溶解氧突變指數(shù)對(duì)活性污泥重金屬中毒的預(yù)警

陳亞松，杜 郁，楊廣文，趙文玉，陳振國(guó)

(1.北京建工環(huán)境發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100192;2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

目前，污水處理技術(shù)領(lǐng)域中，活性污泥法仍是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一［1，2］。當(dāng)污水處理廠廢水中含有生物抑制性物質(zhì)時(shí)，如重金屬離子，會(huì)對(duì)活性污泥造成中毒，甚至破壞整個(gè)生化系統(tǒng)［3］，給污水處理廠運(yùn)營(yíng)與管理帶來不便。因此，研究重金屬離子對(duì)活性污泥的影響，早期預(yù)警活性污泥中毒與否，對(duì)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以動(dòng)植物［4，5］、發(fā)光細(xì)菌［6］、硝化細(xì)菌［7］、微生物電流［8］以及呼吸速率［9］等為受試生物或指標(biāo)進(jìn)行活性污泥中毒的預(yù)警方法研究。其中以發(fā)光細(xì)菌法的研究和應(yīng)用較多，但該方法具有發(fā)光強(qiáng)度本底值相差較大、發(fā)光幅度寬的問題且難以實(shí)現(xiàn)在線預(yù)警監(jiān)測(cè)。而其他的預(yù)警方法大多存在結(jié)果重現(xiàn)性差，甚至相互矛盾的問題，理論與實(shí)際應(yīng)用的差距較大［10］?；诨钚晕勰嗪粑俾?OUR)，利用污水處理廠生化污泥的活性判斷進(jìn)水水質(zhì)變化的預(yù)警方法，已經(jīng)得到了開發(fā)和應(yīng)用［11］。在此原理基礎(chǔ)上，本課題組研究基于活性污泥溶解氧(DO)突變的污泥中毒預(yù)警方法［12］，解決了OUR法中測(cè)定溶解氧差值的系統(tǒng)誤差問題。本研究模擬污水廠受Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+4種重金屬?zèng)_擊，以 DO 突變?yōu)轭A(yù)警指標(biāo)優(yōu)化活性污泥重金屬中毒測(cè)試條件，為污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行和應(yīng)急管理提供技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 活性污泥重金屬中毒預(yù)警系統(tǒng)

活性污泥重金屬中毒預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示。活性污泥取自宜興市某污水處理廠生化池，污水取自該污水處理廠進(jìn)水，分別配制成含有不同濃度Cu2+、Cr6+、Pb2+、As5+4 種重金屬的模擬廢水?；钚晕勰嘀亟饘僦卸绢A(yù)警系統(tǒng)包括反應(yīng)器、進(jìn)水、進(jìn)泥設(shè)備等，預(yù)警反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，有效容積為700 mL，底部設(shè)有微量曝氣、攪拌系統(tǒng)。配置的污水和取自污水廠的污泥通過蠕動(dòng)泵進(jìn)入預(yù)警反應(yīng)器中，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行微量曝氣至溶解氧為恒定值，泥、水、氣在密閉的預(yù)警反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻混合和反應(yīng)，溶氧儀每隔15 s對(duì)DO進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖1 活性污泥重金屬中毒預(yù)警系統(tǒng)圖Fig.1 Early Warning System of Activated Sludge Poisoned by Heavy Metals

1.2 試驗(yàn)方法

取自宜興市某污水處理廠污水、污泥，通過蠕動(dòng)泵按一定比例定量進(jìn)入預(yù)警反應(yīng)器，調(diào)節(jié)微量曝氣至DO在2～3.5 mg/L，維持以上條件形成相對(duì)穩(wěn)定的溶解氧值(DO1)，然后在污水中投加不同種類重金屬離子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+)，配成不同重金屬濃度(3、8和15 mg/L)的進(jìn)水，連續(xù)監(jiān)測(cè) DO變化，待DO上升到最高值(DO2)，每種重金屬?gòu)U水完成一個(gè)周期的毒性監(jiān)測(cè)后，停止含重金屬?gòu)U水的進(jìn)水，轉(zhuǎn)換為原污水進(jìn)水，待DO穩(wěn)定到2～3.5 mg/L時(shí)，再次通入另外一種含重金屬?gòu)U水進(jìn)行試驗(yàn)，待DO上升到最高值(DO2)，停止含重金屬污水的進(jìn)水，依次重復(fù)步驟。通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的流量，控制預(yù)警反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度(MLSS)和水力停留時(shí)間(HRT)，優(yōu)化測(cè)定參數(shù)。

重金屬溶液均由分析純?cè)噭┡渲贫?，DO連續(xù)監(jiān)測(cè)，間隔時(shí)間15 s。當(dāng)進(jìn)水含有重金屬時(shí)，其溶解氧值由基準(zhǔn)值(DO1)上升到最高值(DO2)，則DO突變值=(DO2-DO1)mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類重金屬對(duì)活性污泥DO突變的影響

