浅谈重金属对污水处理中活性污泥影响

史旭东

浅谈重金属对污水处理中活性污泥影响

史旭东

综述了污水处理中重金属对生物反应动力学常数,活性污泥微生物群落结构及污水生物处理效率的影响,进而研究了重金属对生物脱氮除磷的毒性效应,对提高污水处理效果具有重要的现实意义。

活性污泥,脱氮除磷,重金属污染

水是生命的摇篮,工业的血液,农业的命脉,是人类最重要的自然资源之一,是人类生态环境的组成部分。目前全球 60%的国家和地区淡水不足,40多个国家缺水,65%的水域已经受到污染。预计到 2025年,全球将有 2/3的人口面临严重缺水的局面[1]。

目前,我国的江河、湖泊及部分近海海域普遍受到不同程度的污染,总体上呈加重的趋势。2008年,全国废水排放总量为 572.0亿t,比上年增加2.7%;化学需氧量排放量为1 320.7万t,比上年下降4.4%;氨氮排放量为127.0万t,比上年下降4.0%[2]。

近年来,我国政府、各级地方政府及有关部门对城市污水处理治理十分重视,同时加大了对污水治理的资金投入和治理力度,使我国在污水处理厂的建设方面取得了巨大发展。但随着全球经济的迅速发展,重金属通过矿山开采、金属冶炼加工、化工废水的排放、农药化肥的滥用,生活垃圾的弃置等人为污染及地质侵蚀、风化等形式进入水中,而重金属污染又具有易被生物富集、有生物放大效应、毒性大等特点,因此水中的重金属不仅污染了水环境,也严重危害了人类及各类生物的生存。目前淡水资源日益枯竭,而人类对淡水的需求量却在日益增加,未加处理的大量废水污染了水环境,严重影响了水生生态结构和水资源的有效利用。大量未经处理的重金属废水排放到环境当中,对生态环境危害极大。

采用活性污泥法处理城市污水,微量重金属是微生物生长所需的营养物质,是微生物机体及其各种酶的组成部分。但微生物对各种微量重金属的需求量极少,重金属浓度过高反而会引起毒害作用,使微生物中毒甚至死亡,最终影响生物污水处理效果。重金属污水是一种对生态环境危害极大且难以治理的工业污水,其难以治理是因为重金属在水体中不能被微生物降解,也难以被水体自净作用消除,只能发生形体间的相互转化及分散和富集过程,从而使得危害加剧。重金属对微生物的影响途径主要有抑制微生物的呼吸作用、与酶的活性或非活性中心结合而使其失去活性、损害微生物的线粒体功能、抑制细胞色素的合成和导致细胞内麦角固醇含量的减少等,从而影响底物的转化,影响处理工艺效果。其影响也随重金属的种类、形态、浓度的不同而产生不同程度的影响。重金属对微生物的毒害作用可导致处理系统微生物种群结构发生改变,影响污水处理效果。

1 对生物反应动力学常数的影响

污水生物处理中,有机物、氮、磷等营养物质被微生物分解利用,最终表现为微生物的增长和繁殖。活性污泥反应动力学方程——Monod方程是描述微生物比增殖速率(有机底物比降解速率)与有机底物浓度之间的函数关系。

在重金属离子存在的情况下,饱和常数 Ks和最大比增殖速率μmax都会有所降低或升高。如当Cr6+的浓度为11mg/L时,会使最大比增殖速率 μmax降低,饱和常数 Ks升高。田建民等人指出：重金属镉对大肠杆菌生长繁殖速率的影响与镉离子的质量浓度有关,不同的镉盐对大肠杆菌生长繁殖速率产生不同的影响,大肠杆菌对重金属镉有较强的吸附性和积累性,镉在大肠杆菌细胞内的积累受镉离子在水溶液中的质量浓度及其他相应的阴离子和环境温度的影响[3,4]。李曦等人[5]指出大肠杆菌受到重金属镉抑制后,传代时间延长,生长产热曲线上的停滞期延长,生长峰后移,生长期的最大发热功率减小,且随镉化合物浓度的增大,变化更加明显。T.Y.Pai等人[6]在研究重金属对活性污泥微生物生长速率常数和代谢速率常数的影响时得出：低浓度情况下,重金属对好氧速率不但没有抑制作用,反而有一定的促进作用,随着浓度的升高,便对微生物产生显著的抑制作用。

2 对活性污泥微生物群落结构的影响

微生物群落(包括细菌、真菌、原生动物、后生动物和轮虫等)在有机物净化过程中扮演重要角色。同时,微生物群落结构的变化亦是污水处理厂中有效的生物指标。各种重金属通过对不同种群微生物所产生毒性效应的不同,改变污泥微生物群落结构以及种群的变化,影响污水生物处理效率。有关研究表明,不少对重金属的生物吸附机理研究一般认为重金属的吸附去除主要由以下步骤完成：重金属离子→吸附剂固液边界层→吸附剂表面→吸附剂微孔→与活性位点结合从而被去除。如果吸附剂是活菌体,重金属还会进入菌体细胞内进行胞内生物富集[7]。

