铝盐混凝剂的投加对活性污泥微生物活性的影响

王 森，张 丹，王学川，姜红林，王建华

（1.陕西科技大学，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安710021；2.浙江永泰纸业集团股份有限公司，浙江富阳311421）

铝盐混凝剂的投加对活性污泥微生物活性的影响

王 森1，张 丹1，王学川1，姜红林1，王建华2

（1.陕西科技大学，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安710021；2.浙江永泰纸业集团股份有限公司，浙江富阳311421）

通过投加PAC对驯化污泥的破坏性试验，研究了各浓度PAC对TTC-ETS、SOUR、AUR及COD去除率、TP去除率、氨氮去除率的影响，并测定水中残留的铝离子。结果表明，PAC投加量在0～60 mg/L时，对TTC-ETS和SOUR均有一定促进作用，COD及TP去除率达到或接近最大值。但随着PAC的增加，对TTC-ETS和SOUR呈现一定抑制作用，COD、TP的去除率也随之下降。不论PAC浓度高低，都会对AUR和氨氮的去除率产生一定的抑制。铝离子在水中的残留量会随着PAC投加量的增加而升高，但90%以上会被转移到污泥中排出。

聚合氯化铝；混凝剂；微生物活性；铝离子残留

活性污泥法是目前应用最广泛的废水处理方法。活性污泥性能的好坏对处理效果非常关键，而活性污泥微生物的活性决定对废水的处理效果。混凝法作为废水生物处理的常用预处理方法之一，主要起到2个作用：（1）投加混凝剂到活性污泥系统前的初沉池，主要起化学絮凝去除无机悬浮物和胶体粒子的作用；（2）投加混凝剂到活性污泥系统中，起到化学强化混凝生物氧化去除污染物的作用。

铝盐混凝剂是目前广泛应用的无机盐类混凝剂，而聚合氯化铝（PAC）又是使用最广泛的铝盐混凝剂〔1〕。与其他混凝剂相比，PAC具有应用范围广、沉淀性能好、pH适用范围较宽、水温低时仍可保持稳定的混凝效果、对处理设备腐蚀较小的优点。PAC混凝剂的投加点一般是一沉池或好氧生物曝气池，有时由于泥水分离的问题还会投加到二沉池。但无论在哪个位置投加，PAC都会产生一定浓度的Al3+，当污水处理反应器中残留的Al3+浓度达到一定值时，会对活性污泥中的微生物活性造成不良影响，从而直接影响水处理效果及水处理工艺的运行〔2〕。近几年，国内外许多研究者已就一些特殊重金属离子对微生物活性的影响作了部分研究，但具体到某种混凝剂的添加及残留对活性污泥活性的影响研究较少〔3〕。因此，笔者探讨了PAC混凝剂的投加量及铝离子在污水生物处理系统中的累积浓度，考察其浓度对活性污泥微生物活性起到何种作用，对提高污水好氧生物处理效率有一定意义和价值。

1 实验部分

1.1 水样来源与特性

实验废水取自陕西某造纸厂初沉池混凝出水（混凝剂为PAC）。该造纸厂主要以麦草化学浆混商品木浆配抄生产生活用纸。废水取回保存备用，其水质情况如表1所示，水中所含主要金属离子种类及含量见表2。

表1 废水水质

表2 废水中主要金属离子的种类及含量

从表2可以看出，该造纸废水的金属成分比较复杂，共测出18种元素，其中8种元素（加*号）被列入我国和美国EPA颁布的优先污染物黑名单〔4-5〕。在这些检出元素中铝含量最高，达到5.1 mg/L左右，这主要与初沉池中加入的PAC残留有关。

1.2 主要药品及仪器

药品：PAC（Al2O3含量30%）、2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）、三（羟甲基）氨基甲烷、甲醛、丙酮、无水硫酸钠等。

仪器：721G-100可见光分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；5B-6C型COD快速测定仪，兰州连华环保科技有限公司；JPB-608溶氧仪，上海雷磁仪器有限公司；715-15电感耦合等离子发射光谱仪，美国Varian公司；SHA-C恒温水浴振荡器，江苏金坛环宇科学仪器厂。

1.3 接种污泥的来源与驯化

所用活性污泥取自西安第五污水处理厂和陕西某造纸厂生化池剩余污泥，采用人工配制污水混合造纸废水进行驯化培养。完成后用显微镜观察，活性污泥中主要微生物为累枝虫、轮虫、线虫、钟虫。

1.4 实验装置

采用间歇式反应装置，为2 L带有搅拌器的反应瓶，将曝气头通入反应瓶内，保证好氧生物处理废水时微生物所需的溶解氧浓度。

1.5 分析测试方法

（1）COD、DO、氨氮和铝离子的测定。COD采用重铬酸钾法测定（GB 11893—1989），DO采用溶解氧仪测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定（GB 11893—1989），氨氮采用720A酸度计/离子计在线检测，铝离子采用电感耦合等离子发射光谱法测定（ICP-AES）〔6〕。

