皮運(yùn)正，吳天寶，云桂春
(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，北京100084)

　　摘　要：以北京高碑店污水處理廠二級(jí)出水為對(duì)象，進(jìn)行了活性炭深度處理回灌地下工藝的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，活性炭床和模擬的土壤含水層處理工藝可去除一半以上致突物，殘余的主要污染物是移碼型氯化致突物?；赜眠^程中，微生物引起的風(fēng)險(xiǎn)可通過加氯消毒控制。高碑店廠的二級(jí)出水重金屬含量低，再經(jīng)深度處理，出水中重金屬不會(huì)危及人體健康。
　　關(guān)鍵詞：地下回灌；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；Ames試驗(yàn)；優(yōu)先污染物
　　中圖分類號(hào)：X503
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)12-0057-04

1　分析項(xiàng)目及方法

　　水樣中的有機(jī)物采用GC/MS檢測(HP 5890型氣相色譜儀和HP 5970 MSD型質(zhì)譜儀)，DOC(溶解性有機(jī)碳)采用SHIMADOU TOC—5000型儀器檢測，重金屬采用原子吸收光譜儀檢測。Ames試驗(yàn)是利用鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸缺陷型菌株發(fā)生回復(fù)突變的特征來檢測飲用水中的致突變物?；貜?fù)突變是指某些特定基因點(diǎn)上的突變，試驗(yàn)中采用的是帶有不同突變基因的TA100、TA98菌株，TA100用于檢測堿基置換型致突變物，TA98可用于檢測各種移碼型致突變物，它尤其對(duì)氯化有機(jī)物較敏感^［1］。試驗(yàn)結(jié)果用誘變指數(shù)(MR)表示，MR=受試物平皿的實(shí)際回變菌落數(shù)/陰性對(duì)照平皿的自發(fā)回變菌落數(shù)(即誘發(fā)回變菌落數(shù)與自發(fā)回變菌落數(shù)之比值)。

2　深度處理工藝

　　在高碑店污水處理廠進(jìn)行了中間擴(kuò)大試驗(yàn)，其深度處理工藝流程為：

　　試驗(yàn)選用GH—16型活性炭^［2］，活性炭柱內(nèi)徑為70 mm，填充高度為800 mm，流速為5 m/h。其出水依次進(jìn)入好氧、缺氧和厭氧的模擬土壤含水層處理柱，滲濾濾速為0.2 m/d^［3］，3根土壤柱內(nèi)徑均為400 mm，柱內(nèi)填充粒徑為1.2～2.0 mm的工程砂，填充高度為1 400 mm?；钚蕴恐策\(yùn)行3 500床體積，其出水流入土壤柱，在好氧、缺氧和厭氧三種狀態(tài)下，水中有機(jī)物可以被不同的微生物繼續(xù)降解，此時(shí)土壤柱出水DOC＜3 mg/L，滿足地下回灌水質(zhì)的要求^［2］。

3　深度處理出水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1　優(yōu)先污染物
　　為了消除人們對(duì)回用水的忌諱心理，在回用水直接做為飲用水的偏保守假設(shè)前提條件下進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。所謂風(fēng)險(xiǎn)是指在暴露于一定濃度或劑量之下的群體中，個(gè)體發(fā)生不良健康反應(yīng)的概率或可能性。評(píng)價(jià)的目的在于估計(jì)特定劑量的化學(xué)或物理因子對(duì)人體、動(dòng)植物或生態(tài)系統(tǒng)造成損害的可能性及其程度大小^［4］。由于有毒污染物種類繁多，因此只能有針對(duì)性地從中選出一些重點(diǎn)污染物予以控制，即確定一個(gè)篩選原則，對(duì)眾多有毒污染物進(jìn)行分級(jí)，從中篩選出潛在風(fēng)險(xiǎn)大的作為控制對(duì)象并提出一份控制名單，把優(yōu)先選擇的有毒污染物稱為優(yōu)先污染物。經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)先污染物對(duì)人體有三致作用，一般認(rèn)為人類癌癥的50%～90%可能為環(huán)境因素所致。檢測廢水和飲用水中的致突變物和致癌物表明，水中的“三致”物質(zhì)可能具有傳遞作用^［5］。
　　應(yīng)用GC/MS分析技術(shù)對(duì)中試期間二級(jí)出水、活性炭出水和土壤柱出水進(jìn)行了分析，各檢測出11、9、4種優(yōu)先污染物，其中土壤柱出水中的優(yōu)先污染物為C2Cl₄、C₄H₈O₂、C₂HCl₃、C₆H10_O。假定將土壤柱出水作為飲用水，那么一個(gè)人一生(70年)飲用此水得癌癥的風(fēng)險(xiǎn)可以根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署制定的規(guī)程計(jì)算出來，對(duì)致癌效果的一生風(fēng)險(xiǎn)度可采用下式計(jì)算：

