Cu2+對活性污泥性質(zhì)的影響

張?zhí)m河，莊艷萍，王旭明，張海豐

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林　132012；2.北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，北京　100089)

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Cu2+對活性污泥性質(zhì)的影響

張?zhí)m河1，莊艷萍1，王旭明2，張海豐1

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林132012；2.北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，北京100089)

工業(yè)廢水含有重金屬離子，進入城市污水處理廠不可避免地對生物處理過程產(chǎn)生毒性。本研究采用SBR反應(yīng)器考察Cu2+濃度對活性污泥性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Cu2+濃度較低時(<2 mg/L)，Cu2+對活性污泥的沉降性能、SOUR和Zeta電位影響較小，SVI、SOUR和污泥表面Zeta電位分別保持在67 mL/g、7.24 mg O2/(gMLSS·h) 和38.41 mV，COD去除率為84.31%。但是，當(dāng)Cu2+濃度較高時(≥2 mg/L)，COD去除率下降，污泥絮凝沉降性差，污泥表面Zeta電位降低，活性污泥具有發(fā)生膨脹的趨勢。SVI升高至149 mg/L，污泥表面Zeta電位下降至21.21 mV，SOUR下降至3.37 mg O2/(gMLSS·h)，COD去除率下降至34.11%。

Cu2+； 活性污泥； SVI； ESS； Zeta電位

1　引　言

過高濃度的金屬離子對大多數(shù)微生物有毒性。工業(yè)的快速發(fā)展使得大量的工業(yè)廢水含有重金屬，例如銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)等重金屬排入城市污水處理系統(tǒng)[1,2]，造成生物污水處理系統(tǒng)性能惡化。因此，在污水生物處理中，金屬離子對微生物的影響被廣泛關(guān)注[3]。

在活性污泥處理工藝中，重金屬離子的濃度和形態(tài)會影響微生物的活性。此外，當(dāng)重金屬離子的濃度超過一定值時，重金屬會富集在活性污泥中，從而使污泥失去活性，降低活性污泥的絮凝性，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化[4,5]。研究表明，當(dāng)Cu2+為5 mg/L時，對COD的降解產(chǎn)生輕微抑制；而當(dāng)濃度達到20 mg/L時，則會產(chǎn)生嚴重的抑制作用[6]。Sengoer等[7]在SBR反應(yīng)器中研究了金屬離子對微生物行為的影響，結(jié)果表明Cu2+和Zn2+都會降低微生物的生長速率。金屬離子影響污泥的沉降性，Malakahmad等[8]利用SBR工藝處理石化廢水，當(dāng)加入Hg2+和Cd2+后，發(fā)現(xiàn)SVI不斷升高，MLVSS持續(xù)降低，活性污泥出水指標(biāo)不斷惡化。因此，如何有效地保障重金屬離子沖擊下，提高活性污泥的污泥性能和出水效果，成為亟待解決的問題。

因此，本實驗的研究目的是確定Cu2+對SBR系統(tǒng)活性污泥中微生物毒性的濃度范圍，考察污泥活性和沉降性的變化，為污水處理廠的運行提供理論基礎(chǔ)。

2　實　驗

2.1實驗裝置

序批式活性污泥反應(yīng)器(sequencing batch reactor，SBR)由有機玻璃制成，內(nèi)徑15 cm，高度35 cm，有效工作容積3 L。采用DJ1C-90W增力電動攪拌器攪拌，采用ACO-280電磁式空氣壓縮機曝氣，通過LZB-6氣體流量計控制進氣量。為了分析和取樣方便，反應(yīng)器設(shè)置3個取樣口。每天運行一個周期，包括進水5 min→好氧6 h→缺氧2 h→沉淀0.5 h→排水5 min→閑置(15.3 h)。所用活性污泥為吉林石化污水處理廠的回流污泥，馴化穩(wěn)定后，采用逐步投加法向反應(yīng)器投加CuSO4·5H2O，使反應(yīng)器中Cu2+濃度分別為0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 mg/L。溫度控制在25 ℃左右，pH為7～8.5，DO為2～3 mg/L。實驗裝置如圖1所示。

