活性炭深度处理出水回灌地下的风险评价

皮运正，吴天宝，云桂春
(清华大学核能技术设计研究院，北京100084)

　　摘　要：以北京高碑店污水处理厂二级出水为对象，进行了活性炭深度处理回灌地下工艺的风险评价。结果表明，活性炭床和模拟的土壤含水层处理工艺可去除一半以上致突物，残余的主要污染物是移码型氯化致突物。回用过程中，微生物引起的风险可通过加氯消毒控制。高碑店厂的二级出水重金属含量低，再经深度处理，出水中重金属不会危及人体健康。
　　关键词：地下回灌；风险评价；Ames试验；优先污染物
　　中图分类号：X503
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0057-04

1　分析项目及方法

　　水样中的有机物采用GC/MS检测(HP 5890型气相色谱仪和HP 5970 MSD型质谱仪)，DOC(溶解性有机碳)采用SHIMADOU TOC—5000型仪器检测，重金属采用原子吸收光谱仪检测。Ames试验是利用鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷型菌株发生回复突变的特征来检测饮用水中的致突变物。回复突变是指某些特定基因点上的突变，试验中采用的是带有不同突变基因的TA100、TA98菌株，TA100用于检测碱基置换型致突变物，TA98可用于检测各种移码型致突变物，它尤其对氯化有机物较敏感^［1］。试验结果用诱变指数(MR)表示，MR=受试物平皿的实际回变菌落数/阴性对照平皿的自发回变菌落数(即诱发回变菌落数与自发回变菌落数之比值)。

2　深度处理工艺

　　在高碑店污水处理厂进行了中间扩大试验，其深度处理工艺流程为：

　　试验选用GH—16型活性炭^［2］，活性炭柱内径为70 mm，填充高度为800 mm，流速为5 m/h。其出水依次进入好氧、缺氧和厌氧的模拟土壤含水层处理柱，渗滤滤速为0.2 m/d^［3］，3根土壤柱内径均为400 mm，柱内填充粒径为1.2～2.0 mm的工程砂，填充高度为1 400 mm。活性炭柱共运行3 500床体积，其出水流入土壤柱，在好氧、缺氧和厌氧三种状态下，水中有机物可以被不同的微生物继续降解，此时土壤柱出水DOC＜3 mg/L，满足地下回灌水质的要求^［2］。

3　深度处理出水的风险评价

3.1　优先污染物
　　为了消除人们对回用水的忌讳心理，在回用水直接做为饮用水的偏保守假设前提条件下进行了风险评价。所谓风险是指在暴露于一定浓度或剂量之下的群体中，个体发生不良健康反应的概率或可能性。评价的目的在于估计特定剂量的化学或物理因子对人体、动植物或生态系统造成损害的可能性及其程度大小^［4］。由于有毒污染物种类繁多，因此只能有针对性地从中选出一些重点污染物予以控制，即确定一个筛选原则，对众多有毒污染物进行分级，从中筛选出潜在风险大的作为控制对象并提出一份控制名单，把优先选择的有毒污染物称为优先污染物。经验证优先污染物对人体有三致作用，一般认为人类癌症的50%～90%可能为环境因素所致。检测废水和饮用水中的致突变物和致癌物表明，水中的“三致”物质可能具有传递作用^［5］。
　　应用GC/MS分析技术对中试期间二级出水、活性炭出水和土壤柱出水进行了分析，各检测出11、9、4种优先污染物，其中土壤柱出水中的优先污染物为C2Cl₄、C₄H₈O₂、C₂HCl₃、C₆H10_O。假定将土壤柱出水作为饮用水，那么一个人一生(70年)饮用此水得癌症的风险可以根据美国环境保护署制定的规程计算出来，对致癌效果的一生风险度可采用下式计算：

