Cd(II)对SBR生物除磷系统影响的实验研究

李 师，王 毅

（1.武汉启瑞药业有限公司，湖北武汉430223；2.三川德青科技有限公司，湖北武汉430075）

SBR（序批式活性污泥法）由活性污泥法基础上发展而来，功能包括均化、初沉、2 沉、生物降解等，具有处理设备少、投资低、构造简单、污泥不易膨胀、耐冲击负荷、便于操作和维护管理等优点，在废水的生物除磷方面得到广泛应用。重金属离子在污水中是1类既不能被微生物所降解，也不能被水体自身的自净作用所清除的污染物，微量重金属离子可作为微生物生长所需的营养物质和微生物机体及各种酶的组成部分，但浓度过高的重金属离子反而会造成毒害作用，使微生物中毒甚至死亡，从而影响最后微生物对污水的处理效果［1］。在众多的重金属离子中，2 价镉离子（Cd（II））因其高毒性及其与生物分子的高反应活性，成为降低污水处理效率的重要因素［2］，因此必须引起重视。

1 材料与方法

1.1 模拟生活污水

实验模拟生活污水采用人工配备，污水主要成分见表1。

表1 污水配置方案

1.2 实验污泥的驯化培养

实验用活性污泥取自某污水处理厂曝气池，为保证活性污泥处于最佳状态，在实验前对其进行培养、驯化。实验采用充氮气保持厌氧，充氧气维持好氧。污泥培养时采用厌氧—好氧交替方式进行，以利于聚磷菌繁殖。驯化时每d 换水1 次，保持反应器中温度在20±1 ℃，pH 值在7.0±0.5。经过1 段时间驯化后，污泥呈黄褐色，沉淀性能良好，TP去除率达到80%以上，至此，污泥驯化成熟。

1.3 Cd(II)溶液

用分析纯3CdSO4·8H2O 配置成含一定体积质量浓度的Cd(II)溶液待用。

1.4 实验装置

具体实验装置见图1。

图1 实验装置

1.5 实验设计与方法

1.5.1 SBR 除磷标准时序的确定在SBR 工序的进水、反应、沉淀、出水、闲置5 个阶段中，进、出水及闲置时间对除磷效果影响较小，故将反应和沉淀时间作为影响因素，其中反应时间又分为厌氧时间和好氧时间，从而选出厌氧时间、好氧时间和沉淀时间3个因素，制定出3因素3水平正交表，得到9个工况，并测定9个工况中进出水的COD 和总磷浓度，见表2。

表2 正交实验设计因素及水平

1.5.2 Cd(II)对SBR 系统的影响实验实验初始条件（包括活性污泥和人工污水）、操作参数（包括pH值、DO 等)与驯化培养时间相同，但除磷厌氧阶段DO 低于0.2 mg/L、好氧阶段DO 应保持2～4 mg/L。在基于SBR除磷标准时序下，设定外加Cd2+浓度为0、5、10、20、30、40、50、60 mg/L，并在厌氧段和好氧段设置5 个取水样时间点：厌氧段取水样时间为15、30、60、90、120 min，好氧段取水样时间为1、2、3、4、5 h。测定出水样混合液DO、MLSS、COD、TP，最后将实验结果进行计算分析。

2 结果与讨论

2.1 SBR生物除磷系统标准时序的确定

为探究SBR 生物除磷系统对Cd(II)胁迫的响应，每个周期进水2.3 L，混合液3.5 L，对9 种工况运行结果进行3因素3水平正交，结果见表3。由表3 可见，根据总磷去除率、COD 去除率得出最优工况为A3B3C3、A2B3C2，此实验研究Cd(II)对生物除磷的影响，且基于总磷极差（14≤R≤26.2）远大于基于COD 的极差（1.9≤R≤5.6），因此选取总磷去除率为决定因素，最优工况为厌氧2 h、好氧5 h、沉淀1.5 h，则SBR 除磷标准时序为瞬时进水→厌氧反应2 h→好氧反应5 h→沉淀1.5 h→瞬时出水。

