生活污水—活性污泥聯(lián)合法去除酸性礦山廢水中鉛的初步研究

馬培　李剛　王偉　鮑錦磊 張繼偉

摘要 [目的]研究生活污水-活性污泥聯(lián)合法去除酸性礦山廢水（AMD）中鉛的可行性。[方法]聯(lián)合生活污水和活性污泥法處理AMD，利用生活污水具有的堿度和活性污泥的重金屬吸附能力，達(dá)到有效去除AMD中酸性物質(zhì)和重金屬鉛離子的目的。[結(jié)果]酸性鉛廢水在加入生活污水后，活性污泥對(duì)鉛的去除率從31%提高至96%；活性污泥處理24 h后，混合廢水（酸性鉛廢水加入生活污水）的總堿度從91 mg/L （CaO）上升至 121 mg/L （CaO），生活污水的總堿度從145.2 mg/L （CaO）降低至128.0 mg/L （CaO），且處理過程中兩種廢水的pH均維持在7.0左右，表明生活污水中堿性物質(zhì)能夠有效中和酸性鉛廢水中的酸性物質(zhì)；酸性鉛廢水對(duì)活性污泥的有機(jī)物（CODCr）去除效率未產(chǎn)生顯著影響。生活污水加入酸性鉛廢水后，活性污泥的SV30、SVI和MLSS均無顯著變化。[結(jié)論]生活污水-活性污泥聯(lián)合法是一種經(jīng)濟(jì)、高效的處理AMD的新方法，其工藝有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。

關(guān)鍵詞 酸性礦山廢水；生活污水；活性污泥；鉛

中圖分類號(hào) S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-220-03

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占70%以上，支撐著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。但由于煤礦含硫量高，故開采過程中產(chǎn)生的酸性礦山廢水（AMD）污染狀況十分嚴(yán)峻[2-3]。AMD由于重金屬含量高，含有鉛、鎘、錳、銅、鋅等多種金屬離子，且pH低，對(duì)礦區(qū)的水環(huán)境、土壤環(huán)境以及大氣環(huán)境均會(huì)帶來巨大的危害[3-4]。AMD由于pH低，且重金屬含量高，其處理是目前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)技術(shù)難題。傳統(tǒng)的AMD處理工藝有中和沉淀法、硫化物沉淀法、電解法、蒸發(fā)法、離子交換法等，但由于這些方法存在運(yùn)行費(fèi)用高、容易造成二次污染、處理污水量少等缺陷，應(yīng)用十分受限，故目前我國(guó)的AMD處理率很低，僅有50%[5-6]。尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的AMD處理方法成為目前迫切需要解決的一個(gè)問題。生活污水通常具有一定的堿度[200～250 mg/L（CaCO3）][7-8]，重金屬含量通常較低（<500 μg/L）[7，9-10]，并且包含低濃度的固體懸浮物，這些特征對(duì)處理AMD非常有益。將生活污水和AMD混合，發(fā)現(xiàn)由于稀釋作用和緩沖反應(yīng)，AMD溶液的pH逐漸升高，許多在酸性條件下才能夠較好溶解的重金屬離子的含量也逐漸降低[9-12]。筆者就是利用生活污水的這些特性，并聯(lián)合利用活性污泥的重金屬去除能力，達(dá)到去除AMD中的酸性物質(zhì)和典型重金屬鉛離子的目的，以期為AMD的處理尋找一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的新工藝方法。

1 材料與方法

1.1 活性污泥的培養(yǎng)和馴化 活性污泥取自新鄭市某污水處理廠，污泥的培養(yǎng)馴化方法如下：取經(jīng)過靜止、沉淀?xiàng)壢ド锨逡旱奈勰嘟臃N，接種量為吸附反應(yīng)器體積的30%，取河南工程學(xué)院附近某小區(qū)生活污水作為培養(yǎng)液。污泥培養(yǎng)生活污水水質(zhì)：總堿度145.2 mg/L（CaO），CODCr420 mg/L，TN 12.7 mg/L，鉛0.003 2 mg/L。

將采集的生活污水沉淀2 h后，間歇進(jìn)水。接種后，悶曝24 h換水1次，接著改每天曝氣12 h，停曝2 h，然后排出上清液，保持反應(yīng)器混合液中DO為5 g/L左右，pH至7左右。培養(yǎng)20 d后，發(fā)現(xiàn)污泥略有增加，SV30值為25%～30%，沉淀性能良好，進(jìn)水CODCr經(jīng)過4 h處理后可以達(dá)到92%，污泥濃度（MLSS）為1 300～1 800 mg/L。

1.2 廢水的制備 ①鉛儲(chǔ)備液的制備：稱取硝酸鉛0.016 0 g，加少量蒸餾水溶解，并用鹽酸和NaOH調(diào)節(jié)pH至3.0，移入1 000 ml的容量瓶，加蒸餾水定容至1 000 ml；

②酸性鉛廢水（pH=3.0，鉛濃度為10 mg/L）：移取10 ml鉛儲(chǔ)備液于1 000 ml的容量瓶?jī)?nèi)，用蒸餾水定容至1 000 ml；

③生活污水：將采集的生活污水靜置沉淀2 h后，備用；

④混合廢水：用鉛儲(chǔ)備液稀釋，配制pH=3.0，濃度為20 mg/L的鉛溶液，并與靜置沉淀后的生活污水以1∶1的比例混合，混合廢水中鉛濃度為10 mg/L。