　　　　R=CDI·SF

　　式中　R——一個(gè)人得癌癥的可能性
　　　　　CDI——平均70 a內(nèi)每日攝入量，mg/(kg·d)
　　　　　SF——斜率因子，(kg·d)/mg
　　　　　CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT
　　式中　CW——水中化學(xué)物質(zhì)的濃度，mg/L
　　　　　IR——吸收速率，L/d
　　　　　EF——暴露頻率，d/a
　　　　　ED——暴露時(shí)間，a
　　　　　AT——暴露于致癌物質(zhì)下的時(shí)間，d，AT=ED·365 d/a^［6］
　　　　　W——體重，kg
　　以檢出的C2Cl4為例，土壤柱出水中其含量＜10-7，取該值計(jì)算CDI如下：
　　　　　CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT=0.002 86 mg/(kg·d)
　　根據(jù)資料^［6］查出：SF(C₂Cl₄)=5.1×10-2(kg·d)/mg,則R=CDI·SF=1.46×10-4。
　　計(jì)算得致癌風(fēng)險(xiǎn)為1.46×10^-4，這意味著一個(gè)人一生(70 a)飲用此水有1.46×10^-4的機(jī)會(huì)致癌，如果有1 000萬人直接飲用此水，那么1年中由C₂Cl₄引起的致癌人數(shù)為21人(致癌人數(shù)=107×1.46×10^-4/70=21 人/a)。
同樣可以算出C₄H₈O₂、C₂HCl₃、C₆H10_O的致癌人數(shù)分別約為4、5、4人，它們之和為34人，表明單一優(yōu)先污染物對(duì)人體健康影響非常小，完全可以忽略。
　　水體中的優(yōu)先污染物除可單獨(dú)作用于人體外，相互之間也可發(fā)生交互作用。概括來說，其最終效應(yīng)可出現(xiàn)三種情況：一是最終效應(yīng)增強(qiáng)(即所謂的協(xié)同作用)，二是使其減弱(即拮抗作用)，三是互無影響。化學(xué)物質(zhì)間相互作用的機(jī)理十分復(fù)雜，在化學(xué)物質(zhì)被吸收、分布、代謝、排泄等毒理學(xué)過程中的每一步均可發(fā)生相互作用。另外，不同化學(xué)物質(zhì)作用于人體的不同部位也可交互影響而產(chǎn)生相互作用?？傊壳耙丫邆涞馁Y料還遠(yuǎn)不足以描述兩種毒物之間相互作用的數(shù)學(xué)模式，總的化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)只是各組成成分各自所致效應(yīng)的簡單相加。這一假設(shè)的根據(jù)是觀測值與估算值(根據(jù)無相互作用的假設(shè)預(yù)測的)之間的差異基本上在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，即相差不到10倍［4］。據(jù)此，上述4種優(yōu)先污染物總的化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)小于各自單一效應(yīng)簡單加和的10倍(340人)。對(duì)于一個(gè)有1 000萬人的總體，飲用此水1年，水中優(yōu)先污染物引起的致癌人數(shù)＜340人，可以忽略。
3.2　Ames試驗(yàn)
　　Ames試驗(yàn)結(jié)果列于表1，表中數(shù)據(jù)均為3個(gè)平行皿的平均值。當(dāng)二級(jí)出水劑量為1.0 L/皿時(shí)，TA98菌株被抑制，可見高碑店廠二級(jí)出水中含有較多有害物質(zhì)，它們對(duì)菌株有很大的危害作用，殺死了菌株。表中數(shù)據(jù)顯示，TA100菌株的MR值(＜2)遠(yuǎn)低于TA98的MR值，說明水樣中含有TA100菌株表征的堿基置換致突物的量低，含有TA98菌株表征的移碼型氯化致突物的量多，因此氯化致突物是主要的污染物質(zhì)。