圖1　SBR實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of lab-scale SBR

2.2實驗用水

2.3分析項目與檢測方法

COD采用重鉻酸鉀氧化法；污泥容積(SV)混合液懸浮固體濃度( MLSS)、污泥容積指數(shù)(SVI)、出水懸浮物濃度(ESS)和好氧呼吸速率(SOUR)均采用國家標(biāo)準方法測定。DO采用Oxi3310型溶解氧儀測定；Zeta電位(mV)采用微電泳儀(JS94H)測定；生物相檢測采用顯微鏡(ECLIPSE Ni-E/Ni-U)觀察；pH 采用精密pH 計(pHs-3C)測定。

3　結(jié)果與討論

3.1Cu2+濃度對污泥沉降性的影響

不同濃度的Cu2+對SVI和ESS的影響，如圖2所示。在投加Cu2+后，隨著Cu2+濃度的增加，SVI和ESS均發(fā)生了變化，SVI先減小后增大，ESS與SVI二者變化趨勢一致，這表明SVI和ESS的變化與Cu2+濃度有關(guān)。當(dāng)反應(yīng)器加入1 mg/L Cu2+后，SVI和ESS均下降。當(dāng)Cu2+濃度從1 mg/L增加至10 mg/L，活性污泥的SVI從67 mL/g增加至149 mL/g，ESS從36 mg/L增加至78 mg/L；隨著Cu2+濃度的增加，SVI和ESS上升。在反應(yīng)器加入1 mg/L的Cu2+后，SVI和ESS降低主要是由于加入Cu2+產(chǎn)生共沉淀作用，污泥沉降性變好。然而，當(dāng)反應(yīng)器加入2 mg/L Cu2+后，由于金屬離子對微生物產(chǎn)生了一定的毒副作用，使污泥絮凝能力減弱，SVI和ESS增加，有膨脹趨勢。朱孟德等[9]也表明SVI會隨著重金屬離子濃度的增大而增大。

當(dāng)進水COD為400 mg/L時，不同Cu2+濃度下COD的去除情況，如圖2所示。當(dāng)Cu2+濃度從0 mg/L升高至1 mg/L時，COD的去除率從84.31%下降至80.25%，COD去除率變化不大；當(dāng)Cu2+濃度為2mg/L時，COD去除率升高(86.33%)，這表明Cu2+較低時對微生物降解有機物的活性產(chǎn)生一定的促進作用；隨著Cu2+濃度的升高，COD去除率下降；當(dāng)Cu2+為10 mg/L時，COD去除率下降至最低(34.11%)，而陳純等[10]研究表明，當(dāng)Cu2+濃度高于15 mg/L時，將會對污泥系統(tǒng)處理廢水造成致命的影響，當(dāng)Cu2+濃度在40 mg/L以上時，COD去除率下降到10%以下，系統(tǒng)失去活性，這與本實驗趨勢一致。這表明較高的Cu2+濃度使微生物降解有機物的活性受到明顯抑制。這與本課題組前期的研究結(jié)果一致[11]。

圖2　Cu2+對SVI、ESS以及COD去除率的影響Fig.2　Effect of Cu2+ on SVI, ESS and removal efficiency of COD