3 对污水生物处理效率的影响

重金属的毒性影响最终会导致污水处理效率的降低[9,10]。Robert等人[8]研究发现在厌氧消化过程中重金属将影响甲烷的产生和一氧化碳的浓度水平。王勤等人研究发现,重金属对生物脱氮系统的毒性与其离子浓度与种类有关。较低浓度时有促进作用,较高时有抑制作用。在生物脱氮系统中应控制重金属铜、锌、铬、镉浓度分别不超过0.5mg/L,30mg/L,0.5mg/L,5mg/L,它们对生物脱氮的毒性大小为Cu2+＞Cr6+＞Cd2+＞Zn2+。污水中Cu2+＞0.5mg/L,Zn2+＞30mg/L,Cd2+＞30mg/L时,COD降解率明显下降,反之影响不大。秦海霞通过研究重金属对除磷能力影响得出,当污水中重金属在低浓度下有促进作用,高浓度时有抑制作用。不同种类重金属离子的影响程度不一样,但其浓度越高,对生物除磷能力抑制影响越大,这一趋势是一致的[11]。张恩栋等人[12]指出低浓度 Cu2+作为微量元素,促进藻细胞生长;高浓度Cu2+引起藻细胞伤害,光合活性减弱,POD活性下降,正磷酸盐的净化效率减小。

过量的重金属排入污水处理厂,不像有机物一样易分解,而是长期残存于污水中,也能以物理、化学和生物作用的形式与污泥结合。微生物首先会通过其细胞结构及其代谢产物如胞外聚合物将重金属固定,其中已经确定的三种吸附重金属的机制有质子交换、离子交换和沉淀作用。而后再依靠能量及代谢系统调控通过运输进入胞内。重金属被吸入生物体内,往往生成金属铬合物或金属鳌合物。因为氨基酸、肤蛋白质、核酸及脂肪酸等生物成分都有金属结合的基团,故金属能和这些生物成分结合。与重金属反应的生物成分中,蛋白质(氨基酸)和核酸是特别重要的成分。金属离子既可取代生物大分子活性点位上原有的金属,也可结合该分子的其他位置。当有毒重金属离子与生物大分子活性点位或非活性点位结合后,可以改变生物大分子正常的生理和代谢功能,使生物体表现为中毒现象甚至死亡。

过去生物处理主要针对城市生活污水,但近年的研究发现生活污水能弥补工业废水营养物质不足的缺陷,两者的集中合并处理不但能节省基建投资、能源及运行管理费用,且会取得更好的处理效果。但由于工业废水中多含有大量重金属,所以城市污水和工业废水合并处理时,存在一个重金属危害问题。由于工业废水与城市废水合并处理,会使污水中重金属含量偏高,含较多重金属的污水能否进行生物脱氮除磷,重金属对聚磷菌、硝化细菌以及反硝化细菌的作用如何,国内外未见详细报道,现有的生物脱氮除磷模型也没有考虑重金属的影响。因此开创性的研究重金属对生物脱氮除磷的毒性效应,将具有很重要的现实意义。

[1] 马占青.水污染控制与废水生物处理[M].北京：中国水利水电出版社,2003：1-3.

[2] 环境保护部.2008年中国环境状况公报[N].2009.

[3] 田建民,彭 林.重金属镉对大肠杆菌生长的影响及镉在大肠杆菌细胞内积累的研究[J].太原理工大学学报,2000,31 (2)：194-199.

[4] 李洪亮,陈玉成.污水生物处理中重金属的毒理学研究进展[J].微量元素与健康研究,2006,23(1)：49-52.

[5] 李 曦,丁 玲,靳艳巧.镉对大肠杆菌生长代谢作用的微量热研究[J].武汉理工大学学报,2005,27(1)：19-21.

[6] T.Y.Pai,S.C.Wang,H.M.Lo,et al.Novelmodeling concep t for evaluating the effects of cadmium and copperon heterotrophic growth and lysis rates in activated sludge process[J].Journal ofHazardous Materials,2009(166)：200-206.

[7] 谢 冰.重金属对活性污泥微生物的影响[J].上海化工, 2006(2)：13-16.

[8] Robert F.Hickey,Juliana Vanderwielen,Michael S.Switzenbaum. The effectof heavymetals onmethane production and hydrogen and carbon monoxide levels during batch anaerobic sludge digestion[J].Water Research,1989,23(2)：207-218.

[9] Y.P.Ting,H.Imai,S.Kinoshita.Effect of shock-loading of heavy metals on total organic carbon and phosphate removal in an anaerobic aerobic activated sludge process[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,1994,10(3)：308-312.

[10] 谢曙光.重金属对生物除磷影响的研究[D].西安：西安理工大学硕士论文,2000.

[11] 秦海霞.重金属对生物除磷影响的研究[D].长沙：湖南大学硕士论文,2007.

[12] 张恩栋,王 冰,杨宝灵,等.Cu2+对固定化小球藻深度除磷及其生理指标的影响[J].广东化工,2006,33(159)：87-89.

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

史旭东(1972-),男,高级工程师,山西省城乡规划设计研究院,山西太原 030001