随着我国工业经济的发展和大型工业园区的兴建，工业废水对污水处理厂的排放负荷日益加大，水质成分也日益复杂. 对于以生物处理技术为核心的污水处理厂而言，工业废水对微生物的毒性冲击作用是制约处理出水水质改善的重要因素^[1]. 废水中的有毒物质能够抑制生物处理单元中微生物的特定功能，或者对其产生整体麻醉效应^[2]，从而影响其正常代谢，导致水厂运行不稳定、 出水水质降低，并进一步影响受纳水体的水环境质量^[3]. Grau等^[4]报道了巴西一家城市污水处理厂因来水中酚类物质的冲击造成为期6 个月的运行困难，活性污泥膨胀，出水水质严重恶化. Kungolos^[5]指出制药废水等造成的生物处理单元的冲击是出水水质无法达标的主要原因之一. 在大型石化工业园区内，废水成分复杂、 水质水量波动较大、 有毒有机物浓度较高^{[6, 7, 8]}，对综合污水处理厂的的冲击更是频繁发生^[1].

当综合污水处理厂的生物处理系统受到冲击时，现有的应急措施多为将有毒废水旁置、 稀释或投加拮抗剂^[2]. 然而这种被动的防御措施只能从某种程度上缓解废水中有毒物质对污水厂的影响，且存在一定的滞后性. 为了从根本上解决污水处理厂面临的毒性冲击问题，必须识别有毒废水产生的石化生产装置，采取工艺改进或废水预处理等措施^{[8, 9, 10]}，尽量使源头废水中的有毒污染物被截留或者无害化^[11,12]. Geenens等^[13]从Antwerp污水处理厂污水收集系统中采集了不同来源的工业废水，分别测试这些废水对活性污泥呼吸作用的抑制效应，最终探明对活性污泥具有毒性作用的废水来源于金属行业和印刷行业. Chen等^[14]用发光细菌法和比耗氧速率法对石化企业各生产厂的废水进行毒性测试，识别出了毒性较大的废水； 并根据有毒废水的流量和毒性单位(toxicity unit，TU)计算毒性排放负荷(toxicity emission load，TEL)，通过比较各厂废水TEL 占整个园区总排水TEL 的比例，识别出毒性贡献较大的生产厂. 虽然用发光细菌法测试废水毒性的敏感性高于耗氧速率法^[5,15,16]，但发光细菌法采用指定的纯培养细菌进行毒性测试^[17]，不能直接反映活性污泥生物毒性^[5]； 与之相比，采用活性污泥耗氧速率法评价废水毒性能够更加真实地反映废水对生物处理单元的潜在影响. 国际标准化组织、 全国危险化学品管理标准化技术委员会以及经济合作与发展组织等机构已经分别制定了活性污泥耗氧速率抑制试验标准方法(ISO 8192^[18]、 GB/T 21796^[19] 及OECD 209^[20]). 基于活性污泥耗氧抑制试验的在线预警装置也得到了开发利用^[5,13,21].

目前，关于有毒工业废水产生来源的识别研究还存在种种限制. 首先，对有毒废水来源的识别层次，仅识别出产生有毒废水的工业企业，还未涉及企业内部生产装置及节点； 然而，大型工业园区通常产品类型多样，生产装置繁多，不同生产环节所排放废水的组成特性和水质水量差异显著，仅识别出有毒废水来源于某个工业、 企业，远不能满足有毒废水源头控制的需要. 其次，活性污泥并不是稳定的纯培养体系，污水处理厂进水水质和运行条件的变化都容易引起活性污泥中微生物种群结构的变化，导致对毒性物质敏感性的不同，影响试验数据之间的可比性. 此外，尽管根据废水流量和毒性单位TU计算的毒性排放负荷TEL能够较好地反映废水对污水处理厂的实际毒性贡献，但当废水对受试生物的抑制率低于50%时，便无法计算TU和TEL； 在含有多股毒性低而流量大的废水的工业园区，以TEL为指标的评价方法难以广泛应用.