表3 正交实验结果分析

2.2 Cd(II)对总磷的影响

2.2.1 Cd(II)对总磷去除的影响总磷浓度随时间变化曲线见图2。

图2 总磷浓度随时间变化

由图2 可见，0～120 min 时总磷呈上升趋势；而120～420 min时，总磷呈下降趋势，验证了聚磷菌厌氧释磷好氧吸磷的特性。Cd(II)浓度为0～10 mg/L时，出水的总磷浓度明显降低，总磷去除率在73%以上；当Cd(II)浓度为20 mg/L 及以上时，厌氧释磷量、吸磷量明显变小，出水总磷浓度相比对照组有所升高，且Cd(II)浓度为20、30、40、50、60 mg/L 时，在进水TP 浓度均为4 mg/L 的情况下，最终出水TP浓度分别为1.203、1.352、1.772、1.996、2.104 mg/L，即随着Cd(II)浓度增大，总磷去除率逐渐降低，除磷效率将显著下降。

2.2.2 Cd(II)对厌氧段比总磷释放率的影响厌氧段Cd(II)对比总磷释放率的影响见图3。

图3 厌氧段Cd(II)对比总磷释放率的影响

由图3可见，厌氧段比总磷释放速率总体趋势是随时间逐渐降低，且在厌氧反应的最后30 min总磷释放速率逐渐趋于平稳，说明聚磷菌对磷的释放逐渐趋于饱和状态。厌氧段在0～10 mg/L Cd(II)浓度时比总磷释放速率高于对照组的，而其它浓度的比总磷释放速率则明显要低于对照组且随着Cd(II)浓度的升高比总磷释放速率逐渐减小，说明含有微量的Cd(II)对聚磷菌厌氧释磷有一定的促进作用，而当Cd(II)浓度为20 mg/L 及以上时对聚磷菌厌氧释磷具有抑制作用，且抑制作用随着Cd(II)浓度的升高而增强。

2.2.3 Cd(II)对好氧段比总磷吸收率的影响好氧段比总磷吸收率随反应进行呈减少趋势。好氧段在Cd(II)浓度为0～10 mg/L 时比总磷释放率高于对照，其它浓度比总磷释放率则低于对照且随着浓度升高比总磷释放率逐渐下降，表明含有微量的Cd(II)对聚磷菌好氧摄磷有促进作用，当Cd(II)浓度为20 mg/L 及以上时对聚磷菌好氧摄磷具有抑制作用，且抑制作用随着Cd(II)浓度的升高而增强。

2.3 Cd(II)对COD去除的影响

不同Cd(II)浓度下COD 变化趋势呈随时间的增长而逐渐减小的十分相似的规律，说明在Cd(II)0～60 mg/L 的胁迫下，COD 在厌氧和好氧条件仍表现为降解作用。

Cd(II)浓度为50、60 mg/L 时，COD 浓度明显高于对照组和其它实验组，而Cd(II)浓度低于40 mg/L时COD 浓度低于对照组，说明Cd(II)浓度在0～40 mg/L 对COD 的降解呈促进作用，而Cd(II)浓度在50 mg/L 以上则会对COD 的降解产生抑制，其可能原因为高浓度的重金属离子会导致微生物活性降低甚至死亡，从而使得活性污泥分解有机物的能力有所降低［3］。与磷的去除相比，COD 的去除对Cd(II)有更高的耐受浓度，这可能是因为COD 主要由一些异养菌去除，而异养菌对重金属毒性有更显著的耐受作用［4］。

在Cd(II)浓度为0～40 mg/L 时COD 去除率均在83%以上，而50mg/L 以上COD 去除率则逐渐减少至80%以下，这与上述结论是一致的。随着Cd(II)浓度升高去除率逐渐减低，而Cd(II)浓度为5 mg/L时，COD去除率达到最大，为90.3%［5］。

3 结束语

通过3 因素3 水平正交实验表明，SBR 生物除磷系统标准时序为运行周期8.5 h，即瞬时进水→厌氧反应2 h→好氧反应5 h→沉淀1.5 h→瞬时出水。在标准时序下，Cd(II)浓度在10 mg/L 以下时，对SBR 生物除磷系统的厌氧释磷和好氧摄磷表现为促进作用，而超过20 mg/L 则表现为抑制作用，且Cd(II)浓度越高，其抑制作用越强。Cd(II)浓度在40 mg/L 以下时，对SBR 生物除磷系统COD 去除表现出促进作用，超过50 mg/L则表现出抑制作用。