申请日2013.01.25
公开(公告)日2013.05.22
IPC分类号G01N33/18
摘要
本发明公开了一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，属于环境生态毒理学研究领域。本发明步骤为：毒物特性分析;毒物鉴别;毒物确证。解决了废水毒性高且成分复杂、污染物复合毒性效应机理复杂、现有废水排放标准难以界定处理出水的生态安全性、化学分析方法步骤繁琐且费用高等问题，本方法可快速而有效地判定出废水中存在毒物的理化特性，初步确定毒物所属类别，不仅可为进一步鉴别毒物提供重要依据，而且可为废水中毒物的去除方案提供重要参考依据。
权利要求书
1.一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，其步骤为：
(1)毒物特性分析
①初始毒性分析：废水到达实验室第一天，对废水进行急性毒性试验，暴露水平设置为100%、50%、25%、12.5%和6.25%，初步获得废水的24hLC50值;
②基线毒性分析：废水到达实验室的第二天，对未经处理的原废水进行基线毒性试验;
③pH调节试验：取两部分废水，分别将其pH值调至pH3和pH11，另外取一部分废水保持在初始pH值，一段时间后改变了pH值的废水重新调回pHi，并对三部分废水进行毒性试验;
④pH调节/曝气：曝气处理pH3、pHi和pH11的废水，并将处理后改变了pH值的废水重新调回pHi，然后进行毒性试验;
⑤pH调节/过滤试验：分别过滤pH3、pHi和pH11的废水，并将处理后改变了pH值的废水重新调回pHi，然后进行毒性试验;
⑥pH调节/C18固相提取：C18SPE柱提取经过滤处理后的pH3、pHi和pH11废水，过C18SPE柱前调至pH9，并将提取后改变了pH值的废水重新调回pHi，然后进行毒性试验;
⑦EDTA螯合试验：向废水中按梯度浓度法或稀释法加入EDTA储备液，一小时以后进行毒性试验;
⑧Na2S2O3还原：向废水中按浓度梯度法或稀释法加入Na2S2O3储备液，一小时后进行毒性试验;
⑨梯度pH试验：将废水的pH分别调至pH6、pH7和pH8，然后分别进行毒性试验;
(2)毒物鉴别
根据第一步毒物特性试验判定出废水中存在毒物的类别，采用分析技术，并跟踪废水在分析过程中的毒性变化，鉴别出导致废水毒性的可疑毒物，所述分析技术包括：非极性有机毒物的鉴别、极性有机毒物的鉴别、金属毒物的鉴别和氨、氰化物挥发性毒物的鉴别;
(3)毒物确证
根据第一步和第二步测定结果以及水样采集情况，通过相关分析法、可疑毒物投加试验法、质量平衡法或可疑毒物去除试验法确证第二步鉴别出的可疑毒物确为导致废水毒性的主要毒物。
2.根据权利要求1所述的一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，其特征在于，所述步骤(1)初始毒性分析中，在24h时，100%废水的测试生物的死亡率小于50%，废弃所采水样，重新采集新鲜水样进行毒性试验，当初始LC50<25%时，第一步的其它毒性试验的最高浓度组是废水LC50初始浓度的4倍;当初始LC50>25%时，其它毒性试验的最高浓度组为废水的100%初始浓度。
3.根据权利要求1所述的一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，其特征在于，所述步骤(2)中非极性有机毒物的鉴别，具体步骤如下：C18SPE柱提取废水，废水中的非极性有机化合物被吸附在C18SPE柱上，用少量的25%、50%、75%、80%、90%和100%的甲醇溶液依次洗脱C18SPE柱，以分离和浓缩吸附在C18SPE柱上的非极性有机化合物，得到SPE组份，分别用稀释水稀释八个SPE组份至4×100%初始废水浓度，然后对其进行毒性试验，根据毒性试验结果确定出有毒的SPE组份;合并有毒的SPE组份，再用另一个C18SPE柱富集浓缩有毒的SPE组份于100%甲醇中;稀释浓缩液至8或4×100%初始废水浓度后进行毒性试验;根据毒性回收率=浓缩液TU÷全废水TU×100%，计算C18SPE柱浓缩废水的毒性回收率;GC/MS定性定量分析浓缩液所含的非极性有机组份，根据GC/MS定性定量分析结果和毒性回收率计算出这些非极性有机化合物在废水中的浓度，并与它们的试验或文献报道的毒性值相比较，鉴别出废水中存在的可疑毒物。