配制廢水的金屬離子濃度均為15 mg/L，調(diào)節(jié)進(jìn)水量、進(jìn)泥量，控制預(yù)警反應(yīng)器中泥水比為1∶3，MLSS為1 000 mg/L，混合液HRT為1 min，廢水中加入4種重金屬離子后，預(yù)警反應(yīng)器中DO隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 不同種類重金屬對(duì)活性污泥DO值的影響Fig.2 Effect of Four Heavy Metals on DO Mutation of Activated Sludge

由圖2可知廢水中加入重金屬離子后，活性污泥中DO均發(fā)生明顯突變，且DO突變的程度與重金屬種類有關(guān)。金屬離子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和As5+)產(chǎn)生 的 DO 突 變 量 分 別 為 0.87、0.6、0.4、0.75 mg/L。重金屬離子會(huì)抑制活性污泥的呼吸速率，導(dǎo)致DO快速上升，以上重金屬離子對(duì)活性污泥中微生物均有明顯的抑制作用，其中Cu2+對(duì)活性污泥活性抑制能力最強(qiáng)，DO突變量為0.87 mg/L;其次為As5+，其DO突變量為0.75 mg/L;Cr6+對(duì)活性污泥產(chǎn)生沖擊使DO突變量為0.6 mg/L;對(duì)活性污泥抑制最小的是Pb2+，DO突變量為0.4 mg/L。DO突變量直接反映了4種重金屬離子致污水處理廠活性污泥中毒的程度。由于不同重金屬離子試驗(yàn)的條件相同，4種重金屬對(duì)活性污泥產(chǎn)生毒性大小的順序?yàn)镃u2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+。其中Cu2+＞ As5+＞Cr6+的毒性順序與Fulladosa等［13］研究結(jié)論一致，Jang-Cheon Cho等［14］利用發(fā)光細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不同重金屬毒性大小進(jìn)行研究，結(jié)果與本研究基本相同。而Pb2+毒性與其有所差異，主要是因?yàn)槭茉噷?duì)象和環(huán)境條件的差異，本研究所取的活性污泥，由于該廠含高比例的工業(yè)廢水，其污泥中累積的鉛濃度高達(dá)142 mg/kg，活性污泥受含鉛廢水的馴化，具有一定的耐受能力。因此，活性污泥DO突變能有效預(yù)警不同種類重金屬對(duì)污水處理廠活性污泥產(chǎn)生的毒性。

2.2 不同濃度重金屬離子對(duì)活性污泥DO突變的影響

為了驗(yàn)證活性污泥對(duì)重金屬濃度靈敏度，研究不同濃度Cu2+、As5+兩種重金屬對(duì)活性污泥DO的變化的影響(如圖3所示)，控制反應(yīng)器中泥水比為1∶3、MLSS 為1 000 mg/L、混合液 HRT 為 1 min。不同濃度Cr6+和Pb2+兩種重金屬對(duì)活性污泥DO變化的影響如圖4所示，控制反應(yīng)器中泥水比為1∶3、MLSS為1 000 mg/L、混合液HRT為2 min。

圖3 不同濃度Cu2+、As5+對(duì)活性污泥DO的影響Fig.3 Effect of Different Dosages of Cu2+ ，As5+on DO Mutation of Activated Sludge

由圖3可知在不同As5+濃度下，活性污泥均表現(xiàn)出明顯的DO突變，且隨著As5+濃度的增加，DO突變量逐步增大。當(dāng)進(jìn)水As5+濃度為3、8、15 mg/L時(shí)，活性污泥相應(yīng)的 DO 突變量分別為0.32、0.54、0.75 mg/L。表明隨著進(jìn)水As5+濃度的增高，其對(duì)活性污泥的抑制性逐步增強(qiáng)，并存在一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系。保持上述條件不變，不同濃度的Cu2+對(duì)活性污泥也會(huì)引起明顯的DO突變，但DO突變量并沒有隨著Cu2+濃度的升高而顯著增大，DO突變量基本在0.84 mg/L左右。這可能是由于在此MLSS與HRT運(yùn)行條件下，進(jìn)水3 mg/L Cu2+濃度對(duì)活性污泥的抑制就已達(dá)到上限，繼續(xù)增加濃度其抑制性并沒有明顯增強(qiáng)，Cu2+對(duì)活性污泥抑制最為靈敏，這與胡洪營(yíng)等［11］在昆山市污水廠的研究結(jié)果一致。因此，采用DO突變量能快速靈敏探測(cè)到進(jìn)水中低濃度重金屬，預(yù)警進(jìn)水重金屬離子對(duì)污水處理廠活性污泥的毒性作用。

