各类金属离子对活性污泥法工艺的影响研究

宫洪艳 李文波

(天津创业环保集团股份有限公司，天津 300384)

近年来我国经济蓬勃发展，各种金属废水进入市政管网。这些金属离子对活性污泥会产生很大的影响，有些影响是致命性的，而有些影响是促进性的。因此，研究各种金属离子在什么范围内对活性污泥微生物活性有促进作用，超过哪个范围对微生物活性有抑制作用，以及利用何种方法能够改善金属离子对污水处理工艺的负面影响，对保证和提高污水处理效率具有极其重要的意义。

1 各类金属离子对活性污泥微生物影响的机理

金属离子对微生物的影响主要是作用于微生物细胞中的生物酶。金属元素可能是特定酶的辅助因子，也可能是酶的激活剂，其在一定浓度下能对微生物活性有促进作用。但是微生物对这些金属离子的需求量有限，过量存在会引起微生物中毒。当金属离子侵入机体后，往往与生物分子结合生成金属络和物或金属鳌和物，最终破坏核酸和蛋白质结构，干扰氧化磷酸化和渗透压平衡［1］。特别是对细胞有关酶的毒性抑制，可能导致整个降解或者代谢反应链的瘫痪，进而使细胞整体活性被抑制，最终造成细胞死亡。

2 各类金属离子对活性污泥法工艺的影响

2.1 影响生物反应动力学

金属离子对生物处理的影响源于对微生物生长代谢过程的影响。有些金属本身就是微生物存活所必须的元素。有研究表明，锰是超氧化物歧化酶、精氨酸酶、丙酮酸羧化酶等的辅助元素，是腺嘌呤核苷酸酶和一些水解酶的激活剂［3］;锌是各种金属蛋白酶、醇脱氢酶、碳酸酶等的辅助元素［4］。这些金属在一定浓度下能够促进微生物活性。

微生物对金属的需求量是有限的，当其超过一定浓度范围后，大部分金属，特别是重金属表现为抑制生物的呼吸作用，影响底物的转化等。有些金属，如汞、铅、镉、砷等，并非生命活动所需，其在低浓度状态下也表现出对微生物的抑制作用。有研究表明当Cd和Hg的含量达到0.16 mmol/g MLSS和0.04 mmol/g MLSS时，在微生物呼吸作用中作为重要媒介的脱氢酶活性会降低50%［5］。

2.2 影响生物处理微生物群落

活性污泥中生物群落的组成丰富多样，各种微生物之间相互作用，相互影响，组成了一个复杂的微生态系。在这个微生态系中，每种微生物都扮演着不同的角色，同时微生态系结构的变化对污水厂的功能是有效的生物指标。在正常运行的活性污泥系统中，微生物的种类和数量相对比较稳定，但金属离子能够改变活性污泥生物群落的结构。

谢冰等研究了锌离子对活性污泥微生物群落结构的影响，随机扩增多态RAPD分析表明，锌离子的加入可在短期内改变污泥微生物群落DNA序列组成，对微生物的驯化实验表明，锌离子能够降低污泥微生物的多样性和丰富性以及均匀度［6］。

2.3 影响活性物污泥沉降性能

金属离子对微生物的影响，直接影响到菌胶团的形态。高浓度重金属离子介入可能直接造成微生物中毒，活性污泥解絮，上清液浑浊;低浓度或毒性不强的金属离子介入，可能对部分微生物群落结构造成影响，使优势菌种发生变化，若丝状菌大量繁殖，可能造成污泥膨胀，泥水分离效果差;另外一种可能，金属离子与活性污泥形成混凝共沉淀，而使污泥沉降性能更好。

在霍培书等的研究中，Hg2+，Pb2+，Cd2+3种重金属离子对活性污泥的SVI造成明显影响［7］。而铝盐和铁盐往往被作为助凝剂用于污水处理中，刘华等论述了聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铁(PFC)对污水的生物处理系统的影响，实验结果表明在一定的污泥浓度和pH值范围内，适量的铝盐和铁盐可以提高污泥沉降性能［8］。

2.4 影响生物处理效率

金属离子的各种影响往往直接反应在污染物处理效率上。谢冰等在实验中发现对于有机物COD的降解，浓度小于40 mg/L的锌离子对有机物降解效果影响不大，高于60 mg/L影响显著;对于氨氮的转化，锌的抑制作用非常显著;对于亚硝酸根的转化，无论低浓度或高浓度的锌离子，都会造成亚硝酸根离子的积累［9］。郝春红等在研究中发现Fe3+对活性污泥系统脱氮除磷有较好的促进作用，其有效投加浓度范围为10 mg/L～20 mg/L，Co2+和Ni2+对活性污泥脱氮除磷效果无明显改善［10］。

