A2/O工藝的污泥中生物毒性物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化特性

吳曉亭，馬曉妍，王曉昌，劉孝坤，張秋亞

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055；2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710055）

A2/O工藝的污泥中生物毒性物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化特性

吳曉亭1，馬曉妍1，王曉昌1，劉孝坤2，張秋亞1

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055；2.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710055）

基于建立的固體樣品青海弧菌生物毒性檢測方法和理化指標(biāo)分析，考察了A2/O工藝流程中污泥樣品的水溶性和脂溶性污染物的生物毒性，結(jié)合有機物和重金屬離子的含量，分析污染物在水處理過程中的去除特性。結(jié)果顯示：污泥中脂溶性污染物的生物毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水溶性污染物；隨著處理工藝的進行，充氧量不斷增加，污泥中的水溶性有機物和絕大多數(shù)重金屬濃度都有所降低，然而其生物毒性卻逐漸升高。與此相反，脂溶性污染物的生物毒性逐漸降低。

污泥；生物毒性物質(zhì)；青?；【凰苄晕廴疚?；脂溶性污染物

在污水處理廠中，污染物的存在形式主要分為游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種。具有生物毒性的污染物在污水處理過程中主要是通過微生物的降解作用將其轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)或者通過污泥的吸附作用將其轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)從而得到去除〔1〕。在前期的研究中，筆者課題組已應(yīng)用發(fā)光細(xì)菌毒性檢測方法對污水廠中各工藝出水的急性和慢性生物毒性進行評價，并研究了各個工藝對污水生物毒性的降低規(guī)律〔2-3〕。但目前污染物在水相和泥相的遷移轉(zhuǎn)化過程中，污泥中污染物的生物毒性變化規(guī)律并不清楚。對污泥中水溶性（極性）和脂溶性（非極性）有害物的理化特性和生物毒性變化規(guī)律進行研究，一方面可以從污泥的角度來分析水質(zhì)凈化機理，另一方面也能為污泥的安全回用和處置提供參考。

發(fā)光細(xì)菌毒性檢測由于具有簡便、快速、與其他生物毒性檢測具有良好相關(guān)性等優(yōu)點而被國內(nèi)外研究者廣泛應(yīng)用于生物毒性評價〔4-5〕。研究采用淡水發(fā)光細(xì)菌——青海弧菌（Vibrio qinghaiensis sp.-Q67），通過建立固體樣品的發(fā)光細(xì)菌毒性檢測方法，研究典型A2/O工藝中厭氧池、缺氧池和好氧池內(nèi)污泥中含有的水溶性和脂溶性有害物的理化和生物毒性特性。

1　實驗部分

1.1樣品的采集及處理

研究采用的污泥來自以校園生活污水為原水的西安思源學(xué)院污水處理廠。該污水廠采用A2/O工藝作為二級生物處理，出水經(jīng)MBR工藝處理后回用于校園景觀用水、灌溉和沖廁等。

分別從污水廠的厭氧池、缺氧池和好氧池中取得泥水混合物。將其在離心機中以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，然后將上清液用0.45 μm的混合纖維素膜過濾?；旌侠w維素膜上的固體和離心得到的固體混合并風(fēng)干后作為污泥樣品，然后分別采用超純水和有機溶劑萃取其中的水溶性和脂溶性污染物，用于后續(xù)的理化和生物毒性測定。水溶性污染物的提取方法為：準(zhǔn)確稱取10 g干污泥于錐形瓶中，加入20 mL超純水，在搖床上震蕩12 h，然后用0.45 μm濾膜過濾即可用于理化指標(biāo)和生物毒性的測定。脂溶性污染物的提取方法為：準(zhǔn)確稱取2.0 g干污泥于錐形瓶中，加入30 mL丙酮和正己烷的混合溶劑（體積比為1∶1），在搖床上震蕩12 h。萃取物經(jīng)過濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后溶于0.5%二甲基亞砜溶液中并用于生物毒性的測定。

1.2理化指標(biāo)的測定

混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）、懸浮固體濃度（MLSS）和污泥含水率的測定分別采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定〔6〕?？傆袡C碳（TOC）的測定采用日本島津總有機碳分析儀測定。

