从溶解氧（DO）变化判别污泥活性受铜离子抑制的影响因素

赵文玉，王庆，陆燕勤*，王哲，李东慧

1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004

2.桂林理工大学广西矿冶与环境科学研究中心，广西桂林541004

从溶解氧（DO）变化判别污泥活性受铜离子抑制的影响因素

赵文玉1，2，王庆1，陆燕勤1，2*，王哲1，李东慧1

1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004

2.桂林理工大学广西矿冶与环境科学研究中心，广西桂林541004

以溶解氧（DO）变化值为评价指标，研究Cu2+对活性污泥微生物毒性的影响因素（MLSS、HRT、pH、温度及COD负荷），以期为重金属废水处理及污水厂进水冲击预防提供参考和依据。结果表明：提高MLSS能够显著提高微生物对Cu2+冲击的抵抗作用。当系统遭受8 mg/L Cu2+冲击时，MLSS从500 mg/L增大至3000 mg/L时，DO突变从0.65 mg/L减小至0.13 mg/L，抑制性减少了80%；增加HRT，Cu2+对系统的冲击作用增大。当HRT从0.5 min增加到3 min时，反应器DO从0.42 mg/L增至0.76 mg/L，冲击作用增加80.9%；弱酸性条件与Cu2+毒性呈协同效应，弱碱性条件Cu2+可能产生Cu（OH）2沉淀而使其毒性降低。一定范围升高温度Cu2+毒性效应增强，当温度为36.6℃时Cu2+的毒性作用最大；一定范围内增加COD，有利于系统对Cu2+毒性的抵抗作用，当COD大于537 mg/L时，溶解氧变化程度逐渐降低，抵抗作用逐渐增强。

DO变化值；重金属Cu；生物抑制性；影响因素

城市污水中，重金属污染日趋严重，以Cu较为常见，其主要来源于采矿、印刷、电镀等行业的废水，给城市污水厂生化处理带来很大困难［1，2］。重金属主要通过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，阻碍活性污泥微生物正常的生理代谢功能，致使污水处理系统微生物种群结构发生改变［3］，从而影响污水处理效果和水厂的正常运营与管理。

虽然重金属对微生物的毒性作用机理没有完全界定，但相关文献指出重金属对微生物的毒性作用主要取决于其浓度和种类［4］，而Cu等重金属在各种条件影响下的毒性效应研究同样重要［6］。反应动力学方面，Pai等［5］通过研究Cu和Cd对异氧生物增长速率和自身氧化速率常数的影响，建立了一种有效的新型抑制率模拟模型，Pamukoglu等［6-8］研究了HRT和SRT等调控参数对Cu离子毒性效应的影响，发现较长HRT时，动力学修正常数对系统性能具有良好的预测能力，增加SRT对COD的去除有利。

在国内关于Cu离子在各种条件影响下对微生物的毒性效应的系统性研究较少，本文以微生物耗氧速率（OUR）为原理，DO变化为指标的测试方法，通过模拟实验研究分析MLSS，HRT、COD负荷，pH，温度对Cu离子毒性效应的影响。确定各种影响因素对微生物重金属中毒的影响程度，以期为污水处理厂的稳定高效运营提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 活性污泥重金属中毒预警装置

活性污泥重金属中毒预警装置如图1所示，活性污泥取自宜兴市某污水处理厂生化池，污水取自该污水处理厂进水，配制一定浓度含有Cu离子的重金属模拟污水。活性污泥重金属中毒预警装置包括反应器、进水、进泥设备等，反应器由有机玻璃制成，有效容积700 mL，底部设有微量曝气、搅拌器，使反应器中，泥、水、气三相均匀混合，设溶氧仪对反应器混合液DO进行连续监测。

图1 活性污泥重金属中毒预警装置示意图Fig.1 Schematic diagram of activated sludge poisoning by heavy metals equipment

1.2 试验方法

首先取自宜兴市某污水处理厂污水、污泥，通过蠕动泵按一定比例定量进入反应器，调节微量曝气阀使混合液DO在2.5±0.3 mg/L范围内，维持以上条件形成相对稳定的溶解氧值（DO1），通过调节蠕动泵的流量，控制反应器内的污泥浓度（MLSS）和水力停留时间（HRT）然后在污水中定量投加Cu。连续监测DO变化，待DO上升到最高值（DO2）记录此值。

