造纸群尾水景观再生利用的潜在生态风险研究(环保)

        梁英^1，2，  孙捷¹，  薛银刚³，  魏良良⁴，  谢显传¹，  李爱民¹

(1．南京大学环境学院水科学研究中心，江苏南京210023；2．南京环保产业创新中心有限公司，江苏南京211102：3.常州市环境监测中心，江苏常州213002；4．兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070)

摘要：造纸废水再生回用于河流生态景观将对水体中的水生生物带来潜在的安全风险。该文以斑马鱼为测试生物，分别测定某造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样的急性毒性、胚胎毒性、内分泌干扰毒性、基因毒性等多种生物毒性效应，评价造纸废水深度处理后作为河流生态景观补给水的潜在生态风险。结果表明，造纸群污水处理厂进水与景观回用再生水对斑马鱼的96 h急性毒性LC₅₀为0.43和0.82，对斑马鱼胚胎的致死率分别为53.1%与42.7%；它们对雄性斑马鱼体内VTGS有显著诱导效应，对DNA有很强的氧化损伤效应。由此可见，虽然造纸废水经深度处理后常规水质指标已达到国家景观再生水回用标准，但是它对河流的鱼类等水生生物仍具有多种生物毒性效应。因此，造纸废水作为生态补给水再生回用到河流水体时，需合理设计深度处理工艺来有效削减或去除毒害污染物质，确保受纳水体生态安全。

关键词：造纸；再生水；毒性评价；生态风险；斑马鱼

中图分类号：X793  doi：10.3969/j.issn．1003-6504.2016.0.5.021    文章编号：1003-6504(2016)05-0105-04    

2013年，我国造纸和纸制品业规模以上企业主营业务收入13 472亿元，成为世界纸和纸板年产量第一大国，并仍以年均增长率10%的速度在增长。到2030年前后，纸消费量可达到2亿t，我国正从造纸大国实现向造纸强国的转变。造纸行业一直都是我国主要的耗水及废水排放大户，水资源已成为严重制约其发展的首要问题，其废水深度处理与回用是控源减排的根本。造纸行业废水外排水深度处理与再生回用，对于缓解区域水质污染和地区水资源压力，确保行业可持续发展具有非常重要的现实意义。造纸行业污水处理厂按照水处理的程度，可将水处理技术划分为一级处理、二级处理及深度处理。目前，国内废纸制浆造纸废水的二级处理主要以水解酸化和好氧处理技术为主。通过二级处理，废水中有机污染物的去除率可达90%以上，但二级处理难以造纸废水中微量有毒污染物进行有效去除，造纸废水排放将对河流等水体环境带来潜在环境生态风险。有研究采用测试再生水的成组生物毒性方法评价其环境生态风险，测试的水生生物主要包括鱼类、大型蚤、发光菌等生物，测试的毒性类型包括急性毒性、遗传毒性、内分泌干扰毒性，DNA氧化损伤等等。根据造纸废水特点，本论文以斑马鱼为测试生物，分别测定某造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样的急性毒性、胚胎毒性、内分泌干扰毒性、基因毒性等多种生物毒性效应，评价造纸废水深度处理后作为河流生态景观补给水的潜在生态风险，这对于保障受纳河流水体生态系统健康有着重要意义。

1  试验材料与方法

1.1  试验材料

    某造纸群污水处理厂的进水是来自周边5 km范围内30多家造纸企业的二级生化出水，处理能力达10万t/d。该造纸群污水处理厂采用“混凝+砂滤”组合工艺对造纸废水进行深度处理。深度处理后的造纸废水作为生态景观补给水回用到污水处理厂附近的河流水体，此河流水环境功能区水质目标为Ⅳ类，天然径流量很小，主要是由流域内工业废水、城镇生活污水等构成，自净能力较小，基本无水环境容量。本研究选取造纸群污水处理厂进水（接收各家造纸厂废水的二级出水）、深度处理后的景观再生水和受纳河流的水样进行对比试验分析，1d采样3次，使用玻璃容器采集后密封低温保存，试验前将废水混合均匀后取样。

1.2  急性毒性试验

    采用来自同一种群的青壮年斑马鱼作为试验鱼种，体长(30±5) mm，体重(0.3±0.1)g，体型大小一致。试验前，斑马鱼在连续曝气的稀释水中驯养8 d，驯养时的水质条件和照明条件与试验时的条件一致。依据《工业废水的试验方法鱼类急性毒性试验》(GB 21814-2008-T)、《水质物质对淡水鱼（斑马鱼）急性致死毒性的测定静态法》等标准方法，在确定的试验条件下，运用静水式法测定斑马鱼在不同稀释浓度的废（再生）水中暴露96 h后，受试鱼群的死亡率。确定引起受试鱼群中50%死亡的浓度，用半致死中浓度/C₅₀表示。

