淺談重金屬對污水處理中活性污泥影響

史旭東

淺談重金屬對污水處理中活性污泥影響

史旭東

綜述了污水處理中重金屬對生物反應動力學常數,活性污泥微生物群落結構及污水生物處理效率的影響,進而研究了重金屬對生物脫氮除磷的毒性效應,對提高污水處理效果具有重要的現實意義。

活性污泥,脫氮除磷,重金屬污染

水是生命的搖籃,工業的血液,農業的命脈,是人類最重要的自然資源之一,是人類生態環境的組成部分。目前全球 60%的國家和地區淡水不足,40多個國家缺水,65%的水域已經受到污染。預計到 2025年,全球將有 2/3的人口面臨嚴重缺水的局面[1]。

目前,我國的江河、湖泊及部分近海海域普遍受到不同程度的污染,總體上呈加重的趨勢。2008年,全國廢水排放總量為 572.0億t,比上年增加2.7%;化學需氧量排放量為1 320.7萬t,比上年下降4.4%;氨氮排放量為127.0萬t,比上年下降4.0%[2]。

近年來,我國政府、各級地方政府及有關部門對城市污水處理治理十分重視,同時加大了對污水治理的資金投入和治理力度,使我國在污水處理廠的建設方面取得了巨大發展。但隨著全球經濟的迅速發展,重金屬通過礦山開采、金屬冶煉加工、化工廢水的排放、農藥化肥的濫用,生活垃圾的棄置等人為污染及地質侵蝕、風化等形式進入水中,而重金屬污染又具有易被生物富集、有生物放大效應、毒性大等特點,因此水中的重金屬不僅污染了水環境,也嚴重危害了人類及各類生物的生存。目前淡水資源日益枯竭,而人類對淡水的需求量卻在日益增加,未加處理的大量廢水污染了水環境,嚴重影響了水生生態結構和水資源的有效利用。大量未經處理的重金屬廢水排放到環境當中,對生態環境危害極大。

采用活性污泥法處理城市污水,微量重金屬是微生物生長所需的營養物質,是微生物機體及其各種酶的組成部分。但微生物對各種微量重金屬的需求量極少,重金屬濃度過高反而會引起毒害作用,使微生物中毒甚至死亡,最終影響生物污水處理效果。重金屬污水是一種對生態環境危害極大且難以治理的工業污水,其難以治理是因為重金屬在水體中不能被微生物降解,也難以被水體自凈作用消除,只能發生形體間的相互轉化及分散和富集過程,從而使得危害加劇。重金屬對微生物的影響途徑主要有抑制微生物的呼吸作用、與酶的活性或非活性中心結合而使其失去活性、損害微生物的線粒體功能、抑制細胞色素的合成和導致細胞內麥角固醇含量的減少等,從而影響底物的轉化,影響處理工藝效果。其影響也隨重金屬的種類、形態、濃度的不同而產生不同程度的影響。重金屬對微生物的毒害作用可導致處理系統微生物種群結構發生改變,影響污水處理效果。

1 對生物反應動力學常數的影響

污水生物處理中,有機物、氮、磷等營養物質被微生物分解利用,最終表現為微生物的增長和繁殖。活性污泥反應動力學方程——Monod方程是描述微生物比增殖速率(有機底物比降解速率)與有機底物濃度之間的函數關系。

在重金屬離子存在的情況下,飽和常數 Ks和最大比增殖速率μmax都會有所降低或升高。如當Cr6+的濃度為11mg/L時,會使最大比增殖速率 μmax降低,飽和常數 Ks升高。田建民等人指出：重金屬鎘對大腸桿菌生長繁殖速率的影響與鎘離子的質量濃度有關,不同的鎘鹽對大腸桿菌生長繁殖速率產生不同的影響,大腸桿菌對重金屬鎘有較強的吸附性和積累性,鎘在大腸桿菌細胞內的積累受鎘離子在水溶液中的質量濃度及其他相應的陰離子和環境溫度的影響[3,4]。李曦等人[5]指出大腸桿菌受到重金屬鎘抑制后,傳代時間延長,生長產熱曲線上的停滯期延長,生長峰后移,生長期的最大發熱功率減小,且隨鎘化合物濃度的增大,變化更加明顯。T.Y.Pai等人[6]在研究重金屬對活性污泥微生物生長速率常數和代謝速率常數的影響時得出：低濃度情況下,重金屬對好氧速率不但沒有抑制作用,反而有一定的促進作用,隨著濃度的升高,便對微生物產生顯著的抑制作用。

2 對活性污泥微生物群落結構的影響

微生物群落(包括細菌、真菌、原生動物、后生動物和輪蟲等)在有機物凈化過程中扮演重要角色。同時,微生物群落結構的變化亦是污水處理廠中有效的生物指標。各種重金屬通過對不同種群微生物所產生毒性效應的不同,改變污泥微生物群落結構以及種群的變化,影響污水生物處理效率。有關研究表明,不少對重金屬的生物吸附機理研究一般認為重金屬的吸附去除主要由以下步驟完成：重金屬離子→吸附劑固液邊界層→吸附劑表面→吸附劑微孔→與活性位點結合從而被去除。如果吸附劑是活菌體,重金屬還會進入菌體細胞內進行胞內生物富集[7]。