本研究考察某大型石化工业园区内生产废水对活性污泥的毒性效应，识别有毒废水的产生来源. 识别对象涵盖了该园区内10套大型石化生产装置及其内部多个生产节点. 研究中将石化废水的抑制率转化为标准毒性物质的含量，从而提高了数据之间的可比性； 在此基础上，根据废水流量进一步考察各废水对应的标准毒性物质质量排放负荷(quality emission load，QEL)，从而实现了对不同废水毒性贡献的全面比较，生成该石化工业园区内废水QEL排序清单，以期为园区内有毒废水的源头控制提供了重要的指导依据.

1 材料与方法 1.1 废水样品的采集与保存

石化园区内生产装置和生产节点分布及其废水流量和水质数据如图 1所示. 其中，A-1、 A-2节点废水混合经预处理后汇入A装置总排口，B-1、 B-2、 B-3节点废水汇入B装置总排口，E-1、 E-2节点废水汇入E装置总排口. A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 I、 J装置总排水与生活污水一并汇入综合污水处理厂.

图 1

Fig. 1

图 1 石化园区装置和节点分布示意图及其废水流量和水质 Fig. 1 Schematic diagram of the production units and nodes with the relevant wastewater quantity and quality data in the petrochemical industrial plant 装置或节点名称后括号内的数据依次代表流量(m3 ·h-1)、 pH、 COD(mg ·L-1)，如A(4.0,5.6,2000)表明A装置总排水的流量为4.0 m3 ·h-1，pH为5.6，COD为2000 mg ·L-1

采用清洁、 干燥、 带有螺旋盖的聚四氟乙烯采样瓶采集石化废水，保证完全装满、 不留空气，旋紧瓶盖后用封口膜进一步密封瓶口. 用防水胶带标记样品的名称及采集时间，然后于4℃条件下避光保存，时间不超过一周. 废水采集完后应尽快进行试验，试验前调节pH至6.5~7.5. 1.2 活性污泥的采集与保存

从综合污水处理厂生物处理单元曝气池出水处采集活性污泥悬浮液，然后立即在实验室进行清洗：将活性污泥悬浮液离心(4000 r ·min^-1×10 min)，得到清晰的泥水界面，弃去上清，加曝气除氯的自来水重悬. 以上操作重复3 次. 清洗完成后以105℃烘干法测其干重. 将活性污泥悬浮液4℃冷藏，保存时间不超过3 d.

试验前，根据干重测定结果，将冷藏的活性污泥悬浮液调整为浓度4 g ·L^-1的接种液，然后持续搅拌并连续曝气，待恢复20℃后用于配制试验混合液. 1.3 试剂与仪器

采用3,5-二氯苯酚(3,5-dichlorophenol,3,5-DCP)作为标准毒性物质^{[18, 19, 20]}. 配置 1000 mg ·L^-1 3,5-二氯苯酚溶液 500 mL，通过加热方法促进其溶解，并在室温下定容.

采用OECD合成污水^[20]作为营养基质，成分如表 1所示. 调节其 pH至7.5±0.5，可于 0~4℃避光条件下储存1 周.

表 1(Table 1)

表 1 合成污水成分 Table 1 Composition of synthetic wastewater 成分 浓度/g·L-1 蛋白胨 16.0 牛肉膏 11.0 尿素 3.0 NaCl 0.7 CaCl2·2H2O 0.4 MgSO4·7H2O 0.2 K2HPO4 2.8

表 1 合成污水成分 Table 1 Composition of synthetic wastewater

活性污泥耗氧速率的测定采用Strathtox活性污泥呼吸仪(Strathkelvin Instrument Ltd.，英国). 其测试单元包括控温水浴、 内置搅拌器、 样品反应管以及氧电极(Strathkelvin 1302). 氧电极内嵌于圆柱形的电极保护套底端，电极保护套的侧面划槽能保证其插入样品反应管时及时排出瓶内气泡，从而实现严密液封. 该仪器可支持6个样品同步测定，其溶解氧(dissolved oxygen，DO) 数据采集间隔为0.5 s. 1.4 试验设计

