活性炭深度處理出水回灌地下的風險評價
皮運正，吳天寶，云桂春
(清華大學核能技術設計研究院，北京100084)
摘 要：以北京高碑店污水處理廠二級出水為對象，進行了活性炭深度處理回灌地下工藝的風險評價。結果表明，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。回用過程中，微生物引起的風險可通過加氯消毒控制。高碑店廠的二級出水重金屬含量低，再經深度處理，出水中重金屬不會危及人體健康。
關鍵詞：地下回灌；風險評價；Ames試驗；優先污染物
中圖分類號：X503
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)12-0057-04
1 分析項目及方法
水樣中的有機物采用GC/MS檢測(HP 5890型氣相色譜儀和HP 5970 MSD型質譜儀)，DOC(溶解性有機碳)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試驗是利用鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸缺陷型菌株發生回復突變的特征來檢測飲用水中的致突變物。回復突變是指某些特定基因點上的突變，試驗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，它尤其對氯化有機物較敏感［1］。試驗結果用誘變指數(MR)表示，MR=受試物平皿的實際回變菌落數/陰性對照平皿的自發回變菌落數(即誘發回變菌落數與自發回變菌落數之比值)。
2 深度處理工藝
在高碑店污水處理廠進行了中間擴大試驗，其深度處理工藝流程為：
試驗選用GH—16型活性炭［2］，活性炭柱內徑為70 mm，填充高度為800 mm，流速為5 m/h。其出水依次進入好氧、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根土壤柱內徑均為400 mm，柱內填充粒徑為1.2～2.0 mm的工程砂，填充高度為1 400 mm。活性炭柱共運行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下，水中有機物可以被不同的微生物繼續降解，此時土壤柱出水DOC＜3 mg/L，滿足地下回灌水質的要求［2］。
3 深度處理出水的風險評價
3.1 優先污染物
為了消除人們對回用水的忌諱心理，在回用水直接做為飲用水的偏保守假設前提條件下進行了風險評價。所謂風險是指在暴露于一定濃度或劑量之下的群體中，個體發生不良健康反應的概率或可能性。評價的目的在于估計特定劑量的化學或物理因子對人體、動植物或生態系統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，因此只能有針對性地從中選出一些重點污染物予以控制，即確定一個篩選原則，對眾多有毒污染物進行分級，從中篩選出潛在風險大的作為控制對象并提出一份控制名單，把優先選擇的有毒污染物稱為優先污染物。經驗證優先污染物對人體有三致作用，一般認為人類癌癥的50%～90%可能為環境因素所致。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”物質可能具有傳遞作用［5］。
應用GC/MS分析技術對中試期間二級出水、活性炭出水和土壤柱出水進行了分析，各檢測出11、9、4種優先污染物，其中土壤柱出水中的優先污染物為C2Cl4、C4H8O2、C2HCl3、C6H10O。假定將土壤柱出水作為飲用水，那么一個人一生(70年)飲用此水得癌癥的風險可以根據美國環境保護署制定的規程計算出來，對致癌效果的一生風險度可采用下式計算：
R=CDI·SF
式中 R——一個人得癌癥的可能性
CDI——平均70 a內每日攝入量，mg/(kg·d)
SF——斜率因子，(kg·d)/mg
CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT
式中 CW——水中化學物質的濃度，mg/L
IR——吸收速率，L/d
EF——暴露頻率，d/a
ED——暴露時間，a
AT——暴露于致癌物質下的時間，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，取該值計算CDI如下：
CDI=CW·IR·EF·ED／W·AT=0.002 86 mg/(kg·d)
根據資料［6］查出：SF(C2Cl4)=5.1×10-2(kg·d)/mg,則R=CDI·SF=1.46×10-4。
計算得致癌風險為1.46×10-4，這意味著一個人一生(70 a)飲用此水有1.46×10-4的機會致癌，如果有1 000萬人直接飲用此水，那么1年中由C2Cl4引起的致癌人數為21人(致癌人數=107×1.46×10-4/70=21 人/a)。
同樣可以算出C4H8O2、C2HCl3、C6H10O的致癌人數分別約為4、5、4人，它們之和為34人，表明單一優先污染物對人體健康影響非常小，完全可以忽略。
水體中的優先污染物除可單獨作用于人體外，相互之間也可發生交互作用。概括來說，其最終效應可出現三種情況：一是最終效應增強(即所謂的協同作用)，二是使其減弱(即拮抗作用)，三是互無影響。化學物質間相互作用的機理十分復雜，在化學物質被吸收、分布、代謝、排泄等毒理學過程中的每一步均可發生相互作用。另外，不同化學物質作用于人體的不同部位也可交互影響而產生相互作用。總之，目前已具備的資料還遠不足以描述兩種毒物之間相互作用的數學模式，總的化學風險只是各組成成分各自所致效應的簡單相加。這一假設的根據是觀測值與估算值(根據無相互作用的假設預測的)之間的差異基本上在一個數量級之內，即相差不到10倍［4］。據此，上述4種優先污染物總的化學風險小于各自單一效應簡單加和的10倍(340人)。對于一個有1 000萬人的總體，飲用此水1年，水中優先污染物引起的致癌人數＜340人，可以忽略。
