基于生物毒性指标的炼化废水水质表征方法与流程

本发明属于石油炼化废水处理，尤其涉及一种基于生物毒性指标的炼化废水水质表征方法。

背景技术：

1、工业废水是水体污染的重要点源，也是废水控制和管理的重点和难点。《中国生态环境状况公报(2020年)》显示，我国废污水排放总量约为1187亿立方米/年。其中，工业废水排放总量约占全国废污水排放总量的52.87％。炼化废水则是我国主要的工业废水，目前石化企业普遍选用“隔油-混凝/气浮-生化”老三套工艺处理该类废水。由于炼化废水生物毒性较强，组分复杂且难以生物降解，水质波动性也较强，采用老三套工艺处理后出水可达到《污水综合排放标准》(gb8978-1996)一级排放标准，但要稳定达到新颁布的《石油炼制工业污染物排放标准》(gb31570-2015)(cod 50.0mg/l，氨氮5.0mg/l，总氮30.0mg/l，总磷1.0mg/l，石油类3.0mg/l，硫化物0.5mg/l，挥发酚0.3mg/l)尚有困难，而且炼化废水也易对废水处理系统下游生物处理单元产生冲击性负荷，导致废水处理系统长期稳定运行存在风险。

2、为有效降低工业废水的环境危害，我国制订了工业废水达标排放的相应政策。不同行业会制定一些高风险污染物的特定监测指标，但不在行业监测名录之中的污染物无法得到有效监控；并且相关研究表明，工业废水经处理后的出水虽达到排放标准，但仍会诱导一定的生物毒性效应。我国现行的废水排放标准主要停留在理化指标上，如化学需氧量(cod)、氨氮等，这些指标与废水毒害风险的相关性较差，并且国内对工业废水的理化指标监测分析方法仅关注特定污染物浓度水平(如重金属指标等)，并未涉及生物学指标，常规理化指标难以真实反映废水对生物处理单元活性污泥的毒害作用及对废水处理系统的综合效应。

3、现有技术中，中国专利申请cn108120812a公开了一种印染废水中成组生物毒性检测及鉴别评估方法，该方法以印染废水为研究对象，涵盖了分解者、生产者、消费者3个营养剂的成组生物毒性实验表征印染废水毒性，虽然解决了单一生物毒性测试不具有代表性的问题，但该方法仅适用于评价印染废水毒性大小；中国专利申请cn112362604a公开了一种化工废水的生物毒性检测方法，该方法通过将硝化菌作为特征生物，将氨氮去除率设定为特征指标，仅观测化工废水氨氮去除率的改变，侧面确定化工废水中的毒性；中国专利申请cn113358722a公开了一种基于悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法，该方法通过构建以悬浮态电化学微生物为核心的微生物电化学水质毒性传感器，利用电化学活性微生物的菌悬液即可以直接将水质毒性信息转导为电信号，实现水质毒性应急检测和机动检测，但该方法无法确定废水具体理化性质，仅适用于水体重金属污染或有机物污染的早期预警。相关专利在废水生物毒性检测方面有一定参考价值，但均未阐明废水生物毒性指标与微生物群落活性的响应关系，也无法从生物毒性角度阐明废水水质状况。

4、因此，需要设计一种从水样生物毒性指标角度表征废水水质的方法，以此来探究废水处理系统微生物群落结构与主要致毒物质的响应关系。

技术实现思路

1、为了解决现有技术难以全面表征炼化废水真实水质情况，本发明提出了一种基于生物毒性指标的炼化废水水质表征方法，所述方法包括：采集水样，测试理化指标，检测所述水样中的生物急性毒性、遗传毒性指标，鉴定所述水样中主要致毒环境因子类别，并筛选敏感致毒环境因子指标；测序确定所述水样中微生物群落结构，分析所述敏感致毒环境因子指标与微生物群落结构间相关性，识别核心致毒环境因子指标；分析所述核心致毒环境因子指标与微生物群落中优势物种之间的响应关系。

