鋁鹽混凝劑的投加對(duì)活性污泥微生物活性的影響

王 森，張 丹，王學(xué)川，姜紅林，王建華

（1.陜西科技大學(xué)，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021；2.浙江永泰紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司，浙江富陽(yáng)311421）

鋁鹽混凝劑的投加對(duì)活性污泥微生物活性的影響

王 森1，張 丹1，王學(xué)川1，姜紅林1，王建華2

（1.陜西科技大學(xué)，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021；2.浙江永泰紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司，浙江富陽(yáng)311421）

通過(guò)投加PAC對(duì)馴化污泥的破壞性試驗(yàn)，研究了各濃度PAC對(duì)TTC-ETS、SOUR、AUR及COD去除率、TP去除率、氨氮去除率的影響，并測(cè)定水中殘留的鋁離子。結(jié)果表明，PAC投加量在0～60 mg/L時(shí)，對(duì)TTC-ETS和SOUR均有一定促進(jìn)作用，COD及TP去除率達(dá)到或接近最大值。但隨著PAC的增加，對(duì)TTC-ETS和SOUR呈現(xiàn)一定抑制作用，COD、TP的去除率也隨之下降。不論P(yáng)AC濃度高低，都會(huì)對(duì)AUR和氨氮的去除率產(chǎn)生一定的抑制。鋁離子在水中的殘留量會(huì)隨著PAC投加量的增加而升高，但90%以上會(huì)被轉(zhuǎn)移到污泥中排出。

聚合氯化鋁；混凝劑；微生物活性；鋁離子殘留

活性污泥法是目前應(yīng)用最廣泛的廢水處理方法。活性污泥性能的好壞對(duì)處理效果非常關(guān)鍵，而活性污泥微生物的活性決定對(duì)廢水的處理效果?；炷ㄗ鳛閺U水生物處理的常用預(yù)處理方法之一，主要起到2個(gè)作用：（1）投加混凝劑到活性污泥系統(tǒng)前的初沉池，主要起化學(xué)絮凝去除無(wú)機(jī)懸浮物和膠體粒子的作用；（2）投加混凝劑到活性污泥系統(tǒng)中，起到化學(xué)強(qiáng)化混凝生物氧化去除污染物的作用。

鋁鹽混凝劑是目前廣泛應(yīng)用的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)混凝劑，而聚合氯化鋁（PAC）又是使用最廣泛的鋁鹽混凝劑〔1〕。與其他混凝劑相比，PAC具有應(yīng)用范圍廣、沉淀性能好、pH適用范圍較寬、水溫低時(shí)仍可保持穩(wěn)定的混凝效果、對(duì)處理設(shè)備腐蝕較小的優(yōu)點(diǎn)。PAC混凝劑的投加點(diǎn)一般是一沉池或好氧生物曝氣池，有時(shí)由于泥水分離的問(wèn)題還會(huì)投加到二沉池。但無(wú)論在哪個(gè)位置投加，PAC都會(huì)產(chǎn)生一定濃度的Al3+，當(dāng)污水處理反應(yīng)器中殘留的Al3+濃度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)活性污泥中的微生物活性造成不良影響，從而直接影響水處理效果及水處理工藝的運(yùn)行〔2〕。近幾年，國(guó)內(nèi)外許多研究者已就一些特殊重金屬離子對(duì)微生物活性的影響作了部分研究，但具體到某種混凝劑的添加及殘留對(duì)活性污泥活性的影響研究較少〔3〕。因此，筆者探討了PAC混凝劑的投加量及鋁離子在污水生物處理系統(tǒng)中的累積濃度，考察其濃度對(duì)活性污泥微生物活性起到何種作用，對(duì)提高污水好氧生物處理效率有一定意義和價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水樣來(lái)源與特性

實(shí)驗(yàn)廢水取自陜西某造紙廠初沉池混凝出水（混凝劑為PAC）。該造紙廠主要以麥草化學(xué)漿混商品木漿配抄生產(chǎn)生活用紙。廢水取回保存?zhèn)溆?，其水質(zhì)情況如表1所示，水中所含主要金屬離子種類(lèi)及含量見(jiàn)表2。

表1 廢水水質(zhì)

表2 廢水中主要金屬離子的種類(lèi)及含量

從表2可以看出，該造紙廢水的金屬成分比較復(fù)雜，共測(cè)出18種元素，其中8種元素（加*號(hào)）被列入我國(guó)和美國(guó)EPA頒布的優(yōu)先污染物黑名單〔4-5〕。在這些檢出元素中鋁含量最高，達(dá)到5.1 mg/L左右，這主要與初沉池中加入的PAC殘留有關(guān)。

