污废水和再生水的生物毒性检测及毒性成因分析

发布时间：2020-08-19 17:11

【摘要】：对水环境质量评价往往通过常规的化学分析与生物分析来进行,利用水生生物对生物毒性的检测可以表达样品的综合生物毒性,因此生物毒性的检测完善了对环境水样的分析评价。所以,环境水样的生物毒性研究受到越来越多研究者的关注。那么在生物毒性检测的同时,对毒性成因的分析也是非常重要的,可以为进一步对生物毒性的控制方案的选择提供一定的理论依据。对于工业废水,污染物成分复杂且毒性大,生物毒性的检测需要对水样进行稀释,然而对工业废水的毒性成因分析研究较少;对于生活污水及再生水样的生物毒性检测往往需要对水样中的污染物进行浓缩,但是对生活污水及再生水生物毒性的成因分析尚不明确;基于对污水厂处理过程中生物毒性的检测,发现出水的生物毒性有所增加,那么对氯消毒后排水的生物毒性成因研究也是非常有意义的。针对上述的问题,本文选择微藻-普通小球藻与发光细菌-青海弧菌Q67检测了污废水及再生水的植物毒性与微生物毒性,并对毒性的成因进行了一系列的研究分析。本论文是国家自然科学基金重点项目中的部分研究内容。利用低等植物微藻与微生物发光细菌检测了典型有机污染物与无机污染物的植物毒性与微生物毒性,并结合物化指标分析了工业废水的毒性成因;利用三种类型的树脂对污水及再生水中的有机物进行分级,分析不同类型有机物的TOC、SUVA、三维荧光光谱等有机特性,并结合其植物毒性与微生物毒性特性,初步分析污水及再生水的生物毒性成因;利用固相萃取技术结合微藻与发光细菌对污水厂工艺流程中水样的植物毒性与微生物毒性进行检测的基础上,并通过对二级处理水的有机构成特性与三卤甲烷生成势的分析,详细阐明污水厂出水的生物毒性升高的原因。论文的主要工作与成果如下:(1)为了明确常见的有机物与无机物的生物毒性,检测了六种有机物及七种重金属的植物毒性与微生物毒性,并结合已知的有机污染物与重金属的植物毒性和微生物毒性来分析工业废水的毒性成因。发现了有机污染物的生物毒性的毒性大小分布广泛,对生物的危害程度相差较大。对于所研究的有机污染物而言,杀菌类的有机污染物的生物毒性最大,其次为萘胺类及表面活性剂类物质,再者为抗生素类物质,生物毒性最小的为苯酚类有机污染物。而对于无机污染物中的重金属离子而言,其生物毒性的毒性级别较为集中,重金属离子的植物毒性与微生物毒性均处于极高毒(EC_(50)1mg/L)与高毒(1mg/LEC_(50)10mg/L)的毒性级别。此外,通过工业废水的EC_(50,TOC)值与单一有机物污染物的EC_(50,TOC)值相比较,并对产生EC_(50,%)的稀释后的工业废水中各种重金属离子与单一重金属离子的EC_(50,metal)值进行比较,分析比较后数值的接近程度来判断毒性的成因。结果发现啤酒废水的生物毒性来源于高浓度的低毒(EC_(50,TOC)为274mg/L)有机污染物;而焦化废水的生物毒性则来源于高毒性(EC_(50,TOC)为32.93mg/L)有机污染物。(2)以污水处理及再生过程中有机物特性、生物毒性的变化及毒性成因的分析为目的,研究了污水与再生水的不同组分的TOC、SUVA及荧光物质等,发现污水及再生水的TOC百分比占有量最大的组分为疏水酸性组分与亲水中性组分,其占有量总和超过了50%,而这两个组分含有大量的腐殖酸类物质(包括与微生物活动相关的腐殖酸类物质、腐殖酸类物质)。通过生物法处理后,进水中的芳香族蛋白质类物质被微生物所利用,产生了腐殖酸类物质;而再生利用过程中,由于外界的污染,出现了芳香族蛋白质类物质,同时腐殖酸类物质可能被湖水中的生物吸附而有所降低。此外,通过反渗透技术结合生物毒性的检测分析了污水处理及再生利用过程中生物毒性的变化,发现了在污水处理流程中的生物毒性随着有机物浓度的降低而下降,并且生物毒性与水样的TOC浓度呈线性的相关关系,说明对在对有机污染物去除的同时,生物毒性也得到了有效的降低。为了分析污水及再生水的毒性成因,利用树脂分级结合各个组分的生物毒性与各组分中有机物特性的分析,初步判断其生物毒性的来成因,发现污水及再生水的生物毒性主要来自中性有机物质,并且芳香族蛋白质类与腐殖酸类有机污染物可能与生物毒性的产生有关。(3)以探明污水处理厂出水的生物毒性升高的原因为目的,在采用HLB固相萃取对城市生活污水处理工艺流程中的水样进行植物毒性与微生物毒性的检测,对二级处理水的有机构成及三卤甲烷生成势的检测来分析氯消毒所引起来的生物毒性升高的原因。结果发现在污水处理过程中,进水均表现出了最高的植物毒性与微生物毒性,曝气池与初沉池对植物毒性与微生物毒性没有明显的消弱作用,在好氧池阶段去除了90%的植物毒性与微生物毒性,然而经氯消毒后的出水的植物毒性与微生物毒性却有所升高。并且在二级处理水中的腐殖酸类物质的比例较原水有所升高,产生了新的由微生物活动所引起的腐殖酸类物质。此外,疏水酸性组分与亲水中性组分产生了较多的三卤甲烷生成能,结合三维荧光光谱分析发现,腐殖酸类物质(包括与微生物活动相关的腐殖酸类物质及腐殖酸类物质)为主要的消毒副产物的前驱物,富里酸类物质具有较高的三卤甲烷生成潜能。通过对氯消毒后的二级处理水生物毒性检测,发现加氯量与三卤甲烷的生成量及抑制率与三卤甲烷的生成量呈线性的相关关系,即当加氯量为19.6mg/L时,其抑制率达到50%,产生的三卤甲烷的含量为318μg/L,说明三卤甲烷的产生可能导致二级处理水氯消毒后生物毒性的升高。本论文在污废水及再生水的生物毒性的检测及评价的基础上,利用各种分析方法对毒性成因进行探讨,不仅提供毒性检测及成因分析方法上的参考,同时在对生物毒性的控制方案制定提供理论依据。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;X833
【图文】：