4.根据权利要求1所述的一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，其特征在于，所述步骤(2)中氨、氰化物挥发性毒物的鉴别，采用钠氏剂光度法测定废水中总氨氮的浓度，用硝酸银滴定法测定废水中氰化物的浓度。
5.根据权利要求1所述的一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，其特征在于，所述步骤(3)中质量平衡法具体步骤如下：对第二步毒物鉴别试验中已确定毒性的八个SPE组份进行有毒SPE组份、无毒SPE组份和全部SPE组份的毒性试验，所述有毒SPE组份毒性试验：各取有毒的SPE组份一起加入稀释水中，配制成100%初始浓度的废水，进行毒性试验;所述无毒SPE组份毒性试验：取无毒的SPE组份一起加入稀释水中，配制成100%初始浓度的废水，进行毒性试验;所述全部SPE组份毒性试验：取八个SPE组份一起加入稀释水中，配制成100%初始浓度的废水，进行毒性试验。
说明书
一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法
技术领域
本发明是一种废水及处理出水的生态毒性评价方法，更具体的说是一种筛选 和鉴定废水与处理出水中毒物的方法。
背景技术
现有的化学分析技术尚难对环境样品中各种污染物进行直接或有效的毒性 鉴定，包括化学筛选和一些相关技术。要预测复合污染体系中存在的加成、拮抗 或协成作用也是困难的，于是产生了环境样品生物毒性鉴别评价方法。
美国从1984年就开始实施从毒性上控制工业废水的排放和对有毒工业废水 实行毒性削减政策。在实施排污许可证制度时，对有毒工业废水同时要执行两种 排放标准，即水污染物(浓度)排放标准和工业废水毒性排放标准。通过工业废 水毒性削减以实现有效的控制有毒污染物排放，其核心问题是要查明导致废水毒 性的关键毒物，为废水的有效处理、去除关键毒物和实现废水毒性削减提供科学 依据，这对于组分复杂的有毒工业废水尤其重要。这一政策推动了美国工业废水 毒性鉴别评价(TIE)的发展。
同时，美国EPA采用了全废水毒性试验与化学分析手段相结合的方法，用 于确定复杂废水中的毒物，该方法减少了化学分析工作量，提高了废水毒性原因 鉴别的可靠性。在TIE程序的三个试验阶段中，样品的各种处理、分离和分析步 骤都必须跟踪生物毒性试验，其最终目的是鉴别出导致废水毒性的关键有毒污染 物。美国运用TIE技术对30多种工业废水和城市污水进行毒性鉴别评价的结果 表明，TIE技术鉴别毒性原因的成功率可达90%。欧洲国家自90年代以来也陆 续开发TIE技术及其应用的研究，英国在此研究的基础上，决定于2000年开始 实行工业废水毒性削减政策，在实施排污许可证制度时要对废水排放要执行两种 排放标准，即污染物浓度排放标准和毒性排放标准。近年来，在国外，TIE技术 已成功应用于表面活性剂、非极性有机物、极性高分子有机物、氨、Cr、盐基离 子(钙、氯)、农药、Ni、Zn、Cu、重金属、酚类等。
国内对TIE方法的研究，开展工作不多，在TIE工作上仅进行了一些初步 研究。我国现行的环境监测方法还停留在常规污染物的传统监测水平。尤其是对 组分复杂的水样分析更是缺乏多学科相互渗透的先进手段，这也是难以有效监督 和控制有毒有机污染物排放的重要原因。这与我国现状是密切相关的，目前我国 的生产工艺比较落后，缺乏有效的废水资源回收和处理技术，导致某些废水的毒 性高而且组份复杂，致使很大一部分已经达到“排放标准”的废水仍具有很高的 毒性。针对这种现状，在我国推广使用TIE技术，具有十分重要的现实意义。 TIE方法的实际操作手段要求很严格，但随着分析手段的发展和环境科学的逐步 深入，TIE方法将越来越受到我国环境保护工作者的重视。因为，污染物的治理 和环境管理，要求鉴定引起污染的原因和污染物的种类，这样才能采取针对性的 措施。