圖3　Cu2+對SOUR的影響Fig.3　Effect of Cu2+ on SOUR

3.2Cu2+濃度對SOUR的影響

在進水SOUR為8.03 mg O2/(g MLSS·h)條件下，不同濃度Cu2+對SOUR的影響，如圖3所示。隨著Cu2+濃度的增大，SOUR呈下降趨勢。當(dāng)Cu2+濃度從0 mg/L上升到1 mg/L時，SOUR從8.03 mg O2/(gMLSS·h)下降至7.24 mg O2/(gMLSS·h)。這是由于加入的Cu2+對活性污泥微生物有一定的沖擊作用，導(dǎo)致部分微生物代謝速率減慢[12]。當(dāng)添加2 mg/L Cu2+時，SOUR上升到7.60 mg O2/(gMLSS·h)，這是由于活性污泥微生物產(chǎn)生一定的耐受性，污泥活性上升。當(dāng)Cu2+濃度大于2 mg/L時，SOUR從7.60 mg O2/(gMLSS·h)下降至3.37 mg O2/(gMLSS·h)，說明Cu2+對微生物產(chǎn)生了毒害作用，使微生物活性受到抑制，然而Wang等[13]研究認為，當(dāng)Cu2+濃度大于3 mg/L時，才會對活性污泥中的微生物產(chǎn)生毒害，略微高于本實驗的結(jié)果(2 mg/L)，這可能是由于實驗條件不同，導(dǎo)致活性污泥中微生物的群落結(jié)構(gòu)不同，從而對Cu2+的耐性不同。

圖4　絮凝形態(tài)分析Fig.4　Flocculation morphology analysis

不同濃度的Cu2+對微生物分布和污泥絮凝形態(tài)的影響，如圖4所示。當(dāng)Cu2+濃度低于2 mg/L時，微生物與污泥的絮凝形態(tài)如圖4a所示；當(dāng)Cu2+濃度為10 mg/L時，微生物與污泥的絮凝形態(tài)如圖4b所示。與圖4b相比，圖4a中活性污泥形成的生物絮體結(jié)構(gòu)更為緊湊，菌膠團、顆粒物和絲狀菌之間相互緊密連接，絮凝效果好。這表明，在低濃度的Cu2+存在條件下，活性污泥中微生物種類多，生物絮凝性越好。但是，當(dāng)Cu2+超過一定濃度時，Cu2+對微生物的毒性增強，微生物種類變少，大量的細菌細胞或菌膠團死亡或游離，導(dǎo)致絮體中的菌膠團、顆粒物或菌落之間松散連接，生物絮凝性變差。由此表明，低濃度Cu2+能夠促進活性污泥顆粒的絮凝，抑制絲狀菌膨脹。張笑雪等[14]在分析Cu2+對活性污泥代謝和群落結(jié)構(gòu)的影響中得出，當(dāng)Cu2+濃度為5 mg/L時，由于微生物不能適應(yīng)Cu2+的積累而大量死亡，使污泥絮凝性下降；霍培書等[15]研究也表明，較高濃度的重金屬離子會導(dǎo)致細胞死亡，從而破壞了活性污泥生物群落的功能和結(jié)構(gòu),降低了微生物的活性，這些結(jié)果都與本實驗結(jié)論相符。

3.3Cu2+濃度對Zeta電位的影響

圖5　Cu2+對污泥表面zeta電位的影響及zeta電位與SVI和ESS的相互作用Fig.5　Effect of Cu2+ on the zeta potential of sludge surface and interaction of zeta potential, SVI and ESS

