淺談重金屬對(duì)污水處理中活性污泥影響

史旭東

淺談重金屬對(duì)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(duì)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù),活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)及污水生物處理效率的影響,進(jìn)而研究了重金屬對(duì)生物脫氮除磷的毒性效應(yīng),對(duì)提高污水處理效果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

活性污泥,脫氮除磷,重金屬污染

水是生命的搖籃,工業(yè)的血液,農(nóng)業(yè)的命脈,是人類(lèi)最重要的自然資源之一,是人類(lèi)生態(tài)環(huán)境的組成部分。目前全球 60%的國(guó)家和地區(qū)淡水不足,40多個(gè)國(guó)家缺水,65%的水域已經(jīng)受到污染。預(yù)計(jì)到 2025年,全球?qū)⒂?2/3的人口面臨嚴(yán)重缺水的局面[1]。

目前,我國(guó)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(shì)。2008年,全國(guó)廢水排放總量為 572.0億t,比上年增加2.7%;化學(xué)需氧量排放量為1 320.7萬(wàn)t,比上年下降4.4%;氨氮排放量為127.0萬(wàn)t,比上年下降4.0%[2]。

近年來(lái),我國(guó)政府、各級(jí)地方政府及有關(guān)部門(mén)對(duì)城市污水處理治理十分重視,同時(shí)加大了對(duì)污水治理的資金投入和治理力度,使我國(guó)在污水處理廠的建設(shè)方面取得了巨大發(fā)展。但隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,重金屬通過(guò)礦山開(kāi)采、金屬冶煉加工、化工廢水的排放、農(nóng)藥化肥的濫用,生活垃圾的棄置等人為污染及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化等形式進(jìn)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(yīng)、毒性大等特點(diǎn),因此水中的重金屬不僅污染了水環(huán)境,也嚴(yán)重危害了人類(lèi)及各類(lèi)生物的生存。目前淡水資源日益枯竭,而人類(lèi)對(duì)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(huán)境,嚴(yán)重影響了水生生態(tài)結(jié)構(gòu)和水資源的有效利用。大量未經(jīng)處理的重金屬?gòu)U水排放到環(huán)境當(dāng)中,對(duì)生態(tài)環(huán)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(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是微生物機(jī)體及其各種酶的組成部分。但微生物對(duì)各種微量重金屬的需求量極少,重金屬濃度過(guò)高反而會(huì)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(duì)生態(tài)環(huán)境危害極大且難以治理的工業(yè)污水,其難以治理是因?yàn)橹亟饘僭谒w中不能被微生物降解,也難以被水體自?xún)糇饔孟?只能發(fā)生形體間的相互轉(zhuǎn)化及分散和富集過(guò)程,從而使得危害加劇。重金屬對(duì)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(jié)合而使其失去活性、損害微生物的線粒體功能、抑制細(xì)胞色素的合成和導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)麥角固醇含量的減少等,從而影響底物的轉(zhuǎn)化,影響處理工藝效果。其影響也隨重金屬的種類(lèi)、形態(tài)、濃度的不同而產(chǎn)生不同程度的影響。重金屬對(duì)微生物的毒害作用可導(dǎo)致處理系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,影響污水處理效果。

1 對(duì)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)的影響

污水生物處理中,有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微生物分解利用,最終表現(xiàn)為微生物的增長(zhǎng)和繁殖?；钚晕勰喾磻?yīng)動(dòng)力學(xué)方程——Monod方程是描述微生物比增殖速率(有機(jī)底物比降解速率)與有機(jī)底物濃度之間的函數(shù)關(guān)系。

在重金屬離子存在的情況下,飽和常數(shù) Ks和最大比增殖速率μmax都會(huì)有所降低或升高。如當(dāng)Cr6+的濃度為11mg/L時(shí),會(huì)使最大比增殖速率 μmax降低,飽和常數(shù) Ks升高。田建民等人指出：重金屬鎘對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)繁殖速率的影響與鎘離子的質(zhì)量濃度有關(guān),不同的鎘鹽對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)繁殖速率產(chǎn)生不同的影響,大腸桿菌對(duì)重金屬鎘有較強(qiáng)的吸附性和積累性,鎘在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的積累受鎘離子在水溶液中的質(zhì)量濃度及其他相應(yīng)的陰離子和環(huán)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(shí)間延長(zhǎng),生長(zhǎng)產(chǎn)熱曲線上的停滯期延長(zhǎng),生長(zhǎng)峰后移,生長(zhǎng)期的最大發(fā)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(duì)活性污泥微生物生長(zhǎng)速率常數(shù)和代謝速率常數(shù)的影響時(shí)得出：低濃度情況下,重金屬對(duì)好氧速率不但沒(méi)有抑制作用,反而有一定的促進(jìn)作用,隨著濃度的升高,便對(duì)微生物產(chǎn)生顯著的抑制作用。