试验混合液总体积为20 mL，其中合成污水投加量为2 mL，活性污泥接种液(4 g ·L^-1)投加量为8 mL(在非生物对照试验中以去离子水代替)，其余10 mL可投加不同浓度的被测石化废水样品或标准毒性物质(3,5-DCP). 先混合除活性污泥之外的成分，最后投加活性污泥接种液，在保持试验混合液完全混合而又不溢出泡沫的条件下曝气30 min. 然后立即将试验混合液转移至Strathtox 活性污泥呼吸仪的样品反应管内，插入氧电极，持续监测10 min.

每个石化废水样品测定之前，通过不投加活性污泥的非生物对照试验，确定石化废水本身不具有放氧或耗氧的特性； 该样品的每一次毒性测定试验都伴随一个相等样品投加量下对应的非生物对照试验，利用非生物对照试验结果对毒性测定结果进行校正.

每次石化废水或标准毒性物质样品测定的同时，设置不投加任何废水或有毒物质的空白对照试验，考察活性污泥的活性.

根据试验测得DO随时间的变化曲线，计算其线性区间内的斜率，即耗氧速率R[mg ·(L ·h)^-1].

被测石化废水或标准毒性物质某一浓度下对活性污泥耗氧速率抑制率I(%)为：

以废水或标准毒性物质对活性污泥的耗氧速率抑制率I为纵坐标，以被试石化废水样品浓度(即样品投加体积占试验混合液总体积的百分比，%)的对数值或标准毒性物质浓度(mg ·L^-1)的对数值为横坐标，绘制浓度-效应曲线，然后对数据进行直线拟合，并插值计算半抑制效应浓度(effective concentration，EC₅₀). 标准毒性物质3,5-二氯苯酚作用30 min 对总耗氧速率半抑制效应浓度需在2~25 mg ·L^-1范围内^[18].

根据EC₅₀计算结果，取其倒数计算毒性单位(toxicity unit，TU)，再进一步计算毒性单位与废水排放流量的乘积，即毒性排放负荷(toxicity emission load，TEL)：

根据标准毒性物质3,5-DCP的浓度-效应曲线，利用插值计算，将废水对活性污泥耗氧速率抑制率I转化为对应标准毒性物质浓度c3,5-DCP(mg ·L^-1). 在此基础上，进一步计算对应标准毒性物质浓度与废水排放流量的乘积，即对应标准毒性物质质量排放负荷(quality emission load，QEL)(g ·h^-1)：

标准毒性物质3,5-二氯苯酚对活性污泥的毒性测定结果，可以反映受试活性污泥的敏感性. 根据历次试验中不同浓度3,5-DCP对活性污泥的耗氧速率抑制率分别拟合浓度-效应曲线，结果如图 2所示； 分别求其半效应浓度EC₅₀，结果如表 2所示. 其中各测试日期内3,5-DCP对不同批次活性污泥的耗氧速率半抑制效应浓度均在2~25 mg ·L^-1范围内，满足活性污泥耗氧速率抑制试验对受试污泥敏感性的要求. 但是，其中最小值为4.59 mg ·L^-1，最大值为16.20 mg ·L^-1，说明活性污泥对毒性物质的响应表现出一定的差异. 这是因为同一污水厂内，随着进水负荷的波动，生物处理单元中活性污泥的代谢特征和群落结构也随之不断调整和变化，从而表现出不同的生物氧化速率，导致耗氧速率测定结果的差异^[22]. 因此，在考察不同废水对活性污泥的毒性效应时，有必要将不同批次活性污泥的毒性数据标准化，求得其对应标准毒性物质3,5-DCP浓度c3,5-DCP，从而提高数据之间的可比性.

