Cd(II)對SBR生物除磷系統影響的實驗研究

李 師，王 毅

（1.武漢啟瑞藥業有限公司，湖北武漢430223；2.三川德青科技有限公司，湖北武漢430075）

SBR（序批式活性污泥法）由活性污泥法基礎上發展而來，功能包括均化、初沉、2 沉、生物降解等，具有處理設備少、投資低、構造簡單、污泥不易膨脹、耐沖擊負荷、便于操作和維護管理等優點，在廢水的生物除磷方面得到廣泛應用。重金屬離子在污水中是1類既不能被微生物所降解，也不能被水體自身的自凈作用所清除的污染物，微量重金屬離子可作為微生物生長所需的營養物質和微生物機體及各種酶的組成部分，但濃度過高的重金屬離子反而會造成毒害作用，使微生物中毒甚至死亡，從而影響最后微生物對污水的處理效果［1］。在眾多的重金屬離子中，2 價鎘離子（Cd（II））因其高毒性及其與生物分子的高反應活性，成為降低污水處理效率的重要因素［2］，因此必須引起重視。

1 材料與方法

1.1 模擬生活污水

實驗模擬生活污水采用人工配備，污水主要成分見表1。

表1 污水配置方案

1.2 實驗污泥的馴化培養

實驗用活性污泥取自某污水處理廠曝氣池，為保證活性污泥處于最佳狀態，在實驗前對其進行培養、馴化。實驗采用充氮氣保持厭氧，充氧氣維持好氧。污泥培養時采用厭氧—好氧交替方式進行，以利于聚磷菌繁殖。馴化時每d 換水1 次，保持反應器中溫度在20±1 ℃，pH 值在7.0±0.5。經過1 段時間馴化后，污泥呈黃褐色，沉淀性能良好，TP去除率達到80%以上，至此，污泥馴化成熟。

1.3 Cd(II)溶液

用分析純3CdSO4·8H2O 配置成含一定體積質量濃度的Cd(II)溶液待用。

1.4 實驗裝置

具體實驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置

1.5 實驗設計與方法

1.5.1 SBR 除磷標準時序的確定在SBR 工序的進水、反應、沉淀、出水、閑置5 個階段中，進、出水及閑置時間對除磷效果影響較小，故將反應和沉淀時間作為影響因素，其中反應時間又分為厭氧時間和好氧時間，從而選出厭氧時間、好氧時間和沉淀時間3個因素，制定出3因素3水平正交表，得到9個工況，并測定9個工況中進出水的COD 和總磷濃度，見表2。

表2 正交實驗設計因素及水平

1.5.2 Cd(II)對SBR 系統的影響實驗實驗初始條件（包括活性污泥和人工污水）、操作參數（包括pH值、DO 等)與馴化培養時間相同，但除磷厭氧階段DO 低于0.2 mg/L、好氧階段DO 應保持2～4 mg/L。在基于SBR除磷標準時序下，設定外加Cd2+濃度為0、5、10、20、30、40、50、60 mg/L，并在厭氧段和好氧段設置5 個取水樣時間點：厭氧段取水樣時間為15、30、60、90、120 min，好氧段取水樣時間為1、2、3、4、5 h。測定出水樣混合液DO、MLSS、COD、TP，最后將實驗結果進行計算分析。

2 結果與討論

2.1 SBR生物除磷系統標準時序的確定

為探究SBR 生物除磷系統對Cd(II)脅迫的響應，每個周期進水2.3 L，混合液3.5 L，對9 種工況運行結果進行3因素3水平正交，結果見表3。由表3 可見，根據總磷去除率、COD 去除率得出最優工況為A3B3C3、A2B3C2，此實驗研究Cd(II)對生物除磷的影響，且基于總磷極差（14≤R≤26.2）遠大于基于COD 的極差（1.9≤R≤5.6），因此選取總磷去除率為決定因素，最優工況為厭氧2 h、好氧5 h、沉淀1.5 h，則SBR 除磷標準時序為瞬時進水→厭氧反應2 h→好氧反應5 h→沉淀1.5 h→瞬時出水。

