各類金屬離子對(duì)活性污泥法工藝的影響研究

宮洪艷 李文波

(天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，天津 300384)

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，各種金屬?gòu)U水進(jìn)入市政管網(wǎng)。這些金屬離子對(duì)活性污泥會(huì)產(chǎn)生很大的影響，有些影響是致命性的，而有些影響是促進(jìn)性的。因此，研究各種金屬離子在什么范圍內(nèi)對(duì)活性污泥微生物活性有促進(jìn)作用，超過(guò)哪個(gè)范圍對(duì)微生物活性有抑制作用，以及利用何種方法能夠改善金屬離子對(duì)污水處理工藝的負(fù)面影響，對(duì)保證和提高污水處理效率具有極其重要的意義。

1 各類金屬離子對(duì)活性污泥微生物影響的機(jī)理

金屬離子對(duì)微生物的影響主要是作用于微生物細(xì)胞中的生物酶。金屬元素可能是特定酶的輔助因子，也可能是酶的激活劑，其在一定濃度下能對(duì)微生物活性有促進(jìn)作用。但是微生物對(duì)這些金屬離子的需求量有限，過(guò)量存在會(huì)引起微生物中毒。當(dāng)金屬離子侵入機(jī)體后，往往與生物分子結(jié)合生成金屬絡(luò)和物或金屬鰲和物，最終破壞核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，干擾氧化磷酸化和滲透壓平衡［1］。特別是對(duì)細(xì)胞有關(guān)酶的毒性抑制，可能導(dǎo)致整個(gè)降解或者代謝反應(yīng)鏈的癱瘓，進(jìn)而使細(xì)胞整體活性被抑制，最終造成細(xì)胞死亡。

2 各類金屬離子對(duì)活性污泥法工藝的影響

2.1 影響生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

金屬離子對(duì)生物處理的影響源于對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程的影響。有些金屬本身就是微生物存活所必須的元素。有研究表明，錳是超氧化物歧化酶、精氨酸酶、丙酮酸羧化酶等的輔助元素，是腺嘌呤核苷酸酶和一些水解酶的激活劑［3］;鋅是各種金屬蛋白酶、醇脫氫酶、碳酸酶等的輔助元素［4］。這些金屬在一定濃度下能夠促進(jìn)微生物活性。

微生物對(duì)金屬的需求量是有限的，當(dāng)其超過(guò)一定濃度范圍后，大部分金屬，特別是重金屬表現(xiàn)為抑制生物的呼吸作用，影響底物的轉(zhuǎn)化等。有些金屬，如汞、鉛、鎘、砷等，并非生命活動(dòng)所需，其在低濃度狀態(tài)下也表現(xiàn)出對(duì)微生物的抑制作用。有研究表明當(dāng)Cd和Hg的含量達(dá)到0.16 mmol/g MLSS和0.04 mmol/g MLSS時(shí)，在微生物呼吸作用中作為重要媒介的脫氫酶活性會(huì)降低50%［5］。

2.2 影響生物處理微生物群落

活性污泥中生物群落的組成豐富多樣，各種微生物之間相互作用，相互影響，組成了一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系。在這個(gè)微生態(tài)系中，每種微生物都扮演著不同的角色，同時(shí)微生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化對(duì)污水廠的功能是有效的生物指標(biāo)。在正常運(yùn)行的活性污泥系統(tǒng)中，微生物的種類和數(shù)量相對(duì)比較穩(wěn)定，但金屬離子能夠改變活性污泥生物群落的結(jié)構(gòu)。

謝冰等研究了鋅離子對(duì)活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)RAPD分析表明，鋅離子的加入可在短期內(nèi)改變污泥微生物群落DNA序列組成，對(duì)微生物的馴化實(shí)驗(yàn)表明，鋅離子能夠降低污泥微生物的多樣性和豐富性以及均勻度［6］。

