铜离子对SBR 工艺活性污泥毒性作用分析

王学江，刘 免，王 鑫，赵建夫

（同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）

在我国目前的排水体制下，工业废水和城市生活污水常合并进入城市污水处理厂进行处理，随着工业废水量的增大和重金属含量的增加，时常会对城市污水生物处理工艺造成一定冲击[1－3].重金属对活性污泥微生物的影响途径主要为抑制微生物的呼吸作用、与酶的活性或非活性中心结合使其失去活性，可导致生物处理系统的微生物群落结构发生变化，进而影响生物处理效果，导致出水水质下降，甚至处理系统瘫痪[4－6].因此，考察重金属离子对活性污泥处理系统的影响，并找到一种简洁有效的监控方法及指标体系，对于污水生物处理系统具有重要的指导意义.

目前，有关重金属对活性污泥微生物毒性的测定方法有很多种，其中：微生物酶活性、氧摄取速率、氨氧化速率和微生物生长速率等是近年来国内外常用的污泥活性评价指标[7－11].但是，由于测定方法不统一，且每种方法都有其优缺点和适用条件，导致很多的研究结论差别很大，有的甚至相互矛盾.

本课题组在前期的研究中，研究开发了一种基于氧化还原介质的微生物传感器（Tox Tell），它可通过选择固定不同的微生物，对污染物的毒性做出快速分析，具有检测毒性污染物范围宽、操作简单、不受样品色度和浊度干扰和毒性检测结果客观真实等特点[12].在本文的研究中，作者拟以铜离子冲击的SBR活性污泥系统为研究对象，结合序列间歇式反应器（Sequencing batch reactor，SBR）工艺处理性能的变化情况，探讨Tox Tell型生物传感器在铜离子冲击SBR活性污泥系统预警监测中的应用性能，以期为该新型生物传感器在污水生物处理工艺运行和管理中的应用提供实验依据.

1 材料与方法

1.1 材料

主要化学药剂：硫酸铜、氯化钠、葡萄糖均为AR级（国药集团化学试剂有限公司）；乳酸钠为CP级（上海三爱思试剂有限公司）；LB培养基（上海迪申生物技术有限公司）.

SBR反应器：反应器高40 cm，直径20 cm，内置4个曝气头，在反应器中装有电磁搅拌器用于搅拌.反应器运行周期为6 h，其中曝气3 h，沉淀1 h，排水和进水2 h.活性污泥由曲阳污水处理厂活性污泥连续培养驯化得到，试验过程中维持污泥质量浓度为3 500 mg·L－1左右.SBR反应器采用人工配水，水质指标为CODCr400 mg·L－1，总氮（TN）为30 mg·L－1，总磷（TP）为10 mg·L－1，p H为7.0.

1.2 实验方法

1.2.1 铜离子冲击试验

实验在室温25℃进行，采用6个反应器进行平行试验，其中一个为空白，不投加铜离子，其他反应器分别加入5，10，20，30和40 mg·L－1的铜离子，分别连续5 d定时取样分析CODCr，TN，TP，混合液悬浮固体浓度（MLSS）和污泥沉降比（Settling velocity，SV）等指标，并通过镜检观察污泥的生物相的变化.

水质指标检测方法：CODCr：哈希快速消解法；氨氮：纳氏试剂分管光度法；TN：过硫酸钾氧化－紫外分光光度法；TP：过硫酸钾氧化－钼锑抗分光光度法；MLSS：重量法；SV：量筒法.

1.2.2 基于微生物传感器的毒性分析

活性污泥微生物电极制备：在空白SBR反应器中取5 m L活性污泥，在5 000 r·min－1下离心30 min，用0.85%氯化钠溶液洗涤菌体3次，在10 000 r·min－1下离心5 min，得到湿活性污泥菌体.取0.5 g上述湿菌体，加入200μL 0.85%氯化钠溶液，用灭菌牙签将菌体和水溶液搅匀，用移液枪汲取7μL均匀涂于电极工作区域表面，室温晾干；用双面胶纸（3M公司）将聚碳酸酯膜（孔径0.4μm，Whatman）密封在菌体表面，制得活性污泥微生物电极，置于冰箱4℃保存待用.

Tox Tell微生物传感器毒性测定步骤：将上述制得的微生物电极放置于含0.85%NaCl的呼吸基质中活化30 min，将经活化的微生物电极浸入装有10 m L呼吸基质的平底玻璃瓶中，待Tox Tell生物传感器毒性分析系统稳定5～10 min后，① 加入一定量p－苯醌氧化还原介质，待电信号稳定约15 min；②加入不同浓度铜离子进行毒性测试.此过程中，Tox Tell生物传感器计算系统将自动记录微生物电极输出电流的变化曲线（图1）.根据图1的电流抑制曲线，可计算出不同铜离子浓度梯度对应的抑制率大小.

2 结果与讨论

2.1 不同浓度Cu2＋对SBR工艺处理性能的影响

不同浓度Cu2＋对SBR工艺CODCr，TN和TP等去除率的影响见图2.由图2可以看出，Cu2＋的质量浓度低于10 mg·L－1时，CODCr去除率变化不大，维持在95%左右，这主要是因为Cu2＋属于过渡金属，对微生物的毒性较小，在一定浓度范围内，它存在于微生物体内并不影响其生理活性.随着Cu2＋质量浓度的增加，CODCr去除率明显降低，Cu2＋质量浓度为20，30和40 mg·L－1时，CODCr平均去除率分别为79.4%，74.4%和71.7%.