污泥表面Zeta電位能夠表征污泥表面性質(zhì)的變化，利用Zeta電位的變化可以分析Cu2+對污泥表面性質(zhì)的影響。如圖5(a)所示，當(dāng)Cu2+濃度從0 mg/L上升到1 mg/L時，污泥表面Zeta電位從37.23 mV上升至38.41 mV，當(dāng)Cu2+濃度從1 mg/L上升至10 mg/L時，污泥表面Zeta電位從38.41 mV下降至21.21 mV，Cu2+與Zeta電位呈負相關(guān)。這是因為表面電荷的多少與污泥絮體中表面含有離子化基團的數(shù)量有關(guān)。Cu2+濃度較低時，污泥表面離子化基團數(shù)量較多，污泥絮體中表面電荷的數(shù)量增多，Zeta電位升高；隨著Cu2+濃度增加，污泥表面離子化基團數(shù)量減少，污泥絮體中表面電荷的數(shù)量降低，Zeta電位也隨之降低。由圖5(b)可知，當(dāng)Cu2+濃度從0 mg/L(Zeta電位為21.21 mV)上升到1 mg/L(Zeta電位為37.23 mV)時，SVI和ESS分別從149 mL/g和78 mg/L下降至83 mL/g和45 mg/L，SVI、ESS均與Zeta電位呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.915和-0.988，雖與本課題組在EPS對活性污泥絮凝沉降性能與表面性質(zhì)的影響的研究中得出的-0.9408和-0.9597略有差異，但相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，區(qū)別不大[16]。隨著Zeta電位增加，SVI和ESS逐漸下降，較低的Zeta電位對應(yīng)較高的SVI和ESS，污泥絮凝沉降性較差。這是因為Zeta電位越高，活性污泥體系越穩(wěn)定，相反，Zeta電位越低，污泥絮體之間難以凝聚，從而導(dǎo)致污泥絮凝沉降性能變差。

4　結(jié)　論

(1)當(dāng)Cu2+濃度較低時(<2 mg/L)時，隨著Cu2+濃度的增加，SVI和ESS均下降，當(dāng)Cu2+從2 mg/L增加至10 mg/L，SVI從67 mL/g增加至149 mL/g，ESS從36 mg/L增加至78 mg/L。隨著Cu2+濃度的增加，SVI和ESS上升；

(2) 隨著Cu2+濃度上升，SOUR呈下降趨勢。當(dāng)Cu2+濃度從1 mg/L上升到10 mg/L 時，SOUR從7.24 mg O2/(gMLSS·h)下降至3.37 mg O2/(gMLSS·h)。低濃度的Cu2+(<2 mg/L)有利于提高COD去除率，高濃度的Cu2+(≥2 mg/L)不利于COD的去除；

(3)當(dāng)Cu2+濃度較高 (≥2 mg/L)時，對活性污泥微生物有一定的抑制和毒害作用，隨著Cu2+濃度的升高，污泥表面Zeta電位降低，絮凝沉降性差，SVI和ESS減小，活性污泥有膨脹趨勢。

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Effect of Cu2+on the Activated Sludge Properties

ZHANGLan-he1,ZHUANGYan-ping1,WANGXu-ming2,ZHANGHai-feng1

(1.School of Chemical Engineering, Northeast Dianli University,Jilin 132012,China;2.Beijing Agro-Biotechnology Research Center,Beijing 100089,China)

Industrial wastewater containing a lot of heavy metals inevitably produced a toxic impact on biological treatment processes in municipal wastewater treatment plants. In this study, the effect of Cu(II) concentration (0-10 mg/L) on the performance of activate sludge was investigated by using SBR. The results showed that when Cu2+concentration was very low(<2 mg/L), the effect of Cu2+concentration on SVI, SOUR and zeta potential was very slight, and SVI, SOUR and zeta potential were kept at 67 mL/g, 7.24 mg O2/(gMLSS·h) and 38.41 mV, and removal efficiency of COD was 84.31%, respectively. However, with higher Cu2+concentration(≥2 mg/L), the effect of Cu2+concentration on SVI, SOUR and zeta potential was very obvious, removal efficiency of COD, SVI, SOUR and zeta potential decreased, and the activated sludge produced a bulking trend. SVI was increased to 149 mg/L and zeta potential, SOUR and removal efficiency of COD decreased to 21.21 mV, 3.37 mg O2/(gMLSS·h) and 34.11%, respectively.

Cu2+; activate sludge; SVI; ESS; Zeta potential

國家自然科學(xué)基金項目(51478093);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130303080SF，20150519020JH);吉林省省校合作技術(shù)開發(fā)項目(吉工信科技2011-507)

張?zhí)m河(1971-),男,博士,教授.主要從事廢水與廢氣生物治理技術(shù)的研究.

X703

A

1001-1625(2016)05-1570-04