2.3 影響活性物污泥沉降性能

金屬離子對(duì)微生物的影響，直接影響到菌膠團(tuán)的形態(tài)。高濃度重金屬離子介入可能直接造成微生物中毒，活性污泥解絮，上清液渾濁;低濃度或毒性不強(qiáng)的金屬離子介入，可能對(duì)部分微生物群落結(jié)構(gòu)造成影響，使優(yōu)勢(shì)菌種發(fā)生變化，若絲狀菌大量繁殖，可能造成污泥膨脹，泥水分離效果差;另外一種可能，金屬離子與活性污泥形成混凝共沉淀，而使污泥沉降性能更好。

在霍培書(shū)等的研究中，Hg2+，Pb2+，Cd2+3種重金屬離子對(duì)活性污泥的SVI造成明顯影響［7］。而鋁鹽和鐵鹽往往被作為助凝劑用于污水處理中，劉華等論述了聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鐵(PFC)對(duì)污水的生物處理系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定的污泥濃度和pH值范圍內(nèi)，適量的鋁鹽和鐵鹽可以提高污泥沉降性能［8］。

2.4 影響生物處理效率

金屬離子的各種影響往往直接反應(yīng)在污染物處理效率上。謝冰等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于有機(jī)物COD的降解，濃度小于40 mg/L的鋅離子對(duì)有機(jī)物降解效果影響不大，高于60 mg/L影響顯著;對(duì)于氨氮的轉(zhuǎn)化，鋅的抑制作用非常顯著;對(duì)于亞硝酸根的轉(zhuǎn)化，無(wú)論低濃度或高濃度的鋅離子，都會(huì)造成亞硝酸根離子的積累［9］。郝春紅等在研究中發(fā)現(xiàn)Fe3+對(duì)活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷有較好的促進(jìn)作用，其有效投加濃度范圍為10 mg/L～20 mg/L，Co2+和Ni2+對(duì)活性污泥脫氮除磷效果無(wú)明顯改善［10］。

3 應(yīng)對(duì)各類金屬?gòu)U水的研究

隨著工業(yè)的發(fā)展，各類金屬?gòu)U水對(duì)污水生物處理設(shè)施的影響不言而喻。而近年來(lái)污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)大大提高，目前大部分污水處理廠出水均要求達(dá)到《GB 18918-2002》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因此無(wú)論是就管網(wǎng)源頭控制還是就污水處理廠運(yùn)行的角度講，研究各類金屬離子對(duì)活性污泥工藝的影響都是非常必要的。

3.1 對(duì)各類金屬區(qū)別對(duì)待

為了便于研究和區(qū)別對(duì)待，我們不妨對(duì)各種金屬加以分類。對(duì)于金屬的分類沒(méi)有嚴(yán)格意義上的定義，這里僅從環(huán)境污染和便于分析的角度進(jìn)行分類。

1)有毒重金屬。指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬。2)一般重金屬。指銅、鉛、鋅、鐵、鎳、鈷、錳等，既是生命活動(dòng)所需要的微量元素，超過(guò)一定范圍又會(huì)對(duì)生命體造成毒性的重金屬。3)非重金屬。指鉀、鈣、鈉、鎂、鋁等原子量小于55的金屬。對(duì)于第一類金屬，由于其毒性極強(qiáng)，低濃度就會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用，因此必須進(jìn)行源頭控制，在工廠廢水排放前進(jìn)行有針對(duì)性的處理，避免其進(jìn)入市政管網(wǎng)。對(duì)于第二類金屬，低濃度對(duì)微生物代謝有促進(jìn)作用，或者對(duì)某一方面的代謝有促進(jìn)作用，可以加以利用;高濃度對(duì)微生物有抑制作用，可以進(jìn)行源頭控制，或者增設(shè)預(yù)處理裝置。

對(duì)于第三類金屬，一般應(yīng)該對(duì)活性污泥工藝沒(méi)有太大影響，有些金屬(如鈣、鋁)在一定濃度范圍內(nèi)甚至可以改善活性污泥絮凝效果，但其高濃度對(duì)活性污泥同樣存在危害，特別應(yīng)該注意pH值的變化。