重金属Cu由分析纯试剂CuSO4·5H2O配置而成，DO连续监测，取样间隔时间为15 s。当进水含有重金属Cu时，混合液中微生物的呼吸作用受到抑制，反应器中处于平稳状态的溶解氧值由基准值（DO1）上升到最高值（DO2），则DO变化值=（DO2-DO1）mg/L，抑制率=（DO2-DO1）/DO1*100%。

2 结果与讨论

2.1 MLSS对反应器DO变化的影响

配制废水Cu离子的浓度均为8 mg/L（以混合液计），调节进水量、进泥量，控制预警反应器中混合液停留时间（HRT）为1 min，实验时反应器混合液温度为23.2℃，使用的污泥浓度为4576 mg/L，按照梯度调节泥水比例（1：7、1：3、1：1.6、1：1、1：0.6、1：0.3），得到混合液MLSS依次为为572、1144、1760、2288、2860、3520 mg/L，废水中加入Cu离子后，预警反应器中DO变化值和抑制率的的变化情况如图2所示。

图2 不同MLSS浓度对预警反应器DO的影响Fig.2 The effect of different MLSS on DO in warning reactor

图3 不同HRT对预警反应器DO的影响Fig.3 The effect of different HRT on DO in warning reactor

由图2可知，随着MLSS浓度升高，同一浓度的Cu对预警反应器造成的冲击逐渐减弱。当MLSS为572 mg/L时，8 mg/L的Cu对活性污泥微生物产生抑制作用，系统产生DO变化为0.65 mg/L，MLSS分别为1144、1760、2288、2860 mg/L时，系统被抑制产生的DO变化分别为0.52、0.47、0.38、0.26 mg/L，当MLSS为3520 mg/L时，系统的抵抗能力达到最大，DO变化值仅为0.13 mg/L，可知当MLSS从572 mg/L增大至3520 mg/L时，DO变化值从0.65 mg/L下降至0.13 mg/L，系统对Cu冲击的抵抗能力增强80%。所以，实验结果说明一定程度增加MLSS能够增强活性污泥系统对重金属冲击的抵抗能力，减小MLSS可以起到放大重金属对活性污泥微生物的毒性作用。

2.2 HRT对反应器DO变化的影响

实验使用的污泥浓度为4576 mg/L，反应器混合液温度为23.4℃，控制预警反应器的条件，使MLSS浓度为1144 mg/L，HRT分别为0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、2.5 min、3 min，研究不同HRT条件下，8 mg/L Cu对活性污泥的生物抑制性。不同HRT条件下，DO变化值和抑制率的变化情况如图3。

从图3可以看出，不同的HRT条件下，受到相同浓度Cu冲击时，系统的受抑制情况不同。当HRT从0.5 min增至3 min时，系统的DO变化值逐渐增加，受抑制程度逐渐增强。当HRT为0.5 min时，系统受到抑制产生的DO变化值为0.42 mg/L，HRT分别为1、1.5、2、2.5 min时，系统产生的DO变化值分别为0.46、0.53、0.6、0.63 mg/L，当HRT为3 min时，抑制程度达到最大，DO变化值为0.76 mg/L，HRT从0.5 min增至3 min时，DO变化值增加了80.9%。当HRT增加时，Cu离子与微生物的接触时间增加，使得微生物被抑制的程度增强。所以，从实验结果可以看出，一定范围内增加HRT会增加重金属对系统的抑制作用，同时可以为预警反应器条件的优化提供参考。

2.3 pH对反应器DO变化产生的影响

实验使用的污泥浓度为4760 mg/L，反应器中混合液的温度为22.3℃，控制系统的反应条件，使反应器污泥浓度为1190 mg/L，HRT为2 min。调节进水pH（为酸性），最小值调至2.96，梯度约为1个pH单位；调节进水pH（为碱性），最大调至11.3，调节梯度约为0.5个pH单位。图4和图5为10 mg/L Cu分别在酸性和碱性条件下对系统进行冲击，DO变化值和抑制率的情况。

由图4可见，系统在此条件下运行时，Cu对系统产生的抑制作用随着pH的减小逐渐增大。原水pH为7.95，当10 mg/LCu对系统冲击时，DO变化值为0.86 mg/L，当按照梯度调节进水pH分别为6.9、5.95、4.85、3.93时，系统均产生不同程度的抑制作用，DO变化值分别为0.91、1.01、1.03 mg/L，当进水pH为2.96时Cu对系统产生的抑制作用最大，DO变化值达到1.11 mg/L。综上所述，当进水pH为酸性时，能够增加Cu离子对活性污泥微生物的毒性，表现出毒性协同作用。