图2 Cu2＋对SBR工艺处理性能的影响Fig.2 Effect of Cu2＋ on the treatment performance of SBR

由图2 Cu2＋对SBR工艺TN去除率的影响可知，当未投加Cu2＋时，SBR工艺出水的TN平均去除率约为75%，当进水Cu2＋的质量浓度分别为5，10，20，30和40 mg·L－1时，TN的平均去除率分别降低至65.5%，63.4%，57.9%，53.9%和54.4%.

由图2 Cu2＋对SBR工艺TP去除率的影响可知，Cu2＋对TP去除的影响较为明显，Cu2＋的质量浓度为5，10，20，30和40 mg·L－1时，TP的平均去除率分别从空白的47.5%降低至33.7%，19.3%，17.8%，17.9%和12.7%.

Cu2＋对SBR系统活性污泥沉降比（SV）的影响见图3.从图3可以看出，Cu2＋的加入对SBR系统污泥沉降比有明显影响，随着Cu2＋的质量浓度的加大，SV随之减小，这可能是随着污泥对重金属离子的吸附，部分污泥的絮体结果发生了变化.但Cu2＋的加入并未改善出水的浊度，悬浮固体物浓度反而增加，证明在一定时间内，只是污泥自身沉降的速度增大而已，系统的生物絮凝作用并没有因此得到加强.当Cu2＋的质量浓度达到40 mg·L－1时，MLSS降到1 500 mg·L－1，SV 降到16.4%左右，此时的CODCr，TN和TP的去除效果非常差，SBR系统基本丧失了污水处理功能.

图3 Cu2＋对SBR系统SV的影响Fig.3 Cu2＋effect on SV of SBR

2.2 不同浓度Cu2＋冲击下SBR活性污泥微生物对比分析

Cu2＋的质量浓度分别为0，5，10，20，30和40 mg·L－1时SBR活性污泥中微生物镜检结果见图4.由图4可以看出，在未投加Cu2＋时，SBR活性污泥中的微生物种类繁多，污泥中的原生动物以纤毛虫类的钟虫等为主；加入Cu2＋离子后，污泥颜色由茶褐色变成较浅的淡棕褐色，且随着Cu2＋的质量浓度的增加，污泥中微生物种类以及数量逐渐减少，当Cu2＋的质量浓度增加到20 mg·L－1时，活性污泥中已经基本检测不到原生动物的存在，污泥絮体大量解体，活性污泥系统失去意义，这与上述的SBR系统处理性能的变化相对应.

图4 不同浓度Cu2＋冲击下的SBR活性污泥镜检图（a—f分别为0，5，10，20，30，40 mg·L－1 Cu2＋质量浓度）Fig.4 Pictures of SBR activated sludge in different Cu2＋ concentrations by microscope

事实上，众多研究表明，重金属离子对污水生物处理工艺的毒性冲击影响与生物处理的工艺类型、进水水质、及污泥浓度、泥龄和水力停留时间等工艺参数等有关[7－9].然而，尽管上述的 CODCr，TN，TP，SV和镜检等能够反映重金属对活性污泥系统毒性冲击的影响，但由于上述指标分析的滞后性，且分析耗时较长，不能有效防范重金属对活性污泥系统毒性冲击的威胁.

2.3 基于Tox Tell生物传感器的铜离子对SBR活性污泥的毒性分析

采用以活性污泥为指示生物的Tox Tell微生物传感器对Cu2＋的毒性分析结果见图5.从图5可以看出，该微生物传感器对Cu2＋具有良好的毒性分析性能，Cu2＋对活性污泥微生物的抑制电流信号呈现双曲线下降趋势，电流受抑制程度随着Cu2＋浓度增加而增大，表明随着Cu2＋的质量浓度的增加，其对活性污泥活性的抑制作用逐渐增加.由图5数据拟合计算得Cu2＋对SBR活性污泥的半数有效的质量浓度（EC50）为65.0 mg·L－1.

图5 Tox Tell生物传感器对Cu2＋毒性分析的电流图Fig.5 Toxicity determination of Cu2＋ with Tox Tell biosensor

2.4 Tox Tell生物传感器毒性分析结果与SBR系统处理性能抑制率比较

Tox Tell生物传感器毒性分析结果与Cu2＋冲击对SBR工艺CODCr，TN和TP去除率抑制比较见图6.由图6可以看出，CODCr，TN和TP的去除抑制率均随着Cu2＋质量浓度的增加而增加，与Tox Tell微生物传感器的毒性分析结果具有良好的一致性和相关性.由于Tox Tell生物传感器分析的是急性毒性，即反应时间为30 min，因此，其检测出的Cu2＋毒性响应较SBR工艺实际的CODCr，TN和TP去除抑制率要低.尽管如此，Tox Tell生物传感器具有的操作简单、分析快速和便携式等特点，使其能很好地用于Cu2＋对SBR活性污泥处理系统毒性冲击的预警监测.

图6 Cu2＋对SBR活性污泥系统的影响结果比较Fig.6 Comparison of the influence effects of Cu2＋on SBR process

3 结论

（1）在本实验条件下，Cu2＋质量浓度低于10 mg·L－1时，不会对SBR活性污泥系统带了明显的冲击作用，Cu2＋质量浓度超过20 mg·L－1时则会导致出水水质明显下降，铜离子质量浓度为40 mg·L－1时，该SBR系统中的活性污泥大量解体，原生动物基本检测不到，出水水质急剧变差，整个系统面临崩溃.

（2）Tox Tell生物传感器毒性分析结果与SBR工艺CODCr，TN和TP的去除抑制率具有良好的一致性和相关性.该生物传感器具有分析快速和便携式的特点，能很好地用于Cu2＋对SBR活性污泥处理系统毒性冲击的预警监测.

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