重金屬元素Cu、Zn累積對污水處理工藝中的污泥活性影響研究

何帥雄

（福建省泉州環境監測中心站，福建 泉州 362000）

引言

目前經濟社會快速發展，在電鍍、金屬加工、電池、造紙、畜禽養殖等行業，重金屬的使用量迅速增長，因而所排放的廢水中也含有大量重金屬元素。這些重金屬對活體細胞有毒害作用，同時能在生物體內積累并通過食物鏈進入人體，造成人體器官病癥[1]。

活性污泥系統在污水處理中被廣泛使用，通過處理系統中活性污泥的微生物新陳代謝作用，將水中的有機物分解為無機物，從而達到凈化水質的目的。重金屬對活性污泥微生物同樣具有毒性效應，導致活性污泥系統的污水處理效率大大降低。目前常見的活性污泥微生物活性評價指標主要有活性污泥耗氧速率、污泥氨氧化速率、脫氫酶活性抑制率等[2]。

1 概述

活性污泥法是目前普遍使用的污水處理技術，其產生的大量剩余污泥一直是污水處理運行的難題[3]，剩余污泥減量工藝中的污泥上清液回流步驟可能會對活性污泥微生物的活性產生影響。目前已有學者針對城市污水處理污泥臭氧化減量處理過程中重金屬物質的溶出規律進行了研究，結果表明：臭氧氧化上清液的回流可能會對生物處理單元造成影響[4]。前期研究表明，城市生活污水和畜禽養殖廢水中的主要重金屬元素為Cu和Zn，其濃度均達到了mg/L的數量級[5]，較高濃度的重金屬元素會對活性污泥微生物的生理生化活性產生影響[6]。

本文選取重金屬元素Cu和Zn作為主要影響研究對象。為了初步確定Cu和Zn對污泥硝化活性的抑制濃度，研究Cu、Zn濃度對污泥氨氧化速率的靜態影響，可以為后續研究活性污泥工藝長期運行中重金屬Cu、Zn的累積抑制作用提供抑制濃度的參考。

2 材料與方法

2.1 反應污泥制備

（1）從運行初期的SBR反應器中分別取出50 mL的泥水混合物，在4 000 rpm下離心5 min，靜置移除上清液，如圖1所示。

圖1 SBR/臭氧污泥減量組合系統裝置圖

（2）向離心管中加入等體積的清水重懸活性污泥，離心去除上清液，如此重復2次，洗去活性污泥中多余的氨氮、硝態氮以及雜質，污泥備用。

2.2 記時取樣

（1）配制濃度約為50 mg/L的NH3-N溶液，以及含有不同濃度重金屬元素Cu、Zn的溶液各約300 mL于燒杯中，其中樣品含有Cu元素的濃度梯度為0、5、10、20、40、60和80 mg/L；樣品含有Zn元素的濃度梯度為0、5、10、20、40、80、100和120 mg/L，共16個溶液樣品；調節曝氣量適中，溫度控制在30 ℃，分別倒入之前已經制備好的污泥進行攪拌，混勻并開始計時取樣，實驗裝置圖如圖2所示。

圖2 靜態實驗裝置圖

（2）在反應第0、30、60、90、135和180 min時分別取樣20 mL污泥混合液，每個時間點的樣品經0.45 μm濾膜過濾，濾液備用。

2.3 計算污泥氨氧化速率（SAOR）

采用比色法測定各取樣時間濾液中的NH3-N，并用水質懸浮物的測定—重量法（GB 11901-1989）測定燒杯中泥水混合物的MLSS。作出反應體系在180 min的反應時間內的NH3-N濃度變化散點圖，并通過線性擬合求出整個體系內污泥對氨氮的硝化反應速率，再根據污泥濃度MLSS進一步確定單位時間內單位質量污泥消耗的氨氮數量，即污泥氨氧化速率（SAOR）。

2.4 確定Cu、Zn對污泥硝化活性的抑制濃度

分別作出不同Cu、Zn濃度下的SAOR變化曲線，根據相應的SAOR降低變化趨勢，確定對污泥硝化活性抑制作用較為明顯的反應體系的Cu元素濃度及Zn元素濃度。

3 實驗分析

如圖3和圖4所示，取靜態實驗反應的第0、30、60、90、135和180 min處的污泥上清液進行NH3-N濃度測定，得到NH3-N—t的散點圖，通過線性擬合可求得整個反應體系的污泥對NH3-N的消耗速率。

圖3 不同Cu濃度下的擬合NH3-N消耗速率

圖4 不同Zn濃度下的擬合NH3-N消耗速率

如圖5和圖6所示，通過測定靜態實驗的污泥濃度，進一步測出單位質量的污泥對NH3-N的消耗速率，即污泥的氨氧化速率（SAOR），從而得到不同Cu、Zn濃度下的SAOR變化曲線。

圖5 不同Cu濃度下的SAOR變化曲線

圖6 不同Zn濃度下的SAOR變化曲線

從SAOR-Cu2+曲線可以看出：在Cu2+投加濃度為0～40 mg/L的條件下，隨著Cu2+投加濃度增加，活性污泥的氨氧化速率從4.8 mg的NH3-N/（gSS·h）逐步減少至1.8 mg的NH3-N/（gSS·h）。在Cu2+投加濃度為40～80 mg/L的條件下，污泥的氨氧化速率變化趨于平緩，基本保持在2 mg的NH3-N/（gSS·h）左右。從Cu2+對污泥硝化活性的抑制情況來看，Cu2+的臨界抑制濃度在40 mg/L左右。

從SAOR-Zn2+曲線可以看出：在Zn2+投加濃度為0～40 mg/L的條件下，隨著Zn2+投加濃度的增加，活性污泥的氨氧化速率從5.6 mg的NH3-N/（gSS·h）減少至2.1 mg的NH3-N/（gSS·h）。在Zn2+投加濃度為40～100 mg/L的條件下，污泥的氨氧化速率變化趨于平緩，基本保持在2.3 mg的NH3-N/（gSS·h）左右，Zn2+投加濃度增至120 mg/L時，污泥的氨氧化速率降至1.2 mg的NH3-N/（gSS·h）。從Zn2+對污泥硝化活性的抑制情況來看，Zn2+的臨界抑制濃度也在40 mg/L左右。

4 結果與討論

從重金屬元素Cu、Zn對污泥硝化活性的影響實驗結果可以看出，當Cu2+、Zn2+投加濃度均分別達到40 mg/L時，Cu2+、Zn2+對污泥硝化活性的抑制作用較為明顯；繼續增加Cu2+、Zn2+的投加濃度至80 mg/L時，Cu2+、Zn2+對活性污泥的硝化活性的抑制作用變化不大，而Zn2+的投加濃度增加至100 mg/L時，Zn2+將進一步降低污泥的硝化活性。

重金屬元素Cu和Zn的臨界抑制濃度均為40 mg/L；在高濃度的Cu2+、Zn2+條件下，污泥的氨氧化速率受到明顯影響，但是高濃度的Cu2+、Zn2+并沒有完全抑制污泥的硝化活性，這為重金屬Cu、Zn的累積抑制作用提供了有效的抑制濃度。所以在高濃度重金屬環境下實現污泥馴化具有一定的可能性，有助于保持活性污泥工藝的長期穩定運行。