系统运行条件保持一致，碱性条件下Cu对系统的冲击情况与酸性条件时有所区别，碱性条件下系统的DO变化情况见图5。

图4 不同pH（酸性）对预警反应器DO的影响Fig.4 The effect of different pH（acid）on DO in warning reactor

图5 不同pH（碱性）对预警反应器DO的影响Fig.5 The effect of different pH（alkaline）on DO in warning reactor

由图5可以看出，进水在碱性条件下时，Cu对系统产生冲击作用，随着pH的增加冲击作用变化不明显。进水pH在7.85～10.83之间时，DO变化值在0.57～0.78 mg/L之间变化。当进水pH为8.83时，DO变化值最小为0.57 mg/L，说明在弱碱性条件下，Cu对活性污泥微生物的毒性效应减弱，这是由于Cu离子与碱性条件的OH-结合形成Cu（OH）2沉淀，从而降低Cu的毒性效应。因此，可以通过利用碱性废水与酸性含铜废水进行一定比例的混合，来达到降低Cu毒性效应的作用，削弱其对污水厂生化池活性污泥微生物的冲击，对污水厂的稳定运营具有实际的意义。

2.4 温度对反应器DO变化产生的影响

实验使用的污泥浓度为4808 mg/L，反应器混合液的温度为23.3℃，控制系统反应条件，调节泥水比，使反应器的MLSS浓度为1202 mg/L，HRT为1 min。在此条件下运行时，通过改变进水温度，使反应器混合的温度升高，按照一定的梯度控制混合液的温度分别为23.3、28.0、32.8、36.6、40.0、43.0℃，与温度对应的DO变化情况见图6。

从图6可以看出，不同温度使得Cu离子对系统产生不同程度的抑制最用。当温度低于36.6℃时，Cu对系统的抑制作用随着温度的升高而增加，23.3℃时抑制作用最小，DO变化值为0.36 mg/L，当温度升高至36.6℃时，Cu对系统的抑制作用达到最大，DO变化值为0.53 mg/L。而当温度超过36.6℃时，DO变化值又逐渐减小。重金属Cu的毒性随着温度升高而增加的现象可以解释为活性污泥微生物随着温度的逐渐升高，其活性增强，对抑制性物质的敏感性提高，表现为抑制性逐渐增强。所以，当微生物处于最适宜温度时，活性最大，对重金属Cu的敏感性增加，而当温度超过最适温度时，微生物活性下降，对Cu离子毒性的敏感程度下降，DO变化值减小。

2.5 COD负荷对反应器DO变化产生的影响

实验过程中使用的MLSS浓度为4464 mg/L，反应器混合液的温度为22.3℃，调节泥水的流量及比例，控制系统的反应条件为HRT=2 min，MLSS为1116 mg/L。在条件不变的情况下，通过改变进水COD负荷，研究不同进水COD负荷条件下，8 mg/LCu对系统产生抑制的影响程度。随着进水COD负荷增加，Cu对系统的抑制情况见下图7。

由图7可知，在此运行条件下，Cu对系统的抑制作用随着进水COD负荷的增加呈现波动性的抑制现象。当进水COD负荷在219 mg/L到431 mg/L时，Cu对系统的毒性影响变化不明显，DO变化值在0.7～0.72 mg/L之间；而当COD大于537 mg/L时，DO变化逐渐降低，进水COD为537 mg/L时，DO变化值为0.77 mg/L，进水COD分别为643、749、855 mg/L时，对应的DO变化值分别为0.76、0.68、0.65 mg/L，当进水COD为961 mg/L时，DO变化值最小为0.5 mg/L。所以，进水COD负荷对Cu的毒性具有一定程度的影响作用，适当的增加进水COD负荷可以一定程度的缓解重金属Cu对活性污泥微生物的抑制作用，这与荣宏伟等研究的结论相一致［11］。

图6 不同温度对预警反应器DO的影响Fig.6 The effect of different temperature on DO in warning reactor