1.2 主要藥品及儀器

藥品：PAC（Al2O3含量30%）、2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）、三（羥甲基）氨基甲烷、甲醛、丙酮、無(wú)水硫酸鈉等。

儀器：721G-100可見(jiàn)光分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；5B-6C型COD快速測(cè)定儀，蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰?；JPB-608溶氧儀，上海雷磁儀器有限公司；715-15電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，美國(guó)Varian公司；SHA-C恒溫水浴振蕩器，江蘇金壇環(huán)宇科學(xué)儀器廠。

1.3 接種污泥的來(lái)源與馴化

所用活性污泥取自西安第五污水處理廠和陜西某造紙廠生化池剩余污泥，采用人工配制污水混合造紙廢水進(jìn)行馴化培養(yǎng)。完成后用顯微鏡觀察，活性污泥中主要微生物為累枝蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

采用間歇式反應(yīng)裝置，為2 L帶有攪拌器的反應(yīng)瓶，將曝氣頭通入反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，保證好氧生物處理廢水時(shí)微生物所需的溶解氧濃度。

1.5 分析測(cè)試方法

（1）COD、DO、氨氮和鋁離子的測(cè)定。COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定（GB 11893—1989），DO采用溶解氧儀測(cè)定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定（GB 11893—1989），氨氮采用720A酸度計(jì)/離子計(jì)在線檢測(cè)，鋁離子采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定（ICP-AES）〔6〕。

（2）TTC-脫氫酶活性（TTC-ETS）、比耗氧速率（SOUR）和氨攝取速率（AUR）的測(cè)定。脫氫酶能促進(jìn)有機(jī)物脫氫，起到氫的中間傳遞作用，它的活性可反映微生物進(jìn)行各種生物化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力和強(qiáng)度，對(duì)污水的處理效率有重要影響〔7〕。SOUR是污水處理中評(píng)價(jià)活性污泥穩(wěn)定的定量指標(biāo)，指單位質(zhì)量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量，采用溶解氧電極法測(cè)定。AUR是表征硝化細(xì)菌活性與硝化效果的最優(yōu)指標(biāo)，采用氨電極在線測(cè)定氨氮濃度。以上3個(gè)指標(biāo)的具體測(cè)定方法可參考榮宏偉等〔8〕的研究。

1.6 實(shí)驗(yàn)方法

使用6個(gè)間歇運(yùn)行的反應(yīng)瓶，從已馴化好的活性污泥池中取等量污泥，用造紙廢水將污泥稀釋至3 000 mg/L左右，然后在每個(gè)反應(yīng)瓶中分別加入0、30、60、90、120、150、180 mg/L不同質(zhì)量濃度的PAC，開(kāi)始曝氣和攪拌，曝氣量控制在0.5 L/min。連續(xù)運(yùn)行24 h，靜置30 min后，測(cè)定反應(yīng)瓶中污泥的TTCETS、DO、SOUR、AUR和處理后出水的COD、TP、氨氮濃度，并計(jì)算去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)TTC-脫氫酶活性影響

考察了PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)TTC-脫氫酶活性的影響，如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)PAC在0～60 mg/L時(shí)，TTC-ETS活性從38.4 mgTF/（gTSS·h）提高到61.2 mgTF/（gTSS·h），PAC對(duì)微生物活性不但沒(méi)有抑制，反而起到一定促進(jìn)作用，TTC-ETS活性提高了59.4%；當(dāng)PAC繼續(xù)升高時(shí)，開(kāi)始對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑制作用，且隨著PAC增大呈明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)PAC達(dá)到180 mg/L時(shí)，TTC-ETS活性值僅為28.6 mgTF/（gTSS·h），比初始值還要低很多，其微生物活

圖1 PAC投加質(zhì)量濃度與TTC-脫氫酶活性的關(guān)系

性大大降低。在微生物細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，鋁可使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生變化，因此鋁一旦進(jìn)入微生物細(xì)胞，就可與某些蛋白質(zhì)結(jié)合發(fā)生相互影響和作用，從而干擾微生物體內(nèi)的多種生理化學(xué)反應(yīng)，影響微生物的物質(zhì)代謝，導(dǎo)致其部分功能障礙，微生物活性也隨之降低〔9〕，影響廢水處理效率。

