铁盐和铝盐对活性污泥中微生物的毒性研究进展

刘弯弯 路达 梁淑轩

摘 要：人们进行了大量关于絮凝剂毒性效应的研究，本文总结了铁盐和铝盐絮凝剂对活性污泥中的微生物所产生的毒性影响，整体来看：铁盐和铝盐对污水中的微生物有抑制、促进和低浓度促进高浓度抑制三种不同的影响。建议寻找一种最理想的方法来评价絮凝剂对污水处理系统微生物的影响；着力研发无毒的絮凝剂，逐步取代有副作用的絮凝剂；选择絮凝剂时应全方面考虑，提高效率降低毒性。

关键词：铁盐絮凝剂；铝盐絮凝剂；微生物；毒性

絮凝过程作为众多水处理工艺流程中不可缺少的前置关键环节，且由于它具有经济、简便等优点，也是国内外水处理领域最常用的方法[ 1 ]。在污水处理中使用的絮凝剂种类繁多用量大，在对污水处理效果起到积极作用的情况下，残留在水中和污泥中的絮凝剂及其副产物也不可避免的给环境和生物带来潜在风险。这些絮凝剂残留在水中的成分对活性污泥中的微生物的毒性问题也越来越引起人们的关注。有关铝盐絮凝剂和高分子絮凝剂单体的毒性已有较多报道[ 2-3 ]。铁盐絮凝剂相对于铝盐絮凝剂，残留量小、生态毒性小，而关于这些铁盐絮凝剂的生态影响数据目前还鲜有报道[ 4 ]。

为了更清楚的了解絮凝剂对各方面产生的风险大小，给污水处理中絮凝剂的使用提供更为科学安全的使用指南，国内外许多学者已经以不同的动植物、微生物等作为受试生物进行了多方面的研究。下面是国内外学者对铁铝无机絮凝剂对活性污泥中的微生物毒性的研究进展。

1 铁盐对活性污泥中微生物的影响

铁盐在水处理中的大量应用对活性污泥系统的影响已引起了学者们的关注。有研究发现Fe2（SO4）3在20～60mg/L时对污泥的活性指标脱氢酶活性、比耗氧速率、胞外聚合物影响不明显，污染物的去除率随着投加量的增加而增大，在80mg/L时，污泥活性指标开始下降，100mg/L时对污泥活性的抑制率进一步增大，且污染物的去除率降低[ 5 ]。

在Fe3+浓度小于10mg/L时，COD代谢正常且略高于空白，但随着时间的延长，出现累计毒性；浓度大于15 mg/L时，毒性效应增大，COD代谢能力降低；大于20mg/L后开始出现中毒现象，活性污泥好氧速率下降；大于100mg/L后出现急性中毒现象，COD代谢能力下降[ 6 ]。

含有5% Fe3+的活性污泥系统比空白系统的脱氢酶活性和电子传递体系活性提高了50%左右[ 7 ]。通过观察微生物的生长曲线，Fe3+浓度在0-50mg/L时对制浆中断废水好氧活性污泥中的微生物有促进作用，在最佳用量30mg/L时，加Fe3+组比空白组的COD和污染物的去除率都高，且脱氢酶活性也高于空白组[ 8 ]。复合铁酶促活性污泥较普通活性污泥的电子传递体系活性、脱氢酶活性和平均氨氮硝化率分别提高62.5%、17.97%和9.1%，在好氧反应前30min，复合铁酶促活性污泥系统和普通活性污泥系统的硝化速率分别为10.92和3.28mgN-NH4+/h[ 9 ]。

当铁盐用于化学同步除磷时，Fe3+使污泥的MLVSS从0.25 mg/L下降到0.2mg/L，停药后迅速恢复，Fe2+使MLVSS从0.25 mg/L下降到0.18mg/L，停药后恢复速度较Fe3+慢，两种铁盐都使亚硝化菌和硝化菌呼吸速率下降，且Fe2+下降更明显，停药后没有恢复的趋势[ 10 ]。以三价铁为化学除磷剂的南北方两座污水厂，对活性污泥呼吸速率（OUR）都产生了抑制，但抑制程度不同[ 11 ]。

综上，由于学者所采用的污泥活性指标、浓度范围不一，得出的结论不尽相同，总之铁盐对微生物的影响分为在低浓度时对污泥活性有促进作用或者作用不明显，随着浓度升高逐渐产生抑制作用、只产生抑制作用和只产生促进作用三种。所使用的指标包括脱氢酶活性、比耗氧速率、污染物去除率、胞外聚合物、电子传递体系活性、微生物的生长曲线、亚硝化菌和硝化菌呼吸速率。