图7 不同COD负荷对预警反应器DO的影响Fig.7 The effect of different COD on DO in warning reactor

3 结论

（1）一定条件下提高MLSS可以有效的削弱重金属Cu对活性污泥微生物的抑制作用。当MLSS从572 mg/L增大至3520 mg/L时，Cu对活性污泥微生物的毒性减少了80%；一定程度提高进水COD负荷有利于污泥微生物对Cu离子的抵抗作用。

（2）进水为酸性条件时能够促进Cu离子对活性污泥的毒性作用，原水pH为7.95降低至2.96时，Cu的毒性增加32.6%；而当进水为弱碱性条件时，可以一定程度的缓解Cu对污泥微生物的毒性作用，当进水pH为8.83时，Cu的毒性最小，毒性较原水条件下减小26.0%。

（3）一定范围内Cu离子微生物的毒性效应随温度升高而增加，是因为适当提高温度使微生物的活性增强，对Cu离子的敏感性提高，毒性增加；当温度超过36.6℃时，微生物活性降低，敏感性随之降低，毒性减小，表现为DO变化值减小。所以同等条件下，污水厂在夏季比冬季更易受重金属类毒性物质影响；一定范围内增加HRT会增加Cu离子对活性污泥微生物的抑制作用，当HRT从0.5 min增加到3 min时，冲击作用增加80.9%。

［1］Hammaini A，Ballester A，Blázquez M L，et al.Effect of the presence of lead on the biosorption of copper，cadmium and zinc by activated sludge［J］.Hydrometallurgy，2002，67：109-116

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［3］Stasinakia A S，Mamais D，Thomaidis N S，et al.Effect of chromium（VI）on bacterial kinetics of heterotrophic biomass of activated sludge［J］.Water Research，2002，36（13）：3341-3349

［4］吴永贵，熊焱，林初夏，等.不同形态P对Cu、Zn、Cd联合生物毒性效应的影响［J］.环境科学学报，2006，26（12）：2045-2051

［5］Pai T Y，Wang S C，Lo H.M，et al.Novel modeling concept for evaluating the effects of cadmium and copper on heterotrophic growth and lysis rates in activated sludge process［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，166（1）：200-206

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［9］荣宏伟，李健中，张可方.环境因素对铜离子毒性的影响［J］.广州大学学报（自然科学版），2011，10（2）：74-78

The Judgement of the Influence Factors on Sludge Activity Inhibited by Copper Ion from Dissolved Oxygen Change

ZHAO Wen-yu1，2，WANG Qing1，LU Yan-qin1，2*，WANG Zhe1，LI Dong-hui1
1.College of Environmental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China
2.Research Center of Guangxi Mining Industry and Environmental Science，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China

In this paper，in order to provide reference for heavy metals wastewater treatment and wastewater treatment plant influent shock prevention，dissolved oxygen（DO）mutation index was used to study the effect of the toxicity of Cu2+on the microbial activity in different conditions by controlling environmental factors such as MLSS，HRT，pH，temperature and COD load.The results showed that increasing the concentration of activated sludge was obvious in improving the capacity of microorganism in resisting to the toxicity of Cu2+.When the system was impacted by 8 mg/L Cu2+，MLSS increased from 500 mg/L to 3000 mg/L，DO mutation decreased from 0.65 mg/L to 0.13 mg/L，inhibition rate decreased by 80%.When HRT of the system increased from 0.5 min to 3 min，DO mutation increased from 0.42 mg/L to 0.76 mg/L，inhibition rate increased by 80.9%.The pH was cooperative with the toxicity of copper ions at the condition of weak acid.The toxicity of Cu2+would reduce in the situation of alkalescence，because copper ions will react to precipitation as cupric hydroxide.Certain range of raising the temperature would increase the toxicity of copper ions，it would be the maximum toxicity when the temperature raised to 36.6℃.Increasing the COD in a certain range would be favorable for the system to resist the toxicity of Cu2+，DO mutation decreased steadily and the resistant enhanced gradually when the COD was more than 537 mg/L.

Dissolved oxygen mutation；Cu；biological inhibitory；influence factors

［TU992.3］

A

1000-2324（2015）01-0038-05

2013-03-11

2013-03-22

广西高校科学技术研究重点项目（2013ZD032）；“广西危险废物处置产业化人才小高地”资助

赵文玉（1973-），副教授，研究方向为水处理理论与技术.E-mail：zhaowenyu@glut.edu.cn

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail：luyanqin@glut.eud.cn