　　　　R=CDI·SF

　　式中　R——一个人得癌症的可能性
　　　　　CDI——平均70 a内每日摄入量，mg/(kg·d)
　　　　　SF——斜率因子，(kg·d)/mg
　　　　　CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT
　　式中　CW——水中化学物质的浓度，mg/L
　　　　　IR——吸收速率，L/d
　　　　　EF——暴露频率，d/a
　　　　　ED——暴露时间，a
　　　　　AT——暴露于致癌物质下的时间，d，AT=ED·365 d/a^［6］
　　　　　W——体重，kg
　　以检出的C2Cl4为例，土壤柱出水中其含量＜10-7，取该值计算CDI如下：
　　　　　CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT=0.002 86 mg/(kg·d)
　　根据资料^［6］查出：SF(C₂Cl₄)=5.1×10-2(kg·d)/mg,则R=CDI·SF=1.46×10-4。
　　计算得致癌风险为1.46×10^-4，这意味着一个人一生(70 a)饮用此水有1.46×10^-4的机会致癌，如果有1 000万人直接饮用此水，那么1年中由C₂Cl₄引起的致癌人数为21人(致癌人数=107×1.46×10^-4/70=21 人/a)。
同样可以算出C₄H₈O₂、C₂HCl₃、C₆H10_O的致癌人数分别约为4、5、4人，它们之和为34人，表明单一优先污染物对人体健康影响非常小，完全可以忽略。
　　水体中的优先污染物除可单独作用于人体外，相互之间也可发生交互作用。概括来说，其最终效应可出现三种情况：一是最终效应增强(即所谓的协同作用)，二是使其减弱(即拮抗作用)，三是互无影响。化学物质间相互作用的机理十分复杂，在化学物质被吸收、分布、代谢、排泄等毒理学过程中的每一步均可发生相互作用。另外，不同化学物质作用于人体的不同部位也可交互影响而产生相互作用。总之，目前已具备的资料还远不足以描述两种毒物之间相互作用的数学模式，总的化学风险只是各组成成分各自所致效应的简单相加。这一假设的根据是观测值与估算值(根据无相互作用的假设预测的)之间的差异基本上在一个数量级之内，即相差不到10倍［4］。据此，上述4种优先污染物总的化学风险小于各自单一效应简单加和的10倍(340人)。对于一个有1 000万人的总体，饮用此水1年，水中优先污染物引起的致癌人数＜340人，可以忽略。
3.2　Ames试验
　　Ames试验结果列于表1，表中数据均为3个平行皿的平均值。当二级出水剂量为1.0 L/皿时，TA98菌株被抑制，可见高碑店厂二级出水中含有较多有害物质，它们对菌株有很大的危害作用，杀死了菌株。表中数据显示，TA100菌株的MR值(＜2)远低于TA98的MR值，说明水样中含有TA100菌株表征的碱基置换致突物的量低，含有TA98菌株表征的移码型氯化致突物的量多，因此氯化致突物是主要的污染物质。

表1　深度处理工艺对二级出水致突变活性的影响 菌株水样剂量(L/皿)二级生化出水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：“+”表示水样在该浓度下抑菌。

　　土壤柱出水TA98的MR值比二级生化出水的MR值低了约1倍，表明深度处理工艺可有效去除水中的致突物。高玉玲在对水源水评价时指出：MR=2时最低受试水量＜1 L/皿为严重污染^［5］。现土壤柱出水水样MR=2时的最低受试水量约为0.2 L/皿，故深度处理虽然能去除50%以上的致突物，但其出水仍含有许多对人体健康有害的致突物。尽管目前Ames试验不是标准的评价指标，但其结果对水中三致物质的致癌性有一定的参考价值，因此对试验结果应给予必要的重视。
　　对比GC/MS和Ames试验结果，GC/MS检测到的优先污染物对人体健康危害小，可忽略；而Ames试验显示处理后的水样中仍含有大量致突物。GC/MS分析的温度范围是45～300 ℃，主要检测中等挥发、较易挥发、分子质量较小的有机化合物，具有定性、敏感、快速的特点，而土壤柱出水中此类有机物浓度低、种类少，对人体危害小。Ames试验主要反映水中不易挥发、中等分子质量的部分有机物的整体毒理学特性，具有定量、快速、准确的特点。两种分析方法尽管检测手段不同(一种基于仪器分析，一种基于生物试验)，但均从不同侧面反映了水中微量有机污染物的某种特性，见表2［1］。

表2　两种分析手段的异同 分析手段定性或定量有机物挥发性有机物相对分子质量检测角度 GC/MS定性中等挥发＜500反映有机物种类、结构 Ames试验定量难挥发＜1 000～2 000反映水样的致突变性