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对废水毒性高且成分复杂、污染物复合毒性效应机理复杂、现有废水排放 标准难以界定处理出水的生态安全性、化学分析方法步骤繁琐且费用高等问题， 本发明提出了一种筛选和鉴定废水与处理出水中毒物的方法，更快速、有效地筛 选和鉴定废水和处理出水中毒物，本方法可快速而有效地判定出废水中存在毒物 的理化特性，初步确定毒物所属类别，不仅可为进一步鉴别毒物提供重要依据， 而且可为废水中毒物的去除方案提供重要参考依据。
2.技术方案
(1)第一步-毒物特性分析
①初始毒性分析：
废水到达实验室当天(第一天)，对废水进行急性毒性试验，暴露水平设置 为100%、50%、25%、12.5%和6.25%，以便初步获得废水的24h LC50值。若在 24h时，100%废水的测试生物的死亡率小于50%，只能废弃所采水样，重新采 集新鲜水样进行毒性试验。当初始LC50<25%时，第一步的其它毒性试验的最高 浓度组是废水LC50初始浓度的4倍;当初始LC50>25%时，其它毒性试验的最高 浓度组为废水的100%初始浓度。本试验目的是为其他毒性试验设计提供理想的 暴露浓度范围。
②基线毒性分析：
废水到达实验室的第二天，对未经处理的原废水进行毒性试验，基线毒性 试验的结果作为同一天各种处理后废水毒性大小的比较依据，以判断各种理化 处理对废水毒性的影响程度，确定毒物理化特性，划分毒物类别。此种比较可 确定去除或改变各组毒物是否改变了废水的毒性。若基线测试LC50与刚抵达实 验室时的废水毒性差别很大，那就得再加快试验的时间。在完成第一步试验的 第二天，也必须做基线试验，并作为其它添加试验的对照。
③pH调节：
取两部分废水，分别将其pH值调至pH3和pH11,另外一部分废水保持在初 始pH值(pHi)。一段时间后改变了pH值的废水重新调回pHi(废水的初始pH 值)，并对三部分废水进行毒性试验。酸碱度对化合物的毒性影响很大，pH改变 能影响化合物的溶解性、极性、挥发性、稳定性及其化合物的类别，从而影响它 们的毒性及生物可利用性。根据pH调节试验中废水经pH调节处理后毒性是否 发生变化，可以判定废水中是否存在毒性受酸碱性影响的酸或碱类毒物。因此， 通过pH调节可了解毒物的许多性质。pH调节试验也可为第一步其他与pH调节 相关的试验提供空白对照。
④pH调节/曝气：
曝气处理pH3、pHi和pH11的废水，并将处理后改变了pH值的废水重新 调回pHi,然后进行毒性试验。曝气可去除废水中的挥发性或可被空气氧化的还 原性物质，从而去除它们的毒性。根据废水在pH调节/曝气处理后毒性是否发 生变化可判断出废水中是否存在挥发性或易被空气氧化的还原性有毒物质。此 外，氧化作用也能以各种途径改变组分。因此，在设计添加试验之前进行曝气 试验，可以确定废水毒性有多少是由于挥发，或易被氧化的还原性物质引起的， 从而确定氧化是否为主要机制。
⑤pH调节/过滤：
分别过滤pH3、pHi和pH11的废水，并将处理后改变了pH值的废水重新 调回pHi，然后进行毒性试验。过滤可去除颗粒毒物(包括吸附在颗粒物上的毒 物)。通过pH调节/过滤试验可了解废水中是否存在颗粒毒物。
⑥pH调节/C18固相提取：
C18SPE柱提取经过滤处理后的pH3、pHi和pH11(过C18SPE柱前调至pH9) 废水，并将提取后改变了pH值的废水重新调回pHi，然后进行毒性试验。C18SPE 柱主要吸附非极性有机化合物和某些金属，通过pH调节/C18SPE试验可判定废 水中是否存在有毒的非极性有机化合物和一些金属。C18SPE柱还可以吸附少量 极性有机化合物，只是吸附能力弱且易饱和，因此对于一些废水，如果C18固相 萃取可去除部分毒性，但毒性去除效率低并且C18SPE柱的毒性去除能力很快下 降，则废水中可能存在有毒的极性有机化合物。此时，需要用极性柱替代C18SPE 柱。
⑦EDTA螯合：
