎn)如圖 1所示.
圖 1 各采樣點(diǎn)在處理工藝中的分布情況
1.2 發(fā)光細菌
明亮發(fā)光桿菌T3小種(Photobacterium phosphorem T3 spp.)，屬于海洋發(fā)光細菌，購自中國科學(xué)院南京土壤研究所.
1.3 主要試劑與儀器
氯化鈉(NaCl，化學(xué)純).
冰點(diǎn)滲透壓儀，DXY-2型生物毒性測定儀，真空過(guò)濾泵，玻璃濾器，保溫箱，4 L玻璃膜口瓶，封口膜，玻璃纖維素膜等.
1.4 樣品處理
水樣經(jīng)玻璃纖維素膜，去除大顆粒雜質(zhì). 按照1.45 g ·(100 mL)-1廢水比例添加氯化鈉，相當于3 g ·(100 mL)-1氯化鈉溶液的冰點(diǎn)滲透壓，以保證明亮發(fā)光桿菌T3小種細胞所需的滲透壓，避免滲透壓對試驗結果產(chǎn)生影響.
1.5 發(fā)光細菌試驗
利用明亮發(fā)光桿菌凍干粉進(jìn)行廢水不同樣品不同濃度的急性毒性研究. 樣品濃度設置參照ISO 11348-3[20]的方法交叉等級稀釋?zhuān)O置2個(gè)平行. 操作步驟嚴格參照《水質(zhì)-急性毒性的測定-發(fā)光細菌法》(GB/T 15441-1995)進(jìn)行，并根據要求，利用HgCl2對本研究所用發(fā)光細菌進(jìn)行敏感性評價(jià)[21].
根據空白樣品的發(fā)光量L0和樣品的發(fā)光量Li，計算樣品的相對發(fā)光度Ii，即：
利用Origin 7.5軟件繪制樣品濃度與發(fā)光細菌相對發(fā)光度的關(guān)系曲線(xiàn)圖.
1.6 毒性評價(jià)
Coleman等[22]根據樣品濃度和發(fā)光細菌的發(fā)光度值EC50之間的關(guān)系，將受試物毒性進(jìn)行分級，如表 1所示.
表 1 受試物毒性等級
表 2 工業(yè)廢水生物毒性分級
2 結果與討論
2.1 廢水水質(zhì)分析
根據該廢水處理廠(chǎng)常年檢測結果的統計數據，合成廢水的COD值較高，平均為26 721 mg ·L-1，流量較小，為39 m3 ·d-1，氨氮含量較高，為1 760 mg ·L-1; 綜合廢水COD值較低，平均為4 006 mg ·L-1，流量較大，為1 833 m3 ·d-1，氨氮含量較低，為21 mg ·L-1. 該廢水處理廠(chǎng)水中含有大量的抗生素和有機物，具有生物降解難、 有機物含量高等特點(diǎn). 本研究為隨機采樣，采樣點(diǎn)廢水pH、 COD等常規理化指標測定結果如表 3所示.
表 3 采樣點(diǎn)廢水的理化數據 1)
2.2 地下調節池水樣分析
地下調節池是廢水處理工藝的第一段工藝，調節制藥廠(chǎng)瞬時(shí)綜合廢水的流量，即1號水樣. 如圖 2所示，此處廢水毒性較大，濃度為100%時(shí)，發(fā)光細菌的相對發(fā)光度為19.41%. 廢水毒性作用范圍較寬，濃度稀釋至0.07%時(shí)，相對發(fā)光度為103.90%. 通過(guò)計算可知，該段廢水的EC50=3.44%，TUa=29，LID=625. 該工藝的廢水主要是制藥廢水，其中抗生素含量較高，對發(fā)光細菌的毒性較大，故得出的最低無(wú)效應稀釋度較大. 本研究所用菌種HgCl2的EC50=0.10 mg ·L-1，符合國標中試驗菌種的敏感性要求[21].