　　综上分析表明，土壤柱出水中对人体健康危害最大的化合物是不易挥发、中等或高分子质量的有机物，它们可能是饮用水加氯消毒的副产物或污水处理厂生化处理过程中产生的微生物代谢产物。这些有毒的大分子质量有机物对综合性指标BOD5、TOC等贡献极小(土壤柱出水BOD5＜0.5 mg/L，TOC＜3.0 mg/L)，但仍具有潜在的威胁。
3.3　重金属
　　评价时只能参照发达国家的相关标准，如美国、德国的污水地下回灌标准。表3列出了经过活性炭床过滤和土壤柱处理后出水中重金属的变化情况，并附有美国加州21水厂制订的回灌水标准。

表3　深度处理工艺出水中重金属含量　　μg/L 参数FeMnZnAgCdCrAsHgPbSe 二级出水14504214301211.72.19136 活性炭出水92427167851.50.97105 21水厂回灌标准30050　5010505055010

　　经过活性炭处理，二级出水中的重金属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水厂的标准外，其余重金属含量远低于标准的要求，这是由于北京市加强了对排放重金属的主要工业污染源管理的结果。自1980年以来，高碑店污水系统范围内19条污水干线的重金属含量均符合灌溉水质标准，并还有下降的趋势［7］。因此，重金属引起的健康风险效应完全在可接受的范围内。
3.4　微生物风险
　　在过去几十年里越来越多的污水被回用，特别是在干旱或半干旱地区。回用时，污水中含有的一些致病菌、病毒、原生动物、寄生虫都需要加以控制。在人工地下水回灌过程中，土壤含水层系统能有效去除病原菌，如欧洲使用岸边渗滤和中欧采用莱茵河水进行人工地下水回灌的长期实践经验表明，病原菌、病毒和寄生虫在表土层中稳定地减少［6］。实验室试验期间，二级出水直接经过1 m厚砂滤介质的好氧、缺氧、厌氧土壤柱，一部分微生物可被去除，结果列于表4。

表4　土壤柱的除菌效果 项目二级出水好氧柱出水缺氧柱出水厌氧柱出水 细菌总数(个/mL)＞100524870 总大肠菌数(个/L)＞500184211250

　　中试用氯作消毒剂，对活性炭柱出水进行消毒，氯消毒剂采用分析纯的次氯酸钠溶液，消毒效果及相应的水质变化列于表5。

表5　粒状活性炭柱出水的加氯消毒结果 有效加氯量(mg/L)02468101215 水样1细菌总数(个/mL)5.8×10³4022002 总大肠菌数(个/L)9.5×10⁴401521300 水样2
细菌总数(个/mL)3.6×10⁴5845 总大肠菌数(个/L)2.5×10⁵6003

　　从表5可以看出，投加一定量消毒剂可达到灭菌效果，微生物所引起的风险可以得到控制。

4　结论

　　①在深度处理工艺出水中，GC/MS探测到的易挥发、分子质量较小的优先污染物浓度低、种类少，风险评价计算结果显示，其对人体的致癌风险较小，可以忽略。
　　②高碑店厂二级出水深度处理后地下回灌，再生水中重金属含量低，危害小，通过氯消毒处理可控制污水处理厂微生物引起的健康风险问题。
　　③Ames试验说明高碑店污水处理厂二级生化出水中含有很多致突变物质，采用的深度处理工艺可减少二级出水中的致突物，移码型氯化致突物是主要的残余污染物。由于不易挥发、有毒的大分子质量有机物的存在对人体有一定的潜在威胁，深度处理后出水不宜直接作为饮用水饮用，但可作为其他水源及潜在饮用水源加以利用。

参考文献：

　　［1］胡江泳.受石油污染水源饮水净化工艺与水质综合分析的研究［D］.北京：清华大学，1996.
　　［2］皮运正，吴天宝.活性炭吸附用于城市污水地下回灌技术的研究［J］.中国给水排水，1999，15(10)：5-8.
　　［3］皮运正，吴天宝，陈维芳.土壤含水层处理可吸附有机卤化物的试验研究［J］.重庆环境科学，2000，22(1)：31-33.
　　［4］董建，郭裕中.公共健康风险评价［M］.北京：原子能出版社，1994.
　　［5］王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.
　　［6］USEPA.Health effects assessment summary tables,annual FY-1991［R］.Wachington D C:Environmental protection agency,1991.
　　［7］王绍堂，覃显森.北京市高碑店污水系统污染综合防治研究［A］.环境保护科学技术新进展［C］.北京：中国建筑工业出版社，1993.

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　　收稿日期：2001-05-28