向废水中按梯度浓度法或稀释法加入EDTA储备液(储备液配制方法见参 考文献)，一小时以后进行毒性试验。EDTA是一种很强的金属螯合剂，它能和 大多数金属如铝、钡、钙、钴、铜、铁、铅、锰、镍、锌和锶的有毒金属离子 生成无毒或低毒的金属螯合物。根据废水中加入EDTA后毒性是否降低可以判 定出废水中是否存在有毒金属阳离子。
浓度梯度法：在一组4×初始LC50浓度(当废水初始LC50≤25%时)或100% (当废水初始LC50>25%时)初始浓度的废水中依次加入0.4、0.2、0.1、0.05、 0.025、0.0125和0.0ml的EDTA储备液，然后分别放入D.magna(大型蚤)，进 行毒性试验;
稀释法：三组废水试液，每组包括三种不同浓度的废水，即4×，2×和1 ×初始LC50浓度(当废水初始LC50≤25%时)或100%、50%、25%初始浓度(当 废水初始LC50>25%时)废水。在第一组3个浓度废水试液中分别加入0.2ml的 EDTA储备液，在第二组3个浓度废水试液中分别加入0.05ml的EDTA储备液, 在第三组3个浓度废水试液中分别加入0.0125ml的EDTA储备液，然后分别向 这三组废水中放入D.magna，进行毒性试验。
⑧Na2S2O3还原：
向废水中按浓度梯度法或稀释法加入Na2S2O3储备液(储备液配制方法见 参考文献)，一小时后进行毒性试验。Na2S2O3是一种还原剂，可将一些有毒的 氧化态物质如氯、溴、碘、锰和铬的氧化物还原成无毒或低毒的还原态物质。同 时，Na2S2O3也是一些金属如镉、钙、银和汞的阳离子的螯合剂。通过废水中加 入Na2S2O3后毒性是否降低可以判定出废水中是否存在有毒氧化物和一些有毒 金属阳离子。还原试验在水样到达实验室的第二天进行。Na2S2O3的投加有两种 方法。
浓度梯度法：在100%初始浓度的废水中依次加入1.0，0.8，0.6，0.4，0.2 和0.0ml的Na2S2O3储备液，然后分别放入D.magna,进行毒性试验;
稀释法：将废水分为三组，每组含三种不同稀释度的废水，分别向三组废水 中加入Na2S2O3储备液，使三组废水中Na2S2O3的浓度依次为0.5×Na2S2O3的24h LC50、0.25×Na2S2O3的24h LC50、0.125×Na2S2O3的24h LC50，然后分别进行毒 性试验。
⑨梯度pH试验：
将废水的pH分别调至pH6、pH7和pH8，然后分别进行毒性试验。梯度 pH试验的目的是通过比较废水在pH6、pH7和pH8时的毒性变化来判断、废水 中是否存在毒性对pH非常敏感的毒物，如氨、硫化物、氰化物和某些金属。
(2)第二步——毒物鉴别
根据第一步毒物特性试验判定出废水中存在毒物的类别，采用相应的分析 技术，并跟踪废水在分析过程中的毒性变化，鉴别出导致废水毒性的可疑毒 物。
①非极性有机毒物的鉴别
采取化学分级分离技术和毒性试验(Fractionation and Toxicity Testing Procedures)来评价废水通过C18SPE柱后洗脱组分是否具有急性毒性，并采用 GC/MS分析仪定性定量分析出可疑毒物。具体步骤如下：
C18SPE柱提取一定量废水，废水中的非极性有机化合物被吸附在C18SPE 柱上，用少量的25%、50%、75%、80%、90%和100%的甲醇溶液依次洗脱 C18SPE柱，以分离和浓缩吸附在C18SPE柱上的非极性有机化合物。得到的洗脱 液称SPE组份。分别用稀释水稀释这八个SPE组份至4×100%初始废水浓度， 然后对其进行毒性试验，根据毒性试验结果确定出有毒的SPE组份。
合并有毒的SPE组份，再用另一个C18SPE柱富集浓缩这一有毒的SPE组 份于100%甲醇中。稀释浓缩液至8(或4)×100%初始废水浓度后进行毒性试 验。根据毒性回收率=浓缩液TU÷全废水TU×100%，计算C18SPE柱浓缩废水 的毒性回收率。色质联用(GC/MS)定性定量分析浓缩液所含的非极性有机组 份，根据GC/MS定性定量分析结果和毒性回收率计算出这些非极性有机化合物 在废水中的浓度，并与它们的试验或文献报道的毒性值相比较，鉴别出废水中 存在的可疑毒物。
②极性有机毒物的鉴别