图 2

Fig. 2

图 2 3,5-DCP对不同批次活性污泥的浓度效应曲线 Fig. 2 Concentration-effect curves of 3,5-dichlorophenol on activated sludge in different tests

表 2(Table 2)

表 2 3,5-DCP对不同批次活性污泥的毒性测试结果 Table 2 Toxicity of 3,5-dichlorophenol on activated sludge in different tests 测试日期 EC50/mg·L-1 2013-08-21 5.77±0.76 2013-08-23 7.71±1.33 2013-08-27 8.41±2.08 2013-08-30 4.59±1.08 2013-08-31 16.20±3.31 2013-10-31 7.84±0.20 2013-11-01 5.64±0.31 2013-11-27 6.87±0.92

表 2 3,5-DCP对不同批次活性污泥的毒性测试结果 Table 2 Toxicity of 3,5-dichlorophenol on activated sludge in different tests

对石化园区内各生产装置总排口废水进行活性污泥耗氧速率抑制试验. 非生物对照试验表明，各装置总排水均无明显的耗氧或放氧特性(数据未给出). 根据试验结果计算废水对活性污泥毒性指标，如表 3所示. 其中，A、 B装置总排水对活性污泥的耗氧速率抑制率分别为25.4%和24.8%，表现出较为显著的抑制效应，是值得重点关注的关键装置； G、 H装置总排水的抑制率低于10%； 其它装置总排水未检测出明显毒性.

尽管根据石化废水对活性污泥耗氧速率抑制率可以初步评价废水毒性，但考虑到不同批次污泥敏感性之间的差异，本研究主要通过废水对应标准毒性物质3,5-二氯苯酚(3,5-DCP)浓度来识别有毒废水，判定关键装置. 如表 3所示，A、 B装置总排水对应的3,5-DCP浓度分别为1.88 mg ·L^-1和1.83 mg ·L^-1. 与之相比，G、 H装置总排水对活性污泥耗氧速率的抑制率虽不大，但是其对应的3,5-DCP浓度却与A、 B装置总排水的相当，分别为1.94 mg ·L^-1和1.75 mg ·L^-1，这是因为该批次受试活性污泥的敏感性低于用于测定A、 B装置总排水毒性的受试活性污泥(表 2). 根据不同装置总排水对应3,5-DCP浓度的计算结果，与A、 B装置相比，G、 H装置总排水的毒性亦不容忽略.

表 3(Table 3)

表 3 各装置总排口废水对活性污泥毒性计算结果 Table 3 Toxicity of the effluents from the production units on activated sludge 装置名称 测试日期 I/% c3,5-DCP/mg·L-1 QEL(以3,5-DCP计)/g·h-1 A 2013-08-21 25.4 1.88 7.53 B 2013-08-21 24.8 1.83 225.45 C 2013-10-31 0 0 — D 2013-11-01 0 0 — E 2013-10-31 0 0 — F 2013-11-01 0 0 — G 2013-10-31 6.7 1.94 0.97 H 2013-10-31 3.6 1.75 21.35 I 2013-10-31 0 0 — J 2013-11-27 0 0 —

表 3 各装置总排口废水对活性污泥毒性计算结果 Table 3 Toxicity of the effluents from the production units on activated sludge

从以上结果可以看出，利用对应3,5-DCP浓度对废水毒性数据进行统一化，可解决以抑制率作为毒性评价结果时因受试活性污泥敏感性差异引起的试验数据间可比性差的问题. 实际上，利用标准毒性物质浓度表达毒性水平的研究已有先例. 在用发光细菌法测定废水急性毒性的方法中，利用毒性较为稳定的HgCl₂作为标准毒性物质，将样品毒性数据统一表达为HgCl₂浓度^[23,24]. 这种利用标准毒性物质浓度表达样品毒性的方法，值得在活性污泥耗氧速率抑制试验中推广.