2.2 PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)SOUR的影響

考察了PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)活性污泥SOUR的影響，如圖2所示，其對(duì)活性污泥系統(tǒng)DO的影響如圖3所示。

圖2 PAC投加質(zhì)量濃度與活性污泥SOUR的關(guān)系

圖3 PAC投加質(zhì)量濃度與活性污泥系統(tǒng)DO的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)PAC在0～60 mg/L時(shí)，微生物的SOUR從30.7 mgO2/（gTSS·h）上升至43.8 mgO2/（gTSS·h），達(dá)到最大值。但之后隨著PAC的升高，對(duì)活性污泥微生物產(chǎn)生非常顯著的抑制作用。這與B.Coyle等〔10〕的觀點(diǎn)是一致的，在重金屬離子抑制情況下，細(xì)胞攝取大量氧氣比自身呼吸作用更有可能抵制外界毒性的沖擊。根據(jù)鋁的毒性作用機(jī)理，鋁對(duì)微生物也必然產(chǎn)生毒性。

由圖3可以看出，投加PAC會(huì)導(dǎo)致廢水中的DO下降，當(dāng)PAC增加到60 mg/L時(shí)，DO降到最低，為2.6 mg/L，這說(shuō)明投加PAC較少時(shí)，它對(duì)活性污泥活性起到一定促進(jìn)作用，活性污泥微生物呼吸速率加快，DO下降比較明顯。之后隨著PAC的增加DO略有上升，這可能是因?yàn)镻AC對(duì)活性污泥微生物起到抑制作用，反而減少了DO的消耗。

2.3 PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)活性污泥AUR的影響

不同PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)活性污泥AUR的影響如圖4所示。

圖4 PAC投加質(zhì)量濃度與活性污泥AUR的關(guān)系

由圖4可以看出，隨著PAC的增加，其對(duì)微生物硝化細(xì)菌AUR已經(jīng)有一定的抑制作用，當(dāng)其投加質(zhì)量濃度超過(guò)60 mg/L后，活性污泥微生物的AUR都呈近似直線下降的趨勢(shì)，下降速度很快；PAC達(dá)到180 mg/L時(shí)，AUR已經(jīng)降到初始值的20%以下。PAC的添加對(duì)硝化過(guò)程有很明顯的抑制作用，對(duì)微生物硝化細(xì)菌活性的影響非常明顯，活性污泥微生物的AUR可以準(zhǔn)確地表征其毒性效應(yīng)。

2.4 PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)廢水處理效果的影響

當(dāng)進(jìn)水COD為1 302 mg/L、TP為5.6 mg/L、氨氮為31.2 mg/L時(shí)，PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)廢水處理效果的影響見(jiàn)圖5。

圖5 PAC投加質(zhì)量濃度對(duì)廢水處理效果的影響

由圖5可以看出，PAC在0～60 mg/L時(shí)，系統(tǒng)COD去除率逐漸上升，但幅度不大，最高去除率為90.5%，出水COD為123.7 mg/L，之后隨著PAC的增加去除率迅速下降，最低為65.3%，這與微生物TTC-ETS活性隨PAC投加濃度的變化結(jié)果是一致的。這是因?yàn)槲⑸镌谝欢舛鹊闹亟饘僮饔孟聲?huì)產(chǎn)生抗性，且產(chǎn)生抗性微生物的過(guò)程有第一延滯期、第一生長(zhǎng)期，或有第二延滯期、第二生長(zhǎng)期〔11〕。氨氮去除率隨PAC的增加呈直線下降，當(dāng)PAC增至180 mg/L時(shí)，氨氮去除率降至最低值45.6%，這與AUR活性曲線極為相似，說(shuō)明與異養(yǎng)菌相比，硝化細(xì)菌對(duì)PAC的毒性和抑制作用更為敏感。當(dāng)PAC為0～90 mg/L時(shí)，TP去除率逐漸達(dá)到最大值為95.6%，出水TP為0.25 mg/L，之后TP去除率隨PAC的增加迅速下降，最低為70.1%。這是因?yàn)橄到y(tǒng)未投加PAC時(shí)，廢水中的磷主要依靠聚磷菌微生物氧化降解去除，投加PAC后，磷酸根會(huì)進(jìn)而同時(shí)與水中的Al3+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，磷的去除率提高。