對于水中重金屬的測定：將離心并經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾的水樣中加入硝酸混勻，使其硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，然后保存于4℃的冰箱中，待測定時再用0.22 μm的濾膜過濾，并用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）進行檢測。

污泥樣品中重金屬的測定：將在室溫下風(fēng)干的污泥用瑪瑙研缽碾碎后過0.15 mm（100目）尼龍篩。稱取0.2 g過篩后的干泥于聚四氟乙烯燒杯中，先加入少量超純水晃勻，再加入10 mL鹽酸，在電熱板上 120℃加熱 20 min，再依次加入 10 mL HNO3、3 mL HF、2 mL HClO3，蓋上蓋子繼續(xù)消解，直至溶液澄清，打開蓋子，趕盡酸煙。當(dāng)燒杯中的液體只剩下少量的淡黃色液體時，將其從電熱板上取下，冷卻，然后加超純水稀釋，并用50 mL容量瓶定容，ICP-MS上進行溶液中重金屬濃度的測定。

1.3發(fā)光細(xì)菌毒性測定

以青海弧菌作為測試生物進行急性生物毒性測定。若樣品抑制率低于50%，以抑制率作為發(fā)光細(xì)菌急性毒性的評價指標(biāo)；若抑制率大于50%，則對樣品進行梯度稀釋，并以發(fā)光抑制50%時的樣品濃度（EC50）作為評價指標(biāo)。具體的檢測方法參照已發(fā)表的論文〔2〕。

2　結(jié)果與討論

2.1污泥樣品的理化特性

污水處理廠厭氧池、缺氧池和好氧池的MLVSS/ MLSS分別為 1 499.0/2 050.5、2 628.0/3 606.5和3 129.5/4 395.5。在A2/O工藝中，3個生物池的含氧量逐漸增加，且每個生物池都有污泥回流，這使得MLSS逐漸增加。MLVSS/MLSS比值可以粗略反映活性污泥的生物活性〔7〕。在這3個處理單元中MLVSS/ MLSS都在0.71～0.73之間，表明生物池中的污泥活性較好。

污泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1　　污泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)　g/kg

由表1可見，對于厭氧池、缺氧池和好氧池污泥中的重金屬，含量最高的是Zn，其次為Cu，Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。污水經(jīng)格柵去除懸浮物和大塊固體之后，分別經(jīng)厭氧池、缺氧池和好氧池之后進入膜池。在這3個工藝的處理過程中，As、Pb、Hg隨著處理工藝的進行質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，Cu和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，Cr和Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。

2.2水溶性污染物的生物毒性

水溶性污染物指的是污泥中易溶于水的物質(zhì)和與污泥吸附較弱的物質(zhì)，按照化學(xué)性質(zhì)可以分為有機物和金屬離子兩大類。污泥樣品中水溶性物質(zhì)的理化指標(biāo)及其急性生物毒性如表2所示。

表2　　水溶性物質(zhì)的理化指標(biāo)及其急性生物毒性

由表2可見，比較污泥中水萃取到的有機物含量（以TOC濃度表示）和重金屬含量發(fā)現(xiàn)，污泥中水溶性有機物含量很高，但是重金屬濃度很低。這說明活性污泥中，在污泥上吸附較弱的和游離態(tài)的重金屬離子較少，大多數(shù)金屬離子可能以較強的結(jié)合態(tài)在污泥中存在。隨著充氧量的增加，污泥中的水溶性有機物和絕大多數(shù)重金屬濃度都有所降低。這是由于隨著氧氣濃度的增加，生物量增大，大量有機物在生物新陳代謝的過程中被消耗掉而重金屬在生物體內(nèi)被積累。厭氧池中污泥的水溶性物質(zhì)中有機物含量和重金屬含量都居于最高水平，但是萃取物的發(fā)光細(xì)菌抑制率僅為17.46%，急性毒性最低。好氧池中污泥的水溶性物質(zhì)中有機物含量和重金屬含量都居于最低水平，但是急性毒性高于厭氧池和缺氧池。盡管如此，污泥中水溶性污染物的急性毒性并不高。

