溶解氧突变指数对活性污泥重金属中毒的预警

陈亚松，杜 郁，杨广文，赵文玉，陈振国

(1.北京建工环境发展有限责任公司，北京 100192;2.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004)

目前，污水处理技术领域中，活性污泥法仍是应用最广泛的技术之一［1，2］。当污水处理厂废水中含有生物抑制性物质时，如重金属离子，会对活性污泥造成中毒，甚至破坏整个生化系统［3］，给污水处理厂运营与管理带来不便。因此，研究重金属离子对活性污泥的影响，早期预警活性污泥中毒与否，对污水处理厂的稳定运行具有重要的意义。

国内外众多学者以动植物［4，5］、发光细菌［6］、硝化细菌［7］、微生物电流［8］以及呼吸速率［9］等为受试生物或指标进行活性污泥中毒的预警方法研究。其中以发光细菌法的研究和应用较多，但该方法具有发光强度本底值相差较大、发光幅度宽的问题且难以实现在线预警监测。而其他的预警方法大多存在结果重现性差，甚至相互矛盾的问题，理论与实际应用的差距较大［10］。基于活性污泥呼吸速率(OUR)，利用污水处理厂生化污泥的活性判断进水水质变化的预警方法，已经得到了开发和应用［11］。在此原理基础上，本课题组研究基于活性污泥溶解氧(DO)突变的污泥中毒预警方法［12］，解决了OUR法中测定溶解氧差值的系统误差问题。本研究模拟污水厂受Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+4种重金属冲击，以 DO 突变为预警指标优化活性污泥重金属中毒测试条件，为污水处理厂的稳定运行和应急管理提供技术方法。

1 材料与方法

1.1 活性污泥重金属中毒预警系统

活性污泥重金属中毒预警系统如图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，分别配制成含有不同浓度Cu2+、Cr6+、Pb2+、As5+4 种重金属的模拟废水。活性污泥重金属中毒预警系统包括反应器、进水、进泥设备等，预警反应器由有机玻璃制成，有效容积为700 mL，底部设有微量曝气、搅拌系统。配置的污水和取自污水厂的污泥通过蠕动泵进入预警反应器中，对反应器进行微量曝气至溶解氧为恒定值，泥、水、气在密闭的预警反应器内实现均匀混合和反应，溶氧仪每隔15 s对DO进行连续监测。

图1 活性污泥重金属中毒预警系统图Fig.1 Early Warning System of Activated Sludge Poisoned by Heavy Metals

1.2 试验方法

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预警反应器，调节微量曝气至DO在2～3.5 mg/L，维持以上条件形成相对稳定的溶解氧值(DO1)，然后在污水中投加不同种类重金属离子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+)，配成不同重金属浓度(3、8和15 mg/L)的进水，连续监测 DO变化，待DO上升到最高值(DO2)，每种重金属废水完成一个周期的毒性监测后，停止含重金属废水的进水，转换为原污水进水，待DO稳定到2～3.5 mg/L时，再次通入另外一种含重金属废水进行试验，待DO上升到最高值(DO2)，停止含重金属污水的进水，依次重复步骤。通过调节蠕动泵的流量，控制预警反应器内的污泥浓度(MLSS)和水力停留时间(HRT)，优化测定参数。

重金属溶液均由分析纯试剂配制而成，DO连续监测，间隔时间15 s。当进水含有重金属时，其溶解氧值由基准值(DO1)上升到最高值(DO2)，则DO突变值=(DO2-DO1)mg/L。

2 结果与讨论

2.1 不同种类重金属对活性污泥DO突变的影响

配制废水的金属离子浓度均为15 mg/L，调节进水量、进泥量，控制预警反应器中泥水比为1∶3，MLSS为1 000 mg/L，混合液HRT为1 min，废水中加入4种重金属离子后，预警反应器中DO随时间的变化如图2所示。

图2 不同种类重金属对活性污泥DO值的影响Fig.2 Effect of Four Heavy Metals on DO Mutation of Activated Sludge

由图2可知废水中加入重金属离子后，活性污泥中DO均发生明显突变，且DO突变的程度与重金属种类有关。金属离子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和As5+)产生 的 DO 突 变 量 分 别 为 0.87、0.6、0.4、0.75 mg/L。重金属离子会抑制活性污泥的呼吸速率，导致DO快速上升，以上重金属离子对活性污泥中微生物均有明显的抑制作用，其中Cu2+对活性污泥活性抑制能力最强，DO突变量为0.87 mg/L;其次为As5+，其DO突变量为0.75 mg/L;Cr6+对活性污泥产生冲击使DO突变量为0.6 mg/L;对活性污泥抑制最小的是Pb2+，DO突变量为0.4 mg/L。DO突变量直接反映了4种重金属离子致污水处理厂活性污泥中毒的程度。由于不同重金属离子试验的条件相同，4种重金属对活性污泥产生毒性大小的顺序为Cu2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+。其中Cu2+＞ As5+＞Cr6+的毒性顺序与Fulladosa等［13］研究结论一致，Jang-Cheon Cho等［14］利用发光细菌在实验室条件下对不同重金属毒性大小进行研究，结果与本研究基本相同。而Pb2+毒性与其有所差异，主要是因为受试对象和环境条件的差异，本研究所取的活性污泥，由于该厂含高比例的工业废水，其污泥中累积的铅浓度高达142 mg/kg，活性污泥受含铅废水的驯化，具有一定的耐受能力。因此，活性污泥DO突变能有效预警不同种类重金属对污水处理厂活性污泥产生的毒性。