3.2 處理金屬?gòu)U水的研究現(xiàn)狀

微生物和金屬離子之間的作用是互相的，在金屬對(duì)微生物產(chǎn)生促進(jìn)和毒害作用的同時(shí)，也在被微生物吸附和轉(zhuǎn)化。微生物本身及其代謝產(chǎn)物都能夠吸附和轉(zhuǎn)化重金屬。因此活性污泥法本身就可以去除部分重金屬，只不過(guò)在去除的同時(shí)其工藝本身受到一定的影響。于是有研究者提出了馴化微生物的想法，該想法認(rèn)為盡管重金屬對(duì)微生物有毒，但馴化能夠使得微生物適應(yīng)并存活。葉錦韶等認(rèn)為一定濃度的某種重金屬可有效的誘導(dǎo)出微生物體內(nèi)對(duì)重金屬的運(yùn)輸和毒性起到拮抗解毒作用的抗性基因，從而馴化出適應(yīng)一定濃度的某種或某幾種重金屬?gòu)U水的微生物［11］。

對(duì)于高濃度、高毒性金屬?gòu)U水沒(méi)有必要談之色變，大量的研究推出了多種新技術(shù)，離子交換組合處理技術(shù)可以處理含錫、鉛、銅、鉻、鋅、鎳等重金屬的多種電鍍廢水，并且可以循環(huán)利用;微電解——生物膜法也可以用于處理電鍍廢水，且工藝簡(jiǎn)單、能耗小、成本低、無(wú)二次污染;微濾和電滲析組合膜工藝既可以去除重金屬，COD，SS，并可以兼顧脫鹽，出水水質(zhì)能夠達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn);三相萃取法分離效果好，選擇性強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，適合復(fù)雜組分體系;電絮凝技術(shù)可以不添加化學(xué)藥劑去除重金屬，設(shè)備體積小，操作簡(jiǎn)單靈活，污泥量少;電去離子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廢水的無(wú)害化和資源化，達(dá)到零排放，不用化學(xué)藥劑，不污染環(huán)境，可同時(shí)回收重金屬。這些技術(shù)給廢水源頭處理和污水處理廠預(yù)處理提供了參考。

4 結(jié)語(yǔ)

目前各種金屬對(duì)活性污泥微生物影響的實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)取得了一定的成果，但在應(yīng)用于城市污水處理廠運(yùn)行中，如何更好的應(yīng)對(duì)金屬?gòu)U水對(duì)活性污泥工藝的沖擊，這種實(shí)踐性研究較少。深入研究各種金屬的特性和在不同條件下對(duì)微生物的影響，發(fā)現(xiàn)更多的微生物物種，深入了解微生物組織結(jié)構(gòu)、代謝工程、遺傳表達(dá)等內(nèi)容，研發(fā)生物強(qiáng)化技術(shù)，這些都是未來(lái)研究和發(fā)展的方向，也是解決金屬?gòu)U水對(duì)市政污水處理廠沖擊的根本途徑。

［1］孔繁翔.環(huán)境生物學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［2］楊柳燕，肖 琳.環(huán)境微生物技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，1999.

［3］Gao Junfa，Qiao Hua.Research and developmentof activation agent for wastewater treatment［J］.Shanxi Environment，2000，7(3):41-43.

［4］楊 頻，高 飛.生物無(wú)機(jī)化學(xué)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［5］Grau P.Criteria for nutrient-balanced operation of activated sludge process［J］.Water Science and Technology，1991，24(4):251-258.

［6］謝 冰，徐亞同.鋅離子對(duì)活性污泥微生物DNA序列多樣性的影響［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2003，16(4):18-23.

［7］霍培書(shū)，管越強(qiáng)，周可新，等.重金屬離子對(duì)活性污泥處理污水的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(10):2173-2178.

［8］劉 華，張延青.聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鐵(PFC)對(duì)活性污泥的影響［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2004，30(6):15-17.

［9］謝 冰.分子生物學(xué)方法研究銅鋅重金屬離子對(duì)活性污泥微生物的影響［D］.上海:東華大學(xué)，2002.

［10］郝春紅，張 峰，張 鵬，等.微量元素對(duì)活性污泥脫氮除磷效果影響的對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(4):78-83.

［11］葉錦韶，尹 華.微生物抗重金屬毒性研究進(jìn)展［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2002(4):1-3.