圖 2 1號水樣不同濃度的發(fā)光細菌相對發(fā)光度
2.3 地上調節池水樣分析
地上調節池是廢水處理工藝的第二段流程，收納了經(jīng)過(guò)地下調節池處理并沉淀后的廢水和一部分合成廢水，即2號水樣. 如圖 3所示，該處的廢水毒性較1號水樣毒性更大，廢水濃度為100%時(shí)，相對發(fā)光度僅為10.78%. 毒性作用范圍較1號水樣更加寬泛，在濃度為0.03%時(shí)，相對發(fā)光度為101.30%. 通過(guò)計算可知，該段廢水EC50=2.46%，TUa=41，LID=244. 比較1號和2號水樣的毒性數據可知，根據EC50鑒別廢水的毒性，2號水樣的生物毒性略高于1號，與理化指標中COD反映的現象一致. 由于地上調節池中混入了合成廢水，污染物成分更加復雜，有可能產(chǎn)生聯(lián)合毒性效應，對發(fā)光細菌的影響更為明顯，毒性抑制作用更大. 從圖 3中亦可看出，此段廢水在0.07%和0.16%濃度點(diǎn)，發(fā)光細菌的相對發(fā)光度均明顯高出最低濃度. 該現象推測是在一定的低濃度范圍內，毒性物質(zhì)與發(fā)光細菌相互作用時(shí)，具有一定的刺激效應，促使發(fā)光量增大，即低劑量興奮作用; 或者是由于廢水中含有一定的營(yíng)養物質(zhì)，在毒性很低的情況下，營(yíng)養物質(zhì)促進(jìn)了發(fā)光細菌的活動(dòng)，導致發(fā)光亮增大. 在唐景春等[25]的研究中也出現了相同的情況，他們認為可能是由于一些污水中含有可被微生物利用的營(yíng)養物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在促進(jìn)了發(fā)光菌的發(fā)光活性. 對于這種促進(jìn)作用，目前沒(méi)有研究給出具體的、 確切的解釋?zhuān)写蘸罄^續深入探討.
圖 3 2號水樣不同濃度的發(fā)光細菌相對發(fā)光度
2.4 中間沉淀池水樣分析
地上調節池的廢水經(jīng)過(guò)一級好氧處理后進(jìn)入中間沉淀池，即3號水樣. 如圖 4所示，在濃度為100%時(shí)，發(fā)光細菌的相對發(fā)光度已經(jīng)高于50%，達到66.60%. 此時(shí)的水樣EC50>100%，但由于仍具有一定的毒性，故可獲得最低無(wú)效應稀釋度，即LID=10. 經(jīng)過(guò)好氧生物處理，3號水樣的COD去除率達到93%，其中的有機污染物被微生物氧化分解，水質(zhì)的毒性有了大幅度的削減，對發(fā)光細菌的抑制作用已經(jīng)明顯減弱，相對發(fā)光度明顯高于1、 2號，但并不是完全無(wú)毒性. 該沉淀池的好氧處理過(guò)程雖然能處理部分懸浮物質(zhì)，但殘留的有機污染物仍然對發(fā)光細菌造成了一定的抑制作用[26].
圖 4 3號水樣不同濃度的發(fā)光細菌相對發(fā)光度
2.5 二級沉淀池水樣分析
中間沉淀池的廢水經(jīng)過(guò)A/O池處理后，進(jìn)入二級沉淀池，即4號水樣. 如圖 5所示，該水樣作用的發(fā)光細菌相對發(fā)光度均在100%附近，且絕大部分高于100%. 說(shuō)明此段的廢水對發(fā)光細菌已無(wú)明顯的抑制效應. 因此，4號水樣對發(fā)光細菌作用的EC50>100%，LID=1，且100%濃度廢水的發(fā)光細菌相對發(fā)光度為109.90%. A/O法結合前段缺氧和后段好氧處理，降解有機污染物，并具有一定的脫氮除磷功能，提高污水的可生化性及氧化效率，結合反硝化作用完成C、 N、 O在生態(tài)中的循環(huán)，實(shí)現污水無(wú)害化處理. 因此，從LID的測試結果可以看出，經(jīng)過(guò)A/O工藝處理，完全去除了水質(zhì)對發(fā)光細菌的毒性抑制作用.