3 對污水生物處理效率的影響

重金屬的毒性影響最終會導致污水處理效率的降低[9,10]。Robert等人[8]研究發現在厭氧消化過程中重金屬將影響甲烷的產生和一氧化碳的濃度水平。王勤等人研究發現,重金屬對生物脫氮系統的毒性與其離子濃度與種類有關。較低濃度時有促進作用,較高時有抑制作用。在生物脫氮系統中應控制重金屬銅、鋅、鉻、鎘濃度分別不超過0.5mg/L,30mg/L,0.5mg/L,5mg/L,它們對生物脫氮的毒性大小為Cu2+＞Cr6+＞Cd2+＞Zn2+。污水中Cu2+＞0.5mg/L,Zn2+＞30mg/L,Cd2+＞30mg/L時,COD降解率明顯下降,反之影響不大。秦海霞通過研究重金屬對除磷能力影響得出,當污水中重金屬在低濃度下有促進作用,高濃度時有抑制作用。不同種類重金屬離子的影響程度不一樣,但其濃度越高,對生物除磷能力抑制影響越大,這一趨勢是一致的[11]。張恩棟等人[12]指出低濃度 Cu2+作為微量元素,促進藻細胞生長;高濃度Cu2+引起藻細胞傷害,光合活性減弱,POD活性下降,正磷酸鹽的凈化效率減小。

過量的重金屬排入污水處理廠,不像有機物一樣易分解,而是長期殘存于污水中,也能以物理、化學和生物作用的形式與污泥結合。微生物首先會通過其細胞結構及其代謝產物如胞外聚合物將重金屬固定,其中已經確定的三種吸附重金屬的機制有質子交換、離子交換和沉淀作用。而后再依靠能量及代謝系統調控通過運輸進入胞內。重金屬被吸入生物體內,往往生成金屬鉻合物或金屬鰲合物。因為氨基酸、膚蛋白質、核酸及脂肪酸等生物成分都有金屬結合的基團,故金屬能和這些生物成分結合。與重金屬反應的生物成分中,蛋白質(氨基酸)和核酸是特別重要的成分。金屬離子既可取代生物大分子活性點位上原有的金屬,也可結合該分子的其他位置。當有毒重金屬離子與生物大分子活性點位或非活性點位結合后,可以改變生物大分子正常的生理和代謝功能,使生物體表現為中毒現象甚至死亡。

過去生物處理主要針對城市生活污水,但近年的研究發現生活污水能彌補工業廢水營養物質不足的缺陷,兩者的集中合并處理不但能節省基建投資、能源及運行管理費用,且會取得更好的處理效果。但由于工業廢水中多含有大量重金屬,所以城市污水和工業廢水合并處理時,存在一個重金屬危害問題。由于工業廢水與城市廢水合并處理,會使污水中重金屬含量偏高,含較多重金屬的污水能否進行生物脫氮除磷,重金屬對聚磷菌、硝化細菌以及反硝化細菌的作用如何,國內外未見詳細報道,現有的生物脫氮除磷模型也沒有考慮重金屬的影響。因此開創性的研究重金屬對生物脫氮除磷的毒性效應,將具有很重要的現實意義。

[1] 馬占青.水污染控制與廢水生物處理[M].北京：中國水利水電出版社,2003：1-3.

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[4] 李洪亮,陳玉成.污水生物處理中重金屬的毒理學研究進展[J].微量元素與健康研究,2006,23(1)：49-52.

[5] 李 曦,丁 玲,靳艷巧.鎘對大腸桿菌生長代謝作用的微量熱研究[J].武漢理工大學學報,2005,27(1)：19-21.

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[11] 秦海霞.重金屬對生物除磷影響的研究[D].長沙：湖南大學碩士論文,2007.

[12] 張恩棟,王 冰,楊寶靈,等.Cu2+對固定化小球藻深度除磷及其生理指標的影響[J].廣東化工,2006,33(159)：87-89.

Talking on the impacts of heavy mental on the activated sludge in sewage treatment

SH I Xu-dong

This paper overviews the impacts of heavymental on the biological response kinetics constant,activated sludgemicrobial community structure,biological treatment efficiency in sewage treatment,further studies toxic effects of heavymentalon nitrogen and phosphorus removal, which has significantmeaning for improving sewage treatmenteffect.

activated sludge,nitrogen and phosphorus removal,heavymental pollution

X703

A

1009-6825(2011)09-0122-03

2010-12-05

史旭東(1972-),男,高級工程師,山西省城鄉規劃設計研究院,山西太原 030001