3.2 Ames試驗
Ames試驗結果列于表1，表中數據均為3個平行皿的平均值。當二級出水劑量為1.0 L/皿時，TA98菌株被抑制，可見高碑店廠二級出水中含有較多有害物質，它們對菌株有很大的危害作用，殺死了菌株。表中數據顯示，TA100菌株的MR值(＜2)遠低于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。
土壤柱出水TA98的MR值比二級生化出水的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。高玉玲在對水源水評價時指出：MR=2時最低受試水量＜1 L/皿為嚴重污染［5］。現土壤柱出水水樣MR=2時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人體健康有害的致突物。盡管目前Ames試驗不是標準的評價指標，但其結果對水中三致物質的致癌性有一定的參考價值，因此對試驗結果應給予必要的重視。
對比GC/MS和Ames試驗結果，GC/MS檢測到的優先污染物對人體健康危害小，可忽略；而Ames試驗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、較易揮發、分子質量較小的有機化合物，具有定性、敏感、快速的特點，而土壤柱出水中此類有機物濃度低、種類少，對人體危害小。Ames試驗主要反映水中不易揮發、中等分子質量的部分有機物的整體毒理學特性，具有定量、快速、準確的特點。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)，但均從不同側面反映了水中微量有機污染物的某種特性，見表2［1］。
綜上分析表明，土壤柱出水中對人體健康危害最大的化合物是不易揮發、中等或高分子質量的有機物，它們可能是飲用水加氯消毒的副產物或污水處理廠生化處理過程中產生的微生物代謝產物。這些有毒的大分子質量有機物對綜合性指標BOD5、TOC等貢獻極小(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
評價時只能參照發達國家的相關標準，如美國、德國的污水地下回灌標準。表3列出了經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準。
經過活性炭處理，二級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水廠的標準外，其余重金屬含量遠低于標準的要求，這是由于北京市加強了對排放重金屬的主要工業污染源管理的結果。自1980年以來，高碑店污水系統范圍內19條污水干線的重金屬含量均符合灌溉水質標準，并還有下降的趨勢［7］。因此，重金屬引起的健康風險效應完全在可接受的范圍內。
3.4 微生物風險
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。回用時，污水中含有的一些致病菌、病毒、原生動物、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行人工地下水回灌的長期實踐經驗表明，病原菌、病毒和寄生蟲在表土層中穩定地減少［6］。實驗室試驗期間，二級出水直接經過1 m厚砂濾介質的好氧、缺氧、厭氧土壤柱，一部分微生物可被去除，結果列于表4。
中試用氯作消毒劑，對活性炭柱出水進行消毒，氯消毒劑采用分析純的次氯酸鈉溶液，消毒效果及相應的水質變化列于表5。
細菌總數(個/mL)3.6×1045845 總大腸菌數(個/L)2.5×1056003
從表5可以看出，投加一定量消毒劑可達到滅菌效果，微生物所引起的風險可以得到控制。
4 結論
①在深度處理工藝出水中，GC/MS探測到的易揮發、分子質量較小的優先污染物濃度低、種類少，風險評價計算結果顯示，其對人體的致癌風險較小，可以忽略。
②高碑店廠二級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險問題。
③Ames試驗說明高碑店污水處理廠二級生化出水中含有很多致突變物質，采用的深度處理工藝可減少二級出水中的致突物，移碼型氯化致突物是主要的殘余污染物。由于不易揮發、有毒的大分子質量有機物的存在對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。
參考文獻：
［1］胡江泳.受石油污染水源飲水凈化工藝與水質綜合分析的研究［D］.北京：清華大學，1996.
［2］皮運正，吳天寶.活性炭吸附用于城市污水地下回灌技術的研究［J］.中國給水排水，1999，15(10)：5-8.
［3］皮運正，吳天寶，陳維芳.土壤含水層處理可吸附有機鹵化物的試驗研究［J］.重慶環境科學，2000，22(1)：31-33.
［4］董建，郭裕中.公共健康風險評價［M］.北京：原子能出版社，1994.
［5］王占生，劉文君.微污染水源飲用水處理［M］.北京：中國建筑工業出版社，1999.
［6］USEPA.Health effects assessment summary tables,annual FY-1991［R］.Wachington D C:Environmental protection agency,1991.
［7］王紹堂，覃顯森.北京市高碑店污水系統污染綜合防治研究［A］.環境保護科學技術新進展［C］.北京：中國建筑工業出版社，1993.
電 話：(010)62778105
E-mail:piyunzheng@263.net
收稿日期：2001-05-28
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