圖 5 4號水樣不同濃度的發(fā)光細菌相對發(fā)光度
2.6 最終排出口水樣分析
二級沉淀池的水經(jīng)過(guò)絮凝沉淀池的再沉淀作用后，最終從污水處理廠(chǎng)的排水口排出，即5號水樣. 如圖 6所示，該水樣對發(fā)光細菌的影響保持與4號水樣相同的趨勢， 5號水樣的EC50>100%，LID=1. 從數據和圖形可見(jiàn)，100%濃度下的發(fā)光細菌相對發(fā)光度為103.70%，明顯高于《混裝制劑類(lèi)制藥工業(yè)水污染物排放標準》(GB 21908-2008)中規定的發(fā)光細菌急性毒性標準限值，即HgCl2濃度為0.07 mg ·L-1時(shí)相對應的發(fā)光細菌相對發(fā)光度75.25%，故總出水排放口水樣已經(jīng)達到排放標準[27].
圖 6 5號水樣不同濃度的發(fā)光細菌相對發(fā)光度
2.7 水樣COD值與發(fā)光細菌相對發(fā)光度的關(guān)系
對各采樣點(diǎn)水樣的COD值與100%濃度下對應的發(fā)光細菌相對發(fā)光度進(jìn)行比較. 相對發(fā)光度以I表示. 具體情況見(jiàn)表 4.
表 4 廢水COD值與發(fā)光細菌的相對發(fā)光度
從表4中可知，在一定情況下，隨著(zhù)COD的降低，發(fā)光細菌的相對發(fā)光度逐漸升高. 對兩組數據進(jìn)行擬合，發(fā)現相對發(fā)光度與COD值、 lg(COD)具有一定的線(xiàn)性關(guān)系，擬合公式分別為式(2)和式(3)：
式中，Y為發(fā)光細菌相對發(fā)光度，X1和X2分別為COD和lg(COD)值，公式(2) R2=0.869 6，公式(3) R2=0.941 2. 根據R2值可知，相對發(fā)光度與lg(COD)值的線(xiàn)性關(guān)系較好.
3 問(wèn)題與建議
(1)在廢水處理工藝中增加生物毒性指標，對監測廢水中的污染物毒性具有良好的指示作用，但是目前我國對相關(guān)領(lǐng)域的研究和應用還不能構成體系.
(2)發(fā)光細菌在指示工業(yè)廢水毒性時(shí)，受廢水中物質(zhì)成分的影響. 對于發(fā)光量不被抑制反被促進(jìn)的現象還有待進(jìn)一步研究.
(3)本研究?jì)H針對于該廠(chǎng)夏季廢水處理工藝效果，鑒于季節差異對該廢水處理工藝的影響較大，故其他季節的廢水處理能力有待進(jìn)一步研究.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結論
(1)污水處理工藝節點(diǎn)所取1～5號水樣對發(fā)光細菌的毒性逐漸減弱，最終排出口對發(fā)光細菌無(wú)可見(jiàn)毒性抑制作用，現有廢水處理工藝在夏季能夠有效地降低制藥廢水的生物毒性.
(2)發(fā)光細菌的相對發(fā)光度與水樣lg(COD)值之間線(xiàn)性相關(guān)性較好，對同一生產(chǎn)階段制藥廢水COD的變化具有一定的指示作用.
(3)在較低的濃度范圍內，廢水對發(fā)光細菌的發(fā)光反應具有促進(jìn)作用，增大發(fā)光細菌的相對發(fā)光度.