表3 正交實驗結果分析

2.2 Cd(II)對總磷的影響

2.2.1 Cd(II)對總磷去除的影響總磷濃度隨時間變化曲線見圖2。

圖2 總磷濃度隨時間變化

由圖2 可見，0～120 min 時總磷呈上升趨勢；而120～420 min時，總磷呈下降趨勢，驗證了聚磷菌厭氧釋磷好氧吸磷的特性。Cd(II)濃度為0～10 mg/L時，出水的總磷濃度明顯降低，總磷去除率在73%以上；當Cd(II)濃度為20 mg/L 及以上時，厭氧釋磷量、吸磷量明顯變小，出水總磷濃度相比對照組有所升高，且Cd(II)濃度為20、30、40、50、60 mg/L 時，在進水TP 濃度均為4 mg/L 的情況下，最終出水TP濃度分別為1.203、1.352、1.772、1.996、2.104 mg/L，即隨著Cd(II)濃度增大，總磷去除率逐漸降低，除磷效率將顯著下降。

2.2.2 Cd(II)對厭氧段比總磷釋放率的影響厭氧段Cd(II)對比總磷釋放率的影響見圖3。

圖3 厭氧段Cd(II)對比總磷釋放率的影響

由圖3可見，厭氧段比總磷釋放速率總體趨勢是隨時間逐漸降低，且在厭氧反應的最后30 min總磷釋放速率逐漸趨于平穩，說明聚磷菌對磷的釋放逐漸趨于飽和狀態。厭氧段在0～10 mg/L Cd(II)濃度時比總磷釋放速率高于對照組的，而其它濃度的比總磷釋放速率則明顯要低于對照組且隨著Cd(II)濃度的升高比總磷釋放速率逐漸減小，說明含有微量的Cd(II)對聚磷菌厭氧釋磷有一定的促進作用，而當Cd(II)濃度為20 mg/L 及以上時對聚磷菌厭氧釋磷具有抑制作用，且抑制作用隨著Cd(II)濃度的升高而增強。

2.2.3 Cd(II)對好氧段比總磷吸收率的影響好氧段比總磷吸收率隨反應進行呈減少趨勢。好氧段在Cd(II)濃度為0～10 mg/L 時比總磷釋放率高于對照，其它濃度比總磷釋放率則低于對照且隨著濃度升高比總磷釋放率逐漸下降，表明含有微量的Cd(II)對聚磷菌好氧攝磷有促進作用，當Cd(II)濃度為20 mg/L 及以上時對聚磷菌好氧攝磷具有抑制作用，且抑制作用隨著Cd(II)濃度的升高而增強。

2.3 Cd(II)對COD去除的影響

不同Cd(II)濃度下COD 變化趨勢呈隨時間的增長而逐漸減小的十分相似的規律，說明在Cd(II)0～60 mg/L 的脅迫下，COD 在厭氧和好氧條件仍表現為降解作用。

Cd(II)濃度為50、60 mg/L 時，COD 濃度明顯高于對照組和其它實驗組，而Cd(II)濃度低于40 mg/L時COD 濃度低于對照組，說明Cd(II)濃度在0～40 mg/L 對COD 的降解呈促進作用，而Cd(II)濃度在50 mg/L 以上則會對COD 的降解產生抑制，其可能原因為高濃度的重金屬離子會導致微生物活性降低甚至死亡，從而使得活性污泥分解有機物的能力有所降低［3］。與磷的去除相比，COD 的去除對Cd(II)有更高的耐受濃度，這可能是因為COD 主要由一些異養菌去除，而異養菌對重金屬毒性有更顯著的耐受作用［4］。

在Cd(II)濃度為0～40 mg/L 時COD 去除率均在83%以上，而50mg/L 以上COD 去除率則逐漸減少至80%以下，這與上述結論是一致的。隨著Cd(II)濃度升高去除率逐漸減低，而Cd(II)濃度為5 mg/L時，COD去除率達到最大，為90.3%［5］。

3 結束語

通過3 因素3 水平正交實驗表明，SBR 生物除磷系統標準時序為運行周期8.5 h，即瞬時進水→厭氧反應2 h→好氧反應5 h→沉淀1.5 h→瞬時出水。在標準時序下，Cd(II)濃度在10 mg/L 以下時，對SBR 生物除磷系統的厭氧釋磷和好氧攝磷表現為促進作用，而超過20 mg/L 則表現為抑制作用，且Cd(II)濃度越高，其抑制作用越強。Cd(II)濃度在40 mg/L 以下時，對SBR 生物除磷系統COD 去除表現出促進作用，超過50 mg/L則表現出抑制作用。