表1　深度處理工藝對(duì)二級(jí)出水致突變活性的影響 菌株水樣劑量(L/皿)二級(jí)生化出水MR活性炭床出水MR土壤柱出水MR TA981.0+11.86.5 0.58.75.23.6 0.254.74.12.8 0.12.72.61.4 TA1001.01.51.21.7 0.51.31.01.1 0.251.21.11.3 0.11.11.11.0 注：“+”表示水樣在該濃度下抑菌。

　　土壤柱出水TA98的MR值比二級(jí)生化出水的MR值低了約1倍，表明深度處理工藝可有效去除水中的致突物。高玉玲在對(duì)水源水評(píng)價(jià)時(shí)指出：MR=2時(shí)最低受試水量＜1 L/皿為嚴(yán)重污染^［5］?，F(xiàn)土壤柱出水水樣MR=2時(shí)的最低受試水量約為0.2 L/皿，故深度處理雖然能去除50%以上的致突物，但其出水仍含有許多對(duì)人體健康有害的致突物。盡管目前Ames試驗(yàn)不是標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但其結(jié)果對(duì)水中三致物質(zhì)的致癌性有一定的參考價(jià)值，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)給予必要的重視。
　　對(duì)比GC/MS和Ames試驗(yàn)結(jié)果，GC/MS檢測到的優(yōu)先污染物對(duì)人體健康危害小，可忽略；而Ames試驗(yàn)顯示處理后的水樣中仍含有大量致突物。GC/MS分析的溫度范圍是45～300 ℃，主要檢測中等揮發(fā)、較易揮發(fā)、分子質(zhì)量較小的有機(jī)化合物，具有定性、敏感、快速的特點(diǎn)，而土壤柱出水中此類有機(jī)物濃度低、種類少，對(duì)人體危害小。Ames試驗(yàn)主要反映水中不易揮發(fā)、中等分子質(zhì)量的部分有機(jī)物的整體毒理學(xué)特性，具有定量、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。兩種分析方法盡管檢測手段不同(一種基于儀器分析，一種基于生物試驗(yàn))，但均從不同側(cè)面反映了水中微量有機(jī)污染物的某種特性，見表2［1］。

表2　兩種分析手段的異同 分析手段定性或定量有機(jī)物揮發(fā)性有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量檢測角度 GC/MS定性中等揮發(fā)＜500反映有機(jī)物種類、結(jié)構(gòu) Ames試驗(yàn)定量難揮發(fā)＜1 000～2 000反映水樣的致突變性

　　綜上分析表明，土壤柱出水中對(duì)人體健康危害最大的化合物是不易揮發(fā)、中等或高分子質(zhì)量的有機(jī)物，它們可能是飲用水加氯消毒的副產(chǎn)物或污水處理廠生化處理過程中產(chǎn)生的微生物代謝產(chǎn)物。這些有毒的大分子質(zhì)量有機(jī)物對(duì)綜合性指標(biāo)BOD5、TOC等貢獻(xiàn)極小(土壤柱出水BOD5＜0.5 mg/L，TOC＜3.0 mg/L)，但仍具有潛在的威脅。
3.3　重金屬
　　評(píng)價(jià)時(shí)只能參照發(fā)達(dá)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美國、德國的污水地下回灌標(biāo)準(zhǔn)。表3列出了經(jīng)過活性炭床過濾和土壤柱處理后出水中重金屬的變化情況，并附有美國加州21水廠制訂的回灌水標(biāo)準(zhǔn)。