模式图,发光细菌,模式,反应模式

735 435 ~ 640 477.5 ±0.5 71 ±11.3.2 发光细菌的发光机理及生物毒性检测原理发光细菌的发光机理如图1.1的反应模式，一般而言，在所有的生物发光细菌系统中，分子态的氧直接或间接地参与其生物化学反应。在细菌发光体中，分子态的氧化FMNH（还原态的黄素单核苷酸）和长链脂肪醛，反应生成的能量不是用来进行质子梯度的建立、渗透反应以及ATP的合成，而是直接以光的形式释放出来。反应模式中共有3种酶参与，分别为FMN还原酶，荧光素酶和脂肪酸还原酶。在这些特殊的氧化反应过程中能够产生115kJ/mol的自由能，这些足够的自由能能够使最后的产物处于激发态

发光细菌,污染物,毒性物质,发光反应

即会导致发光代谢受到影响，从而导致发光反应受到抑制乃至粹灭[73]，如图1.2。一般情况下，毒性物质对发光细菌的抑制发光通过三种手段：（1）直接抑制参与发光反应酶的活性，主要是荧光酶；（2）抑制与发光有关的代谢过程，例如呼吸过程；（3）毒性物质直接导致细菌的死亡[74]。所以利用发光细菌的发光强度与毒性物质浓度的大小的相关性，可以表征其毒性的大小。并且，发光细菌毒性检测与各种水生动植物的生物毒性检测方法表现出很好的相关性，例如藻类、甲壳纲动物、鱼类等[75]。图 1.2 正常的发光细菌在污染物存在的情况下发光减弱或者消失[76]发光细菌的发光强度可在实验室环境测定，可利用的设备有管式生物发光分析仪、微孔板扫描仪，成像设备等。目前 96 孔微孔扫描仪是常用的仪器，该技术可搭配自动进样装置，并且可以随时通过电脑软件操作对测定的频率和时长进行调整，大大加快了实验的节奏，增加了结果的精确度。仪器的测量原理是通过仪

放大倍数,普通小球藻,细胞

普通小球藻细胞在显微镜下观察（A图为400倍放大倍数，B图为1000倍放大倍数）

【参考文献】