此外，对比图 1和表 3的结果可以看出，尽管A和G装置总排水的COD(分别为2000 mg ·L^-1和3005 mg ·L^-1)比B装置总排水的COD高一数量级(378 mg ·L^-1)，但从对应3,5-DCP浓度来看，两装置总排水对活性污泥的毒性却基本相当； H装置总排水的COD虽仅为32 mg ·L^-1，但毒性也较高； C、 E、 I等装置总排水的COD明显大于H装置总排水的COD，但却没有明显的毒性. 试验结果表明，石化废水的有机质含量与毒性效应之间并没有直接的相关性，并非废水COD越高，对活性污泥的毒性越大，因此，并不能单从废水的有机质含量预测废水的毒性. Kungolos^[5]利用RODTOX系统对希腊Thessaloniki 污水处理厂工业废水进水进行连续6 个月的在线监测，同样发现用短期BOD 法测得的进水毒性效应与废水的有机质含量并不直接相关. 董玉瑛等^[25]运用发光细菌法进一步证明不同行业废水的生物毒性与其TOC值不存在相关性.

废水对应标准毒性物质浓度能够表达废水毒性的大小，但要表征不同废水对综合污水处理厂的毒性贡献，还需要考虑废水流量的大小. 毒性排放负荷(TEL)即毒性单位TU与废水流量的乘积，能够表达废水的毒性贡献，但这种方法并不能适用于所有废水的毒性评价. 比如在本研究中，A、 B、 G、 H四套装置的总排水对活性污泥的耗氧速率抑制率均低于50%，无法从废水浓度效应曲线中求得其半效应抑制浓度EC₅₀，因而不能计算其毒性单位TU和毒性排放负荷TEL. 然而，考虑到每个有毒废水对活性污泥的耗氧速率抑制率都可以转化为对应标准毒性物质3,5-DCP浓度，利用该指标与废水流量的乘积，即标准毒性物质质量排放负荷QEL，能够有效表达废水的毒性排放负荷. 从表 3可以看出，A、 B、 G、 H四套装置总排口废水的QEL值(以3,5-DCP计，下同)分别为7.53、 225.45、 0.97和21.35 g ·h^-1，B装置总排口废水的QEL值远大于其他3个装置. 因此，B装置是本研究范围内毒性排放贡献最高的装置，B装置废水的水质水量波动更容易对污水处理厂的稳定运行造成影响.

综上所述，根据对应标准毒性物质浓度和质量排放负荷QEL综合评价石化工业园区内10套装置总排水对活性污泥的毒性，结果表明，A、 B、 G、 H四套装置的总排水对活性污泥具有显著的毒性效应，其中 A装置总排水的毒性水平最高，而B装置的毒性贡献最大. 石化生产装置工艺流程复杂，内部包含若干的生产节点，每个节点废水的产生量和组成特性也各不相同，其毒性排放特征差异明显. 在识别关键生产装置的基础上，为了科学有效地指导石化废水有毒物质的源头控制，必须进一步深入考察生产装置内部不同节点废水的毒性，确定毒性水平及毒性贡献较大的关键节点，识别出污水厂面临的毒性冲击问题的源头. 从图 1可以看出，G、 H装置均包含单一节点，而A、 B两装置内部包含多个节点，因此对有毒废水产生节点的识别研究主要集中于A、 B两装置. 2.3 有毒废水产生节点的识别

对A、 B装置内部共5个生产节点的废水开展活性污泥耗氧速率抑制试验，其中非生物对照试验表明各节点废水均无明显的耗氧或放氧特性(数据未给出). A-1、 A-2节点废水浓度效应曲线如图 3所示. 各节点废水对活性污泥耗氧速率抑制率I、 对应3,5-二氯苯酚浓度c3,5-DCP、 半效应抑制浓度EC₅₀、 毒性单位TU、 毒性排放负荷TEL以及标准毒性物质质量排放负荷QEL的计算结果如表 4所示.