表3　深度處理工藝出水中重金屬含量　　μg/L 參數(shù)FeMnZnAgCdCrAsHgPbSe 二級(jí)出水14504214301211.72.19136 活性炭出水92427167851.50.97105 21水廠回灌標(biāo)準(zhǔn)30050　5010505055010

　　經(jīng)過活性炭處理，二級(jí)出水中的重金屬都有一定程度的降低，其中Mn、Cd的去除率＞50%，除了Cr含量略高于21水廠的標(biāo)準(zhǔn)外，其余重金屬含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，這是由于北京市加強(qiáng)了對(duì)排放重金屬的主要工業(yè)污染源管理的結(jié)果。自1980年以來，高碑店污水系統(tǒng)范圍內(nèi)19條污水干線的重金屬含量均符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并還有下降的趨勢［7］。因此，重金屬引起的健康風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)完全在可接受的范圍內(nèi)。
3.4　微生物風(fēng)險(xiǎn)
　　在過去幾十年里越來越多的污水被回用，特別是在干旱或半干旱地區(qū)?；赜脮r(shí)，污水中含有的一些致病菌、病毒、原生動(dòng)物、寄生蟲都需要加以控制。在人工地下水回灌過程中，土壤含水層系統(tǒng)能有效去除病原菌，如歐洲使用岸邊滲濾和中歐采用萊茵河水進(jìn)行人工地下水回灌的長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，病原菌、病毒和寄生蟲在表土層中穩(wěn)定地減少［6］。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)期間，二級(jí)出水直接經(jīng)過1 m厚砂濾介質(zhì)的好氧、缺氧、厭氧土壤柱，一部分微生物可被去除，結(jié)果列于表4。

表4　土壤柱的除菌效果 項(xiàng)目二級(jí)出水好氧柱出水缺氧柱出水厭氧柱出水 細(xì)菌總數(shù)(個(gè)/mL)＞100524870 總大腸菌數(shù)(個(gè)/L)＞500184211250

　　中試用氯作消毒劑，對(duì)活性炭柱出水進(jìn)行消毒，氯消毒劑采用分析純的次氯酸鈉溶液，消毒效果及相應(yīng)的水質(zhì)變化列于表5。

表5　粒狀活性炭柱出水的加氯消毒結(jié)果 有效加氯量(mg/L)02468101215 水樣1細(xì)菌總數(shù)(個(gè)/mL)5.8×10³4022002 總大腸菌數(shù)(個(gè)/L)9.5×10⁴401521300 水樣2
細(xì)菌總數(shù)(個(gè)/mL)3.6×10⁴5845 總大腸菌數(shù)(個(gè)/L)2.5×10⁵6003

　　從表5可以看出，投加一定量消毒劑可達(dá)到滅菌效果，微生物所引起的風(fēng)險(xiǎn)可以得到控制。

4　結(jié)論

　　①在深度處理工藝出水中，GC/MS探測到的易揮發(fā)、分子質(zhì)量較小的優(yōu)先污染物濃度低、種類少，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果顯示，其對(duì)人體的致癌風(fēng)險(xiǎn)較小，可以忽略。
　　②高碑店廠二級(jí)出水深度處理后地下回灌，再生水中重金屬含量低，危害小，通過氯消毒處理可控制污水處理廠微生物引起的健康風(fēng)險(xiǎn)問題。
　?、跘mes試驗(yàn)說明高碑店污水處理廠二級(jí)生化出水中含有很多致突變物質(zhì)，采用的深度處理工藝可減少二級(jí)出水中的致突物，移碼型氯化致突物是主要的殘余污染物。由于不易揮發(fā)、有毒的大分子質(zhì)量有機(jī)物的存在對(duì)人體有一定的潛在威脅，深度處理后出水不宜直接作為飲用水飲用，但可作為其他水源及潛在飲用水源加以利用。

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　　收稿日期：2001-05-28