2.5 Al3+在液相中的殘留情況

鋁鹽混凝劑使用過(guò)程中的潛在危害是對(duì)生物體產(chǎn)生影響，因此必須嚴(yán)格控制水中鋁的殘留量。向?qū)嶒?yàn)裝置中投加不同質(zhì)量的PAC，連續(xù)運(yùn)行24 h后停止運(yùn)行，沉淀30 min后取上清液檢測(cè)Al3+濃度，結(jié)果如表3所示。

表3 Al3+殘留量隨PAC投加質(zhì)量濃度的變化情況

由表3可知，Al3+在水中的殘留量會(huì)隨PAC投加量的增加而增大，但當(dāng)PAC＞120 mg/L后，Al3+的殘留量增加速率變大。這主要是因?yàn)镻AC投加質(zhì)量濃度較低時(shí)，活性污泥的吸附能力較強(qiáng)，廢水中殘留Al3+很少，但投加過(guò)量勢(shì)必會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生不良影響，一定程度上會(huì)影響活性污泥的吸附能力，出現(xiàn)一定的吸附飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致廢水中的Al3+殘留量增多，其對(duì)活性污泥的抑制作用大幅增加。根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PAC投加質(zhì)量濃度在30 mg/L以下時(shí)，使用PAC作為混凝劑出水殘留的鋁很低，一般不會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制和毒性作用，且近90%以上的鋁離子都會(huì)被轉(zhuǎn)移到污泥中排出。

3 結(jié)論

（1）TTC-ETS和SOUR都可以靈敏地表征鋁離子對(duì)微生物的毒害作用，可及時(shí)反映活性污泥微生物在添加鋁鹽混凝劑環(huán)境中的活性，但SOUR活性比TTC-ETS活性更能準(zhǔn)確地表征好氧異養(yǎng)菌的抑制情況。在鋁離子毒害作用下，AUR是表征硝化細(xì)菌活性與硝化效果的最優(yōu)指標(biāo)。（2）當(dāng)投加質(zhì)量濃度在0～60 mg/L時(shí)，PAC對(duì)活性污泥微生物TTC-ETS和SOUR均有一定促進(jìn)作用，廢水COD去除率達(dá)到最大值90.5%，出水COD為123.7 mg/L。TP去除率也在PAC為90 mg/L時(shí)達(dá)到最大值95.6%，出水TP僅為0.25 mg/L。當(dāng)投加質(zhì)量濃度超過(guò)60 mg/L時(shí)，PAC對(duì)活性污泥微生物TTC-ETS和SOUR均有一定的限制和毒害作用，廢水的處理效果也會(huì)受到不良影響。（3）不論投加低濃度還是高濃度的PAC，都會(huì)對(duì)AUR產(chǎn)生一定抑制作用，從而對(duì)氨氮的去除產(chǎn)生不良影響。（4）鋁離子在水中的殘留量會(huì)隨PAC投加量的增多而加大，但近90%以上還是被轉(zhuǎn)移到污泥中排出。

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Influence of the addition of aluminum coagulant on the microbial activity of activated sludge

Wang Sen1，Zhang Dan1，Wang Xuechuan1，Jiang Honglin1，Wang Jianhua2
（1.Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology and Special Paper Development，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China；2.Zhejiang Yongtai Paper Group Co.，Ltd.，F(xiàn)uyang 311421，China）

By adding PAC for testing the destructiveness of acclimated sludge，the influences of PAC with different concentrations on TTC-ETS，SOUR，AUR，and the removing rates of COD，TP and NH4+-N are investigated，and the residual aluminum ions in water determined.The results show that when PAC dosage is 0-60 mg/L，it has certain promoter effect on both TTC-ETS and SOUR，and the removing rates of COD and TP can reach or close to maximum values.However，with the increase of PAC，certain inhibitory effect occurs to TTC-ETS and SOUR，and the removing rates of COD and TP are decreased.No matter how high or how low the PAC is，it has inhibitory effect on the removing rates of AUR and ammonia nitrogen.The residual amount of aluminum ions in water can be increased with the increase of PAC dosage，but more than 90%of it can be transferred to the sludge and discharged.

poly aluminum chloride；coagulant；microbial activity；residue of aluminum ions

X703

A

1005-829X（2016）12-0043-04

王森（1979—），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：wangsen@sust.edu.cn。

2016-10-26（修改稿）

陜西省協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2015XT-14）；咸陽(yáng)市科技研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015k02-14），陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（16JS015）；陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BJ14-09）；華南理工大學(xué)制漿造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（201455）