用C18SPE柱固相提取一定量废水，废水中的极性有机化合物被部分吸附在 C18SPE柱上，100%甲醇洗脱C18SPE柱，可将少量被吸附的极性有机化合物洗 脱下来，然后对100%甲醇洗脱液进行GC/MS定性分析，可初步了解废水中存 在极性有机化合物的种类。由于这一步只是定性分析，因此只要废水中存在的 极性有机化合物在洗脱液中的含量可被GC/MS检测出即可，而不需要化合物在 洗脱液中有很高的回收率。以被检测出的极性有机化合物的标准样品为标准物， 高效液相色谱(HPLC)分析这些极性有机化合物在废水中的浓度，并与它们的试 验或文献报道的毒性值相比较，鉴别出废水中存在的可疑毒物。
③金属毒物的鉴别
采用原子吸收光谱发(AA,Atomic Absorption Spectroscopy)或电感耦合等 原子发射光谱法(ICP-AES,Inductively-coupled plasma-atomic emission spectroscopy)分析废水所含金属的种类和浓度，并对分析出的金属进行单一化 合物毒性试验或查找有关文献以获得它们的毒性值。然后对金属在废水中的浓 度和它的试验或文献报道的毒性值进行比较，鉴别出废水中存在的可疑毒物。
④氨、氰化物等挥发性毒物的鉴别
采用钠氏剂光度法，测定废水中总氨氮的浓度，根据国家环保局1994年 12月26日颁布的《地面水环境质量标准非离子氨换算方法》计算出非离子氨的浓 度。对氨进行单一化合物的毒性试验，根据氨的毒性值判定氨在废水中的存在 浓度能否导致废水毒性。
采用硝酸银滴定法，测定废水中氰化物的浓度。对氰化物进行单一化合物 的毒性试验，根据氰化物的毒性值判定氰化物在废水中的存在浓度能否导致废 水毒性。
(3)第三步——毒物确证
根据第一步和第二步测定结果以及水样采集情况，选用相关分析法、可疑毒 物投加试验法、质量平衡法或可疑毒物去除试验法确证第二步鉴别出的可疑毒 物确为导致废水毒性的主要毒物。
①质量平衡法(Mass Balance Approach)
质量平衡法适用于可疑毒物为非极性有机化合物的废水的毒物确证。具体 步骤如下：对第二步毒物鉴别试验中已确定毒性的八个SPE组份进行有毒SPE 组份、无毒SPE组份和全部SPE组份的毒性试验。
有毒SPE组份毒性试验：各取一定量有毒的SPE组份一起加入适量稀释水 中，配制成100%初始浓度的废水，进行毒性试验;无毒SPE组份毒性试验：各 取一定量无毒的SPE组份一起加入适量稀释水中，配制成100%初始浓度的废水， 进行毒性试验;全部SPE组份毒性试验：各取一定量的八个SPE组份一起加入 适量稀释水中，配制成100%初始浓度的废水，进行毒性试验;
若无毒SPE组份没有毒性，而有毒SPE组份和全部SPE组份毒性与被 C18SPE柱从废水中去除的毒性基本相同，则说明导致废水毒性的主要毒物确被 洗脱在有毒SPE组份中，因此第二步从有毒SPE组份中鉴别出的可疑毒物确为 导致废水毒性的主要毒物。
②相关分析法(CorrelationApproach)
在不同时间采集同种废水的几个水样，分别对这些废水水样进行毒性试验， 得到它们的实测毒性单位(OBTU)。采用第二步的分析方法分析可疑毒物在这 些废水样中的浓度，并根据毒性值计算它们的毒性单位，称为预测毒性单位 (PRTU)。对这种废水的OBTU和PRTU进行相关分析。若相关分析曲线的相 关系数r2≥0.8,则表明废水的OBTU和PRTU进行相关性好，第二步鉴别出的可 疑毒物确为导致废水毒性的主要毒物。
③可疑毒物投加法(Spiking Approach)
在经过适当处理毒性已基本去除的废水中以不同浓度投加可疑毒物，配制 成一系列浓度不同的模拟废水。分别对每个模拟废水进行毒性试验，并对模拟 废水的实测毒性单位(OBTU)和投加的可疑毒物浓度进行相关分析。若相关分 析曲线的相关系数r2≥0.8，则表明模拟废水的OBTU和投加的可疑毒物浓度相 关性好，废水毒性与可疑毒物浓度成正比，第二步鉴别出的可疑毒物确为导致 废水毒性的主要毒物。
④可疑毒物去除法
采用适当的处理操作从废水中去除可疑毒物，并对处理后废水进行毒性试 验，若废水的毒性明显降低则证明第二步鉴别出的可疑毒物确为导致废水毒性的主要毒物。