图 3

Fig. 3

图 3 各节点废水浓度效应曲线 Fig. 3 Concentration-effect curves of the effluents from the production nodes on activated sludge

表 4(Table 4)

表 4 各节点废水对活性污泥毒性的计算结果 Table 4 Toxicity of the effluents from the production nodes on activated sludge 节点名称 测试日期 I/% c3,5-DCP/mg·L-1 EC50/% TU TEL QEL(以3,5-DCP计)/g·h-1 A-1 2013-08-27 99.9 55.97 0.9 111.1 422.2 212.69 A-2 2013-08-23 92.6 40.15 5.2 19.2 19.2 40.15 B-1 2013-08-30 0 0 — — — 0 B-2 2013-08-30 15.9 1.22 —td> — — 32.64 B-3 2013-08-31 27.9 6.17 — — — 563.94

表 4 各节点废水对活性污泥毒性的计算结果 Table 4 Toxicity of the effluents from the production nodes on activated sludge

从表 4可以看出，在A装置中，A-1、 A-2节点废水对应3,5-DCP浓度分别为55.97 mg ·L^-1和40.15 mg ·L^-1，说明A-1节点废水的毒性大于A-2节点废水的毒性，对EC₅₀和TU的计算结果也支持这一结论. 又因A-1节点废水流量占A装置总排水的流量比大，其毒性排放负荷TEL(422.2)和对应标准毒性物质质量排放负荷QEL(212.69 g ·h^-1)均远大于A-2节点废水(TEL为19.2，QEL为40.15 g ·h^-1). 以上数据表明，无论从废水本身的毒性水平角度，还是从毒性贡献角度考虑，A-1节点废水都是A装置总排口废水毒性的最大源头，在该装置内部，应当对A-1节点进行优先控制.

在B装置中，B-3、 B-2节点废水对应3,5-DCP浓度分别为6.17 mg ·L^-1和1.22 mg ·L^-1； B-3节点废水和B-2节点废水相比毒性更大. 同时，B-3节点废水流量为91.4 m³ ·h^-1，占B装置总排口废水流量的74.3%，其对应标准毒性物质质量排放负荷QEL高达563.94 g ·h^-1，而B-2节点废水的QEL仅为32.64 g ·h^-1，说明B-3节点废水的毒性贡献远大于B-2节点废水. 此外，B-1节点废水对活性污泥的耗氧速率无明显抑制效应. 因此，B-3节点废水是B装置总排口废水毒性的主要来源，应该给予优先控制. 2.4 各废水对应标准毒性物质质量排放负荷排序

根据对应标准毒性物质质量排放负荷QEL，对石化工业园区内有毒废水的产生节点进行排序，结果如表 5所示. 其中G、 H装置仅含单一节点(图 1)，故其总排口废水相当于节点废水. 从表 5可以看出，B-3节点废水的QEL最大，为563.94 g ·h^-1，其次为A-1(212.69 g ·h^-1)； B-3和A-1两节点废水的QEL比其它节点高一个数量级以上，在整个石化园区内，这两股废水是毒性控制的关键所在.

表 5(Table 5)

表 5 各节点废水对应标准毒性物质质量排放负荷排序 Table 5 Rank list of the corresponding standard toxic substances quality emission load of the toxic wastewaters from different production nodes 序号 节点名称 QEL(以3,5-DCP计)/g·h-1 1 B-3 563.94 2 A-1 212.69 3 A-2 40.15 4 B-2 32.64 5 H 21.35 6 G 0.97

表 5 各节点废水对应标准毒性物质质量排放负荷排序 Table 5 Rank list of the corresponding standard toxic substances quality emission load of the toxic wastewaters from different production nodes

(1)通过活性污泥耗氧速率抑制试验发现，同一来源、 不同批次采集的活性污泥对同一有毒物质的敏感性存在一定差异； 将不同废水的抑制率转化为对应标准毒性物质3,5-二氯苯酚的浓度，能够有效提高毒性数据之间的可比性. 在此基础上，结合废水流量数据考察其对应标准毒性物质质量排放负荷QEL，能够从毒性贡献角度对废水进行综合评价，其应用范围比毒性排放负荷指标TEL更加广泛.

(2)石化废水的有机质含量与毒性效应之间没有直接的相关性，并不能单从废水的有机质含量预测废水的毒性.

(3)在本研究考察的石化园区内10套石化生产装置中，A、 B、 G、 H四套装置为毒性控制关键装置，其中A-1、 B-3两节点为毒性控制关键节点. 研究结果为石化废水有毒物质的源头控制提供了有效的理论指导和技术支持.