1.3 靜態(tài)吸附試驗(yàn) 將酸性鉛廢水、混合廢水以及生活污水3種廢水各取5 L分別加入3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，并分別加入活性污泥，使MLSS達(dá)1 500 mg/L，連續(xù)曝氣10 h，靜置2 h，試驗(yàn)進(jìn)行24 h，同時(shí)測(cè)定水中鉛含量、總堿度和CODCr。反應(yīng)進(jìn)行24 h后，測(cè)定污泥的MLSS、SVI和SV30。該研究污水水質(zhì)和污泥指標(biāo)的測(cè)定方法見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛含量的變化 圖1顯示，活性污泥對(duì)兩種污水中鉛的吸附在1 h內(nèi)均達(dá)到平衡，且在吸附發(fā)生的前5 min鉛含量迅速降低，此時(shí)吸附速率最大。在處理酸性鉛廢水時(shí)（pH=3），活性污泥對(duì)鉛的吸附去除率較低，僅有31%；當(dāng)在酸性鉛廢水中以1∶1的比例加入生活污水時(shí)，活性污泥對(duì)鉛離子的吸附去除率迅速上升，鉛的含量降低至0.4 mg/L，鉛的去除率達(dá)到96%?；旌蠌U水中鉛含量降低主要原因是活性污泥對(duì)鉛的吸附去除作用，另外一個(gè)原因可能是生活污水中膠體顆粒對(duì)鉛的吸附作用以及生活污水的稀釋作用。酸性鉛廢水加入生活污水后，鉛的去除率顯著地增加了。在pH過低的情況下，溶液中存在的大量H+會(huì)使活性污泥的微生物質(zhì)子化，而質(zhì)子化程度越高，微生物對(duì)鉛離子的斥力越大；同時(shí)大量存在的H+會(huì)占據(jù)細(xì)胞壁的鏈接基團(tuán)，產(chǎn)生斥力作用而阻礙鉛離子靠近細(xì)胞，從而影響了活性污泥的吸附活性。

2.2 總堿度與pH的變化 當(dāng)在酸性鉛廢水中加入生活污水后，生活污水中的堿度大大中和了酸性重金屬?gòu)U水中的酸性物質(zhì)（圖2）?；旌蠌U水的pH迅速上升至6.5，且在試驗(yàn)進(jìn)行的24 h內(nèi)，混合廢水的pH始終維持在7.0左右，這給活性污泥吸附鉛離子提供了一個(gè)適宜的pH環(huán)境。當(dāng)pH上升，表明溶液中H+濃度降低，此時(shí)活性污泥就會(huì)暴露出較多的吸附基團(tuán)，有利于鉛離子的接近并吸附在細(xì)胞表面上，故生活污水加入后，活性污泥對(duì)鉛的去除率提高了。圖2顯示生活污水加酸性鉛廢水后，總堿度從145.2 mg/L （CaO）降至91.0 mg/L （CaO）。隨著活性污泥處理時(shí)間的增加，生活污水的總堿度逐漸降低，而混合廢水的總堿度隨著處理時(shí)間的增加反而逐漸增加；當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到18 h后，兩種污水的總堿度的大小接近一致。

2.3 CODCr的變化 生活污水與酸性鉛廢水以1∶1比例混合后，活性污泥對(duì)混合廢水中CODCr的降解過程見圖3?；钚晕勰嘟到? h后，生活污水中CODCr迅速降低至100 mg/L以下，混合廢水中CODCr含量也迅速降低，但其CODCr含量仍在150 mg/L以上，但當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行12 h時(shí)，兩種溶液的CODCr均能降低至100 mg/L以下，且含量相近。這表明重金屬鉛存在降低了活性污泥對(duì)CODCr的降解速度，但只要停留時(shí)間增加，同樣可以達(dá)到有效去除生活污水中有機(jī)物的效果。

2.4 處理后活性污泥性能的差異性 表2對(duì)比了在處理生活污水和混合廢水后活性污泥性能的差異性。處理混合廢水的活性污泥比處理生活污水的活性污泥的SV30和SVI略有降低，表明處理混合污水后，污泥更容易沉淀，且無機(jī)物質(zhì)略有增加；兩者的MLSS值相近，這表明酸性鉛廢水的加入后并未對(duì)活性污泥中的固體總量產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

（1）生活污水-活性污泥聯(lián)合法處理酸性鉛廢水，大大提高了活性污泥對(duì)酸性鉛廢水中鉛的去除效率，從31%提高至96%。

（2）活性污泥處理24 h后，混合廢水的總堿度從91 mg/L（CaO）上升至 121 mg/L（CaO），生活污水的總堿度從145.2 mg/L（CaO）降低至128.0 mg/L（CaO），兩者總堿度接近一致且pH穩(wěn)定在7.0左右，生活污水的加入有效去除了酸性鉛廢水中的酸性物質(zhì)。

（3）酸性鉛廢水對(duì)活性污泥去除生活污水中有機(jī)物的效率未產(chǎn)生顯著影響，但延長(zhǎng)了接觸反應(yīng)時(shí)間，使接觸反應(yīng)時(shí)間從6 h延長(zhǎng)至12 h。

（4）生活污水-活性污泥聯(lián)合處理酸性鉛廢水后，活性污泥的沉淀性能以及固體物質(zhì)總量并未受到顯著影響。

該研究表明生活污水-活性污泥聯(lián)合法是一種經(jīng)濟(jì)、高效的處理酸性礦山廢水的新方法，其工藝有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。

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