圖4 不同濃度Cr6+、Pb2+對(duì)活性污泥DO的影響Fig.4 Effect of Different Dosages of Cr6+ ，Pb2+on DO Mutation of Activated Sludge

由圖4可知隨著Cr6+濃度的增加，活性污泥DO突變量逐漸升高。當(dāng)進(jìn)水Cr6+濃度為3 mg/L時(shí)DO突變量為0.27 mg/L;8 mg/L時(shí)DO突變量為0.39 mg/L;15 mg/L 時(shí)DO 突變量為0.53 mg/L。表明隨著進(jìn)水Cr6+濃度的增高，其對(duì)活性污泥的抑制作用逐步加強(qiáng)，存在劑量-效應(yīng)關(guān)系。保持上述條件不變，不同濃度的Pb2+均對(duì)活性污泥產(chǎn)生DO突變，但DO突變量并沒有隨著Pb2+濃度的升高而顯著增大，DO突變量基本在0.31 mg/L左右。這可能是因?yàn)樗∥鬯畯S污泥中含有大量的鉛，污泥經(jīng)過長(zhǎng)期的馴化，其對(duì)Pb2+有較強(qiáng)的耐受能力，能夠承受一定濃度范圍內(nèi)Pb2+的毒性。

2.3 不同MLSS對(duì)DO突變的影響

不同濃度的活性污泥對(duì)重金屬的耐受能力一般是不同的。以Pb2+為代表，分別在三種不同的Pb2+濃度、不同的MLSS濃度下，進(jìn)行DO突變的試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知當(dāng)廢水中Pb2+濃度在3、8、15 mg/L時(shí)，2 000 mg/L MLSS的DO突變量低于1 000 mg/L MLSS的 DO 突變量(0.4～0.48 mg/L)。同時(shí)，當(dāng)MLSS為1 000 mg/L時(shí)，不同濃度Pb2+毒性差別較小，與圖4中結(jié)果一致。但當(dāng)MLSS為2 000 mg/L時(shí)，其DO突變量隨著Pb2+濃度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+為 3 mg/L)增高至0.3 mg/L(Pb2+為15 mg/L)。因此，污泥濃度對(duì)DO突變量的影響較大，特別對(duì)提高預(yù)警的精度和閾值范圍有較大的影響，提高污泥濃度可以削弱Pb2+對(duì)活性污泥微生物的抑制作用，采用1 000 mg/L活性污泥來預(yù)警重金屬中毒相對(duì)更靈敏。

圖5 MLSS對(duì)活性污泥Pb2+中毒DO突變的影響Fig.5 Effect of MLSS on DO Mutation of Activated Sludge Poisoned by Pb2+

3 結(jié)論

(1)不同種類重金屬對(duì)活性污泥均有不同程度的抑制作用。15 mg/L Cu2+對(duì)活性污泥的影響最大，DO突變量為0.87 mg/L。Pb2+產(chǎn)生的影響最小，DO突變量為0.40 mg/L。不同金屬離子對(duì)活性污泥毒性大小的順序?yàn)镃u2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+，因此活性污泥對(duì)不同重金屬具有不同的靈敏度。

(2)隨著As5+和Cr6+濃度增加，對(duì)活性污泥抑制性越強(qiáng)，當(dāng)其濃度由3 mg/L增加到15 mg/L時(shí)，對(duì)應(yīng)的DO突變量由0.32和0.27 mg/L分別上升至0.75和0.53 mg/L。當(dāng) Cu2+為3 mg/L 時(shí)對(duì)活性污泥抑制就達(dá)到最大，繼續(xù)增大Cu2+濃度，其DO突變值變化不大;Pb2+隨著濃度增加DO突變量并未明顯改變，可能與受試污泥對(duì)Pb2+的耐受能力有關(guān)。

(3)不同污泥濃度對(duì)DO突變量的影響較大，以Pb2+為例，提高M(jìn)LSS至2 000 mg/L時(shí)，其DO突變由0.4 ～0.48 mg/L 降低至0.16 ～0.3 mg/L，且在此污泥濃度下，DO突變量隨著Pb2+濃度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+為 3 mg/L)逐漸增高至0.3 mg/L(Pb2+為15 mg/L)。

(4)利用DO突變對(duì)廢水的毒性進(jìn)行預(yù)警，能夠判別4種重金屬離子對(duì)活性污泥的生物抑制作用，在一定程度上能夠?qū)M(jìn)水毒性物質(zhì)如重金屬進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警。但是，由于污水處理廠廢水成分的復(fù)雜性，針對(duì)不同污水廠的廢水特征、生物抑制性物質(zhì)種類，有待進(jìn)一步深入研究，為污水處理廠生化處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供預(yù)警方法。

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