2、进一步地，所述采集水样从炼化废水处理厂中各处理工艺环节进行水样采集，同一环节采集多次；所述理化指标包括cod、toc、tn、tp、tph、氨氮、重金属离子中的一种或多种水样指标。所述生物急性毒性检测采用发光细菌试验法，所述生物遗传毒性检测采用sos/umu方法，所述致毒环境因子类别鉴定采用毒性鉴别评价方法。

3、所述毒性鉴别评价方法通过毒性表征分析，识别水样中的主要致毒环境因子类别。所述主要致毒环境因子类别包括无机指标、有机指标和金属指标。所述无机指标包括ph、溶解氧、氧化还原电位、电导率、氨氮、总氮及总磷中的一种或多种。所述有机指标包括cod、toc及tph中的一种或多种。所述金属指标包括na、zn、cd、cu、ni、ba、cr、mn、fe、mg、se、as、pb、al、ca及k等金属离子中的一种或多种。

4、所述敏感致毒环境因子指标采用方差膨胀因子分析(vif)方法对主要致毒环境因子指标进行共线性分析，剔除vif分析值≥n的环境因子指标，保留vif分析值<n的环境因子指标，筛选得到敏感致毒环境因子指标。所述n≥10。

5、进一步地，所述测序确定水样中微生物群落结构包括：抽滤所述水样，得到微生物菌群样品；对所述样品进行dna提取，并检测dna提取物浓度和纯度；对所述dna提取物进行pcr扩增，并针对提取物的16s rrna基因进行基因组测序；对所述测序原始数据进行预处理，得到unique序列数据；利用所述unique序列数据对所述水样分别进行otu分析，基于所述otu分析结果对所述水样中微生物进行群落结构分析。

6、使用微孔膜、真空泵对所述水样进行抽滤，所述微孔膜的孔径为0.2-1μm，所述真空泵为无油式真空泵抽滤。所述dna提取物浓度采用分光光度计进行检测，所述分光光度计为超微量分光光度计。所述dna提取物纯度采用琼脂糖凝胶电泳进行检测，所述电泳的琼脂糖凝胶浓度为0.5-5％。所述基因组测序的平台或仪器不限。

7、所述测序原始数据预处理包括：去除所述测序原始数据中的测序接头序列、文库标签序列或正向扩增引物序列，得到有效数据；去除所述有效数据中的非特异性扩增片段序列、模糊碱基、单碱基重复序列以及长度短于100bp的序列，得到unique序列数据。得到所述有效数据和unique序列数据后，对unique序列数据在有效数据中的占比进行统计，评价测序质量。

8、所述otu分析根据unique序列数据的实际质量差异在90％～98％之间合理选择，对相似性大于等于m％进行otu划分。所述m≥97。

9、所述群落结构分析包括：截取所述unique序列数据的前设定长度的序列与silva数据库中的参考序列进行比对；基于比对结果，查找出与所述unique序列的序列相似度在97％以上且可信度达80％以上的种属信息；将所述otu分析结果中，每一个otu中的所有unique序列进行类比，找出同一otu中的不同序列的最近祖先的种属信息，获得各样品的种属分类结果。所述前设定长度的序列指前400bp～450bp之间任一长度的序列。所述种属分类结果为微生物的种类及支持相应种类的微生物的unique序列数；采用统计学方法对种属分类结果进行分析，获得不同生物学分类水平的水样中微生物群落结构及优势物种。

10、所述分析敏感致毒环境因子指标与微生物群落结构间相关性采用db-rda分析,识别影响水样微生物活动的核心致毒环境因子指标。

11、进一步地，分析所述核心致毒环境因子与水样中属水平上微生物优势物种之间的相关性系数，绘制相关性热图。所述相关性系数采用spearman等级相关系数或pearson相关系数。

12、本发明首次同时将生物急性毒性及遗传毒性检测指标用于废水水质表征，基于生物毒性指标揭示了水样中敏感致毒环境因子与微生物群落结构及优势物种的响应关系，表征了炼化废水真实水质状况，弥补了常规废水检测方法中主要以化学法检测水样理化指标的局限性，为促进工业废水处理系统工艺优化提供理论指导。

13、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。