2.2 不同浓度重金属离子对活性污泥DO突变的影响

为了验证活性污泥对重金属浓度灵敏度，研究不同浓度Cu2+、As5+两种重金属对活性污泥DO的变化的影响(如图3所示)，控制反应器中泥水比为1∶3、MLSS 为1 000 mg/L、混合液 HRT 为 1 min。不同浓度Cr6+和Pb2+两种重金属对活性污泥DO变化的影响如图4所示，控制反应器中泥水比为1∶3、MLSS为1 000 mg/L、混合液HRT为2 min。

图3 不同浓度Cu2+、As5+对活性污泥DO的影响Fig.3 Effect of Different Dosages of Cu2+ ，As5+on DO Mutation of Activated Sludge

由图3可知在不同As5+浓度下，活性污泥均表现出明显的DO突变，且随着As5+浓度的增加，DO突变量逐步增大。当进水As5+浓度为3、8、15 mg/L时，活性污泥相应的 DO 突变量分别为0.32、0.54、0.75 mg/L。表明随着进水As5+浓度的增高，其对活性污泥的抑制性逐步增强，并存在一定的剂量-效应关系。保持上述条件不变，不同浓度的Cu2+对活性污泥也会引起明显的DO突变，但DO突变量并没有随着Cu2+浓度的升高而显著增大，DO突变量基本在0.84 mg/L左右。这可能是由于在此MLSS与HRT运行条件下，进水3 mg/L Cu2+浓度对活性污泥的抑制就已达到上限，继续增加浓度其抑制性并没有明显增强，Cu2+对活性污泥抑制最为灵敏，这与胡洪营等［11］在昆山市污水厂的研究结果一致。因此，采用DO突变量能快速灵敏探测到进水中低浓度重金属，预警进水重金属离子对污水处理厂活性污泥的毒性作用。

图4 不同浓度Cr6+、Pb2+对活性污泥DO的影响Fig.4 Effect of Different Dosages of Cr6+ ，Pb2+on DO Mutation of Activated Sludge

由图4可知随着Cr6+浓度的增加，活性污泥DO突变量逐渐升高。当进水Cr6+浓度为3 mg/L时DO突变量为0.27 mg/L;8 mg/L时DO突变量为0.39 mg/L;15 mg/L 时DO 突变量为0.53 mg/L。表明随着进水Cr6+浓度的增高，其对活性污泥的抑制作用逐步加强，存在剂量-效应关系。保持上述条件不变，不同浓度的Pb2+均对活性污泥产生DO突变，但DO突变量并没有随着Pb2+浓度的升高而显著增大，DO突变量基本在0.31 mg/L左右。这可能是因为所取污水厂污泥中含有大量的铅，污泥经过长期的驯化，其对Pb2+有较强的耐受能力，能够承受一定浓度范围内Pb2+的毒性。

2.3 不同MLSS对DO突变的影响

不同浓度的活性污泥对重金属的耐受能力一般是不同的。以Pb2+为代表，分别在三种不同的Pb2+浓度、不同的MLSS浓度下，进行DO突变的试验，结果如图5所示。

由图5可知当废水中Pb2+浓度在3、8、15 mg/L时，2 000 mg/L MLSS的DO突变量低于1 000 mg/L MLSS的 DO 突变量(0.4～0.48 mg/L)。同时，当MLSS为1 000 mg/L时，不同浓度Pb2+毒性差别较小，与图4中结果一致。但当MLSS为2 000 mg/L时，其DO突变量随着Pb2+浓度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+为 3 mg/L)增高至0.3 mg/L(Pb2+为15 mg/L)。因此，污泥浓度对DO突变量的影响较大，特别对提高预警的精度和阈值范围有较大的影响，提高污泥浓度可以削弱Pb2+对活性污泥微生物的抑制作用，采用1 000 mg/L活性污泥来预警重金属中毒相对更灵敏。

图5 MLSS对活性污泥Pb2+中毒DO突变的影响Fig.5 Effect of MLSS on DO Mutation of Activated Sludge Poisoned by Pb2+

3 结论

(1)不同种类重金属对活性污泥均有不同程度的抑制作用。15 mg/L Cu2+对活性污泥的影响最大，DO突变量为0.87 mg/L。Pb2+产生的影响最小，DO突变量为0.40 mg/L。不同金属离子对活性污泥毒性大小的顺序为Cu2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+，因此活性污泥对不同重金属具有不同的灵敏度。

(2)随着As5+和Cr6+浓度增加，对活性污泥抑制性越强，当其浓度由3 mg/L增加到15 mg/L时，对应的DO突变量由0.32和0.27 mg/L分别上升至0.75和0.53 mg/L。当 Cu2+为3 mg/L 时对活性污泥抑制就达到最大，继续增大Cu2+浓度，其DO突变值变化不大;Pb2+随着浓度增加DO突变量并未明显改变，可能与受试污泥对Pb2+的耐受能力有关。

(3)不同污泥浓度对DO突变量的影响较大，以Pb2+为例，提高MLSS至2 000 mg/L时，其DO突变由0.4 ～0.48 mg/L 降低至0.16 ～0.3 mg/L，且在此污泥浓度下，DO突变量随着Pb2+浓度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+为 3 mg/L)逐渐增高至0.3 mg/L(Pb2+为15 mg/L)。

(4)利用DO突变对废水的毒性进行预警，能够判别4种重金属离子对活性污泥的生物抑制作用，在一定程度上能够对进水毒性物质如重金属进行监控预警。但是，由于污水处理厂废水成分的复杂性，针对不同污水厂的废水特征、生物抑制性物质种类，有待进一步深入研究，为污水处理厂生化处理系统稳定运行提供预警方法。

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