2 铝盐对活性污泥中微生物的影响

铝盐絮凝剂在水处理应用中对处理系统产生的影响也越来越引起人们关注。有人发现高投加量下，聚合态较游离态铝对活性污泥的脱氢酶活性和呼吸速率影响小。随接触时间增长，铝盐对活性污泥的抑制作用也随之增大。提高活性污泥浓度，微生物的耐受力也有所增强，二次暴露试验表明铝盐对活性污泥的影响是非急性的、可逆的[ 12 ]。

有学者发现低浓度下硫酸铝对污泥OUR抑制较轻，高浓度下30min内OUR下降50%。人工修复后，可加速活性恢复，但短期内难恢复原水平[ 13 ]。有人得出Al對活性污泥的呼吸抑制率达5%和50%时的浓度分别为7mg/L和87.5mg/L，且为可逆抑制作用[ 14 ]。通过测定产甲烷活性，发现铝盐使厌氧颗粒污泥的活性明显降低，但可通过驯化来消除铝盐毒性，且清除铝盐后活性可恢复。氯化铝对厌氧颗粒污泥活性的半数抑制浓度在135mg/L左右[ 15 ]。另有学者发现氯化铝对好氧微生物活性的半数抑制浓度在12-19mg/L间[ 16 ]。

以比耗碳源速率作为测试指标，发现在PAC浓度为7.5mg/L时对微生物没有影响，10mg/L時产生抑制作用，得出PAC的投加量不宜超过12.5mg/L[ 17 ]。还有人发现在Al投加量为5mg/L时，对活性污泥中微生物的呼吸速率没有影响，且对有机物的去除效率提高，大于25mg/L时，对活性污泥产生毒性影响，并使整体污染物的去除效果下降[ 6 ]。在加入絮凝剂一段时间后，絮凝剂对活性污泥OUR的抑制率由高到低的顺序为PAC>AlCl3>Fe2（SO4）3，加入絮凝剂的砂滤器出水作为反洗水对活性污泥中的微生物没有明显的影响，但导致活性污泥总的无机物组分增多[ 17 ]。在使用PAC作为除磷剂时，发现由于二沉池产生的化学污泥不经沉淀直接回流至生物反应池，造成对微生物种群结构、微生物数量、污泥浓度、污泥指数的不利影响，且对二沉池和反硝化生物滤池产生负面效果，使最终出水水质超标。并且发现随着化学污泥进入生物系统，微生物的好氧速率降低[ 18 ]。有研究发现三价铝盐和铁盐在南北方污水处理厂的除磷应用中对OUR产生抑制作用但存在差异，且铝盐较铁盐抑制作用更明显[ 11 ]。

投加PAC的反应器中单位质量污泥的生物量约提高了3倍，单位体积污泥中的细菌总数较空白增加但氨氧化细菌和亚硝化氧化细菌数量基本没有变化，COD和磷的去除率高于空白[ 19 ]。

综上，因不同学者使用的测定方法、药剂浓度、污泥活性指标不一致，得出了低浓度铝盐对活性污泥中的微生物产生轻度抑制作用或促进作用，高浓度铝盐产生严重抑制，且抑制为可逆的，只有促进作用和只有抑制作用三种结论。

3 结论及建议

铁盐和铝盐对活性污泥中的微生物活性的影响有三种结论，分别为：低浓度时促进高浓度时抑制、只有促进作用和只有抑制作用三种结论。

在絮凝剂普遍大量应用的情况下，它们的使用对活性污泥中的微生物活性存在风险，且已经被很多研究证明。

现提出以下几点建议：

1）加强絮凝剂对活性污泥中微生物的毒性研究，建立统一的毒性测试方法；

2）不断研发新型高效无毒的絮凝剂来替代有使用风险的絮凝剂，或采用絮凝剂联合使用的手段来降低毒性作用；

3）选择絮凝剂时应从用量、种类、处理效果、毒性大小、操作环境等方面考虑 。

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基金项目：

国家自然科学基金资助项目（51308179）；

河北省教育厅青年基金资助项目（QN20131016）；

保定市科技发展计划项目（12ZF087）；

河北大学自然基金资助项目（2012-238）

作者简介：

路达（1972-），男，内蒙古乌海人，河北大学副教授，博士， 研究生导师，主要从事水处理药剂研究。