2.3脂溶性污染物的生物毒性

脂溶性污染物主要是指能夠溶于有機溶劑的非極性化合物。厭氧池、缺氧池、好氧池中污泥含有的脂溶性污染物的急性生物毒性如圖1所示。

圖1　　污泥中脂溶性物質(zhì)的急性生物毒性

由圖1可見，污泥中脂溶性污染物的EC50值在1.99～3.52 g/L之間。

由表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由20 mL超純水萃取10 g干污泥形成樣品的水溶性污染物的發(fā)光菌抑制率在17.46%～23.11%之間。脂溶性污染物的急性毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水溶性污染物。這說明污水中的非極性污染物的生物毒性很高。一旦這些物質(zhì)被污泥吸附，通過水萃取是很難使其再溶解的。污泥對非極性毒性物質(zhì)的強吸附作用使得污水能夠得到有效的處理。在這3個工藝中，厭氧池污泥脂溶性污染物的急性生物毒性最大，其EC50值為1.99 g/L。缺氧池和好氧池中污泥脂溶性物質(zhì)的生物毒性差別不大，都低于厭氧池。這可能是因為非極性有害物在進入污水廠后首先在厭氧池中通過污泥的吸附作用進入污泥，并且厭氧條件下的生物活動易產(chǎn)生具有生物毒性的物質(zhì)，這些新生成的污染物也可被污泥吸附，從而導(dǎo)致了厭氧池污泥的生物毒性較大〔8〕。吸附在厭氧池污泥顆粒上的污染物在缺氧池和好氧池中得到降解和轉(zhuǎn)化，從而生物毒性又有所降低。盡管污泥的生物毒性在處理過程中有所降低，但是總體生物毒性較高。這就要求合理地處理污泥，防止二次污染。

3　結(jié)論

（1）對于污泥中的水溶性污染物，盡管有機物含量和絕大多數(shù)重金屬濃度隨著A2/O工藝的進行都有所降低，但是急性生物毒性逐漸升高。

（2）脂溶性污染物在進入污水廠后首先在厭氧池中通過污泥的吸附作用進入污泥，導(dǎo)致厭氧池污泥脂溶性污染物生物毒性較大。吸附在污泥顆粒上的脂溶性污染物在缺氧池和好氧池中得到降解和轉(zhuǎn)化，從而生物毒性又有所降低。

（3）在污水廠的活性污泥中，脂溶性污染物的生物毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水溶性污染物的生物毒性，污水中的毒性物質(zhì)主要通過污泥的強吸附作用而得到去除。

［1］李萍，卜龍利，李薛剛，等.某污水處理廠倒置A2/O工藝中制藥類污染物的去除規(guī)律分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：797-800.

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［6］張自杰，林榮忱.排水工程（下冊）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：2-3.

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Immigration and transformation characteristics of biotoxic substances in sludge by A2/O process

Wu Xiaoting1，Ma Xiaoyan1，Wang Xiaochang1，Liu Xiaokun2，Zhang Qiuya1
（1.Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；2.Xi'an Municipal Design Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710055，China）

Based on the established bioassay method for solid samples of Vibrio-qinghaiensis sp.-Q67，and the analysis on physical and chemical indices，the biotoxicity of water-soluble and fat-soluble pollutants of sludge samples in the process of A2/O，combined with the contents of organic substances and heavy metallic ions are investigated.The removing characteristics of pollutants in the water treatment process are analyzed.The results show that the biotoxicity of fat-soluble pollutants are much higher than that of water-soluble pollutants.With the proceeding of the treatment processes，the oxygen charging quantity increases and the concentrations of water-soluble organic substances and most of heavy metals in sludge decreases.However，its biotoxicity are increased gradually.On the contrary，the biotoxicity of fat-soluble pollutants are reduced gradually.

sludge；biotoxic substances；Vibrio-qinghaiensis sp.-Q67；water-soluble pollutants；fat-soluble pollutants

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0038-03

水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07310-001）；旋流造粒高濁度水處理技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目（2011KTCG03-09）；陜西省博士后科研項目特別資助

吳曉亭（1989—），碩士。E-mail：838725258@qq.com。通訊聯(lián)系人：馬曉妍，博士。E-mail：maxiaoyan84@163. com。

2015-11-08（修改稿）