1.3  胚胎和卵黄囊仔鱼阶段短期毒性试验

    采用15条斑马鱼(雌雄比1:2)饲养在20 L玻璃缸中，然后放人光照培养箱，温度保持(25±1)℃、光照／黑暗周期14 h/10 h，每日喂2次冷冻摇蚊幼虫或冷冻卤虫。饲养用水采用自来水经活性炭过滤并充分曝气，pH值为8左右，培养一个月后开始收集鱼卵。依据《化学品鱼类胚胎和卵黄囊仔鱼阶段的短期毒性试验》(GB 21807-2008),将胚胎-卵黄囊阶段的鱼仔在一定浓度范围的废水中，直至幼任-幼体的卵黄囊完全被吸收前或对照组鱼因饥饿开始死亡前结束试验，计算胚胎与仔鱼的致死率或存活率。

1.4  内分泌干扰毒性试验

    以雄性斑马鱼体内的卵黄蛋白酶原( VTGs)浓度为测试指标，表征造纸群污水处理厂的进水、再生水及受纳河水对斑马鱼的内分泌干扰毒性效应。斑马鱼体内卵黄蛋白酶原采用北京林特达商贸有限公司提供ELISA试剂盒进行检测，通过计算半乳糖苷酶活性U来评定。内分泌干扰毒性试验的暴露条件与操作方法参照《化学品鱼类延长毒性14天试验》(GB/T21808-2008)。

1.5  遗传毒性试验

    本研究以以8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)为标志物，表征造纸废水对斑马鱼遗传物质DNA的氧化损伤程度。以南京市自来水为阴性对照，综合评价造纸群污水处理厂的进水、再生水及受纳河水对斑马鱼的遗传毒性效应。斑马鱼遗传毒性试验的暴露条件与操作方法参照《化学品鱼类延长毒性14天试验》(GB/T21808-2008)。

2  试验结果与讨论

2.1  常规水质指标监测

    造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样的常规水质指标见表1所示。

2.2  急性毒性

    本文参考了美国工业废水的生物毒性分级标准（表2），造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样的急性毒性见表3。对比美国工业废水的生物毒性分级标准，结果表明造纸群污水处理厂的进水对斑马鱼均为中低毒性；景观回用再生水对斑马鱼均为低毒；受纳河流水样对斑马鱼均为微毒或无毒。根据毒性测定结果，水样综合毒性可定为：造纸群污水处理厂进水中毒，景观回用再生水低毒，受纳河流水样无毒。

2.3  胚胎和卵黄囊仔鱼阶段短期毒性

    以斑马鱼受精卵为测试对象，分别测定造纸群污水处理厂进水与景观回用再生水的鱼类胚胎发育毒性，暴露时间为48 h，结果见表4。

    造纸群污水处理厂进水与景观回用再生水都可造成斑马鱼胚胎与仔鱼死亡，具有胚胎致死毒性，深度处理工艺对造纸废水的胚胎发育毒性削减作用非常有限。

2.4  内分泌干扰毒性

  经21 d染毒暴露后，雄性斑马鱼体内卵黄蛋白酶原( VTGs)含量如图1。造纸群污水处理厂进水与景观回用再生水对雄性斑马鱼都具有一定的内分泌干扰毒性，混凝工艺对内分泌干扰毒性有一定削减作用，但无法完全去除。

2.5  遗传毒性

  暴露在造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样的斑马鱼8-羟基脱氧鸟苷(8-O-HdG)含量均远大于阴性对照组（图2），表明造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样对斑马鱼的DNA具有一定氧化损伤效应，污水处理厂的混凝工艺对慢性毒性的削减作用不明显。

3  结论

    (1)本论文构建了造纸群污水处理厂的进水、景观回用再生水及受纳河流水样急性生物毒性、胚胎和卵黄囊仔鱼阶段短期毒性、内分泌干扰毒性、遗传毒性等多种生物毒性的斑马鱼成组生物毒性测试模式和方法体系，为造纸废水回用生态景观补给水的生物毒性评价提供了方法。   

 (2)造纸行业废水作为缺乏基流型河流的生态补给水时，需额外考虑其对水生生物的毒性风险。现有造纸群处理工艺及混凝的深度处理工艺对处理出水的生物毒性具有一定的削减作用，但并不能完全消除。深度处理工艺的选择和设计，直接关系到出水水质，合理设计深度处理工艺方案是造纸群废水回用成功与否的关键。

    (3)虽然造纸废水的理化指标已达标，但对水生生物仍有毒性效应。在其作为生态景观补给水的过程中，急需有关部门组织研究讨论，制定统一的生态景观补给水的生物毒性监测指标体系，开展毒害污染物的全程控制。