3 应对各类金属废水的研究

随着工业的发展，各类金属废水对污水生物处理设施的影响不言而喻。而近年来污水处理厂出水标准大大提高，目前大部分污水处理厂出水均要求达到《GB 18918-2002》一级标准。因此无论是就管网源头控制还是就污水处理厂运行的角度讲，研究各类金属离子对活性污泥工艺的影响都是非常必要的。

3.1 对各类金属区别对待

为了便于研究和区别对待，我们不妨对各种金属加以分类。对于金属的分类没有严格意义上的定义，这里仅从环境污染和便于分析的角度进行分类。

1)有毒重金属。指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属。2)一般重金属。指铜、铅、锌、铁、镍、钴、锰等，既是生命活动所需要的微量元素，超过一定范围又会对生命体造成毒性的重金属。3)非重金属。指钾、钙、钠、镁、铝等原子量小于55的金属。对于第一类金属，由于其毒性极强，低浓度就会对微生物产生抑制作用，因此必须进行源头控制，在工厂废水排放前进行有针对性的处理，避免其进入市政管网。对于第二类金属，低浓度对微生物代谢有促进作用，或者对某一方面的代谢有促进作用，可以加以利用;高浓度对微生物有抑制作用，可以进行源头控制，或者增设预处理装置。

对于第三类金属，一般应该对活性污泥工艺没有太大影响，有些金属(如钙、铝)在一定浓度范围内甚至可以改善活性污泥絮凝效果，但其高浓度对活性污泥同样存在危害，特别应该注意pH值的变化。

3.2 处理金属废水的研究现状

微生物和金属离子之间的作用是互相的，在金属对微生物产生促进和毒害作用的同时，也在被微生物吸附和转化。微生物本身及其代谢产物都能够吸附和转化重金属。因此活性污泥法本身就可以去除部分重金属，只不过在去除的同时其工艺本身受到一定的影响。于是有研究者提出了驯化微生物的想法，该想法认为尽管重金属对微生物有毒，但驯化能够使得微生物适应并存活。叶锦韶等认为一定浓度的某种重金属可有效的诱导出微生物体内对重金属的运输和毒性起到拮抗解毒作用的抗性基因，从而驯化出适应一定浓度的某种或某几种重金属废水的微生物［11］。

对于高浓度、高毒性金属废水没有必要谈之色变，大量的研究推出了多种新技术，离子交换组合处理技术可以处理含锡、铅、铜、铬、锌、镍等重金属的多种电镀废水，并且可以循环利用;微电解——生物膜法也可以用于处理电镀废水，且工艺简单、能耗小、成本低、无二次污染;微滤和电渗析组合膜工艺既可以去除重金属，COD，SS，并可以兼顾脱盐，出水水质能够达到回用水标准;三相萃取法分离效果好，选择性强，工艺简单，适合复杂组分体系;电絮凝技术可以不添加化学药剂去除重金属，设备体积小，操作简单灵活，污泥量少;电去离子技术可以实现废水的无害化和资源化，达到零排放，不用化学药剂，不污染环境，可同时回收重金属。这些技术给废水源头处理和污水处理厂预处理提供了参考。

4 结语

目前各种金属对活性污泥微生物影响的实验室研究已经取得了一定的成果，但在应用于城市污水处理厂运行中，如何更好的应对金属废水对活性污泥工艺的冲击，这种实践性研究较少。深入研究各种金属的特性和在不同条件下对微生物的影响，发现更多的微生物物种，深入了解微生物组织结构、代谢工程、遗传表达等内容，研发生物强化技术，这些都是未来研究和发展的方向，也是解决金属废水对市政污水处理厂冲击的根本途径。

［1］孔繁翔.环境生物学［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［2］杨柳燕，肖 琳.环境微生物技术［M］.北京:科学出版社，1999.

［3］Gao Junfa，Qiao Hua.Research and developmentof activation agent for wastewater treatment［J］.Shanxi Environment，2000，7(3):41-43.

［4］杨 频，高 飞.生物无机化学原理［M］.北京:科学出版社，2002.

［5］Grau P.Criteria for nutrient-balanced operation of activated sludge process［J］.Water Science and Technology，1991，24(4):251-258.

［6］谢 冰，徐亚同.锌离子对活性污泥微生物DNA序列多样性的影响［J］.环境科学研究，2003，16(4):18-23.

［7］霍培书，管越强，周可新，等.重金属离子对活性污泥处理污水的影响［J］.环境工程学报，2010，4(10):2173-2178.

［8］刘 华，张延青.聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铁(PFC)对活性污泥的影响［J］.工业安全与环保，2004，30(6):15-17.

［9］谢 冰.分子生物学方法研究铜锌重金属离子对活性污泥微生物的影响［D］.上海:东华大学，2002.

［10］郝春红，张 峰，张 鹏，等.微量元素对活性污泥脱氮除磷效果影响的对比试验研究［J］.青岛理工大学学报，2011，32(4):78-83.

［11］叶锦韶，尹 华.微生物抗重金属毒性研究进展［J］.环境工程学报，2002(4):1-3.