2 對(duì)活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

微生物群落(包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物和輪蟲(chóng)等)在有機(jī)物凈化過(guò)程中扮演重要角色。同時(shí),微生物群落結(jié)構(gòu)的變化亦是污水處理廠中有效的生物指標(biāo)。各種重金屬通過(guò)對(duì)不同種群微生物所產(chǎn)生毒性效應(yīng)的不同,改變污泥微生物群落結(jié)構(gòu)以及種群的變化,影響污水生物處理效率。有關(guān)研究表明,不少對(duì)重金屬的生物吸附機(jī)理研究一般認(rèn)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(diǎn)結(jié)合從而被去除。如果吸附劑是活菌體,重金屬還會(huì)進(jìn)入菌體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行胞內(nèi)生物富集[7]。

3 對(duì)污水生物處理效率的影響

重金屬的毒性影響最終會(huì)導(dǎo)致污水處理效率的降低[9,10]。Robert等人[8]研究發(fā)現(xiàn)在厭氧消化過(guò)程中重金屬將影響甲烷的產(chǎn)生和一氧化碳的濃度水平。王勤等人研究發(fā)現(xiàn),重金屬對(duì)生物脫氮系統(tǒng)的毒性與其離子濃度與種類(lèi)有關(guān)。較低濃度時(shí)有促進(jìn)作用,較高時(shí)有抑制作用。在生物脫氮系統(tǒng)中應(yīng)控制重金屬銅、鋅、鉻、鎘濃度分別不超過(guò)0.5mg/L,30mg/L,0.5mg/L,5mg/L,它們對(duì)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(shí),COD降解率明顯下降,反之影響不大。秦海霞通過(guò)研究重金屬對(duì)除磷能力影響得出,當(dāng)污水中重金屬在低濃度下有促進(jìn)作用,高濃度時(shí)有抑制作用。不同種類(lèi)重金屬離子的影響程度不一樣,但其濃度越高,對(duì)生物除磷能力抑制影響越大,這一趨勢(shì)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(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng);高濃度Cu2+引起藻細(xì)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(guò)量的重金屬排入污水處理廠,不像有機(jī)物一樣易分解,而是長(zhǎng)期殘存于污水中,也能以物理、化學(xué)和生物作用的形式與污泥結(jié)合。微生物首先會(huì)通過(guò)其細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其代謝產(chǎn)物如胞外聚合物將重金屬固定,其中已經(jīng)確定的三種吸附重金屬的機(jī)制有質(zhì)子交換、離子交換和沉淀作用。而后再依靠能量及代謝系統(tǒng)調(diào)控通過(guò)運(yùn)輸進(jìn)入胞內(nèi)。重金屬被吸入生物體內(nèi),往往生成金屬鉻合物或金屬鰲合物。因?yàn)榘被?、膚蛋白質(zhì)、核酸及脂肪酸等生物成分都有金屬結(jié)合的基團(tuán),故金屬能和這些生物成分結(jié)合。與重金屬反應(yīng)的生物成分中,蛋白質(zhì)(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(diǎn)位上原有的金屬,也可結(jié)合該分子的其他位置。當(dāng)有毒重金屬離子與生物大分子活性點(diǎn)位或非活性點(diǎn)位結(jié)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(xiàn)為中毒現(xiàn)象甚至死亡。

過(guò)去生物處理主要針對(duì)城市生活污水,但近年的研究發(fā)現(xiàn)生活污水能彌補(bǔ)工業(yè)廢水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足的缺陷,兩者的集中合并處理不但能節(jié)省基建投資、能源及運(yùn)行管理費(fèi)用,且會(huì)取得更好的處理效果。但由于工業(yè)廢水中多含有大量重金屬,所以城市污水和工業(yè)廢水合并處理時(shí),存在一個(gè)重金屬危害問(wèn)題。由于工業(yè)廢水與城市廢水合并處理,會(huì)使污水中重金屬含量偏高,含較多重金屬的污水能否進(jìn)行生物脫氮除磷,重金屬對(duì)聚磷菌、硝化細(xì)菌以及反硝化細(xì)菌的作用如何,國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道,現(xiàn)有的生物脫氮除磷模型也沒(méi)有考慮重金屬的影響。因此開(kāi)創(chuàng)性的研究重金屬對(duì)生物脫氮除磷的毒性效應(yīng),將具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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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(jí)工程師,山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030001