（2）TTC-脱氢酶活性（TTC-ETS）、比耗氧速率（SOUR）和氨摄取速率（AUR）的测定。脱氢酶能促进有机物脱氢，起到氢的中间传递作用，它的活性可反映微生物进行各种生物化学反应的动力和强度，对污水的处理效率有重要影响〔7〕。SOUR是污水处理中评价活性污泥稳定的定量指标，指单位质量的活性污泥在单位时间内的耗氧量，采用溶解氧电极法测定。AUR是表征硝化细菌活性与硝化效果的最优指标，采用氨电极在线测定氨氮浓度。以上3个指标的具体测定方法可参考荣宏伟等〔8〕的研究。

1.6 实验方法

使用6个间歇运行的反应瓶，从已驯化好的活性污泥池中取等量污泥，用造纸废水将污泥稀释至3 000 mg/L左右，然后在每个反应瓶中分别加入0、30、60、90、120、150、180 mg/L不同质量浓度的PAC，开始曝气和搅拌，曝气量控制在0.5 L/min。连续运行24 h，静置30 min后，测定反应瓶中污泥的TTCETS、DO、SOUR、AUR和处理后出水的COD、TP、氨氮浓度，并计算去除率。

2 结果与讨论

2.1PAC投加质量浓度对TTC-脱氢酶活性影响

考察了PAC投加质量浓度对TTC-脱氢酶活性的影响，如图1所示。

由图1可以看出，当PAC在0～60 mg/L时，TTC-ETS活性从38.4 mgTF/（gTSS·h）提高到61.2 mgTF/（gTSS·h），PAC对微生物活性不但没有抑制，反而起到一定促进作用，TTC-ETS活性提高了59.4%；当PAC继续升高时，开始对微生物活性产生抑制作用，且随着PAC增大呈明显的下降趋势。当PAC达到180 mg/L时，TTC-ETS活性值仅为28.6 mgTF/（gTSS·h），比初始值还要低很多，其微生物活

图1 PAC投加质量浓度与TTC-脱氢酶活性的关系

性大大降低。在微生物细胞培养中发现，铝可使细胞形态发生变化，因此铝一旦进入微生物细胞，就可与某些蛋白质结合发生相互影响和作用，从而干扰微生物体内的多种生理化学反应，影响微生物的物质代谢，导致其部分功能障碍，微生物活性也随之降低〔9〕，影响废水处理效率。

2.2 PAC投加质量浓度对SOUR的影响

考察了PAC投加质量浓度对活性污泥SOUR的影响，如图2所示，其对活性污泥系统DO的影响如图3所示。

图2 PAC投加质量浓度与活性污泥SOUR的关系

图3 PAC投加质量浓度与活性污泥系统DO的关系

由图2可以看出，当PAC在0～60 mg/L时，微生物的SOUR从30.7 mgO2/（gTSS·h）上升至43.8 mgO2/（gTSS·h），达到最大值。但之后随着PAC的升高，对活性污泥微生物产生非常显著的抑制作用。这与B.Coyle等〔10〕的观点是一致的，在重金属离子抑制情况下，细胞摄取大量氧气比自身呼吸作用更有可能抵制外界毒性的冲击。根据铝的毒性作用机理，铝对微生物也必然产生毒性。

由图3可以看出，投加PAC会导致废水中的DO下降，当PAC增加到60 mg/L时，DO降到最低，为2.6 mg/L，这说明投加PAC较少时，它对活性污泥活性起到一定促进作用，活性污泥微生物呼吸速率加快，DO下降比较明显。之后随着PAC的增加DO略有上升，这可能是因为PAC对活性污泥微生物起到抑制作用，反而减少了DO的消耗。

2.3 PAC投加质量浓度对活性污泥AUR的影响

不同PAC投加质量浓度对活性污泥AUR的影响如图4所示。

图4 PAC投加质量浓度与活性污泥AUR的关系

由图4可以看出，随着PAC的增加，其对微生物硝化细菌AUR已经有一定的抑制作用，当其投加质量浓度超过60 mg/L后，活性污泥微生物的AUR都呈近似直线下降的趋势，下降速度很快；PAC达到180 mg/L时，AUR已经降到初始值的20%以下。PAC的添加对硝化过程有很明显的抑制作用，对微生物硝化细菌活性的影响非常明显，活性污泥微生物的AUR可以准确地表征其毒性效应。

2.4 PAC投加质量浓度对废水处理效果的影响

当进水COD为1 302 mg/L、TP为5.6 mg/L、氨氮为31.2 mg/L时，PAC投加质量浓度对废水处理效果的影响见图5。

图5 PAC投加质量浓度对废水处理效果的影响

由图5可以看出，PAC在0～60 mg/L时，系统COD去除率逐渐上升，但幅度不大，最高去除率为90.5%，出水COD为123.7 mg/L，之后随着PAC的增加去除率迅速下降，最低为65.3%，这与微生物TTC-ETS活性随PAC投加浓度的变化结果是一致的。这是因为微生物在一定浓度的重金属作用下会产生抗性，且产生抗性微生物的过程有第一延滞期、第一生长期，或有第二延滞期、第二生长期〔11〕。氨氮去除率随PAC的增加呈直线下降，当PAC增至180 mg/L时，氨氮去除率降至最低值45.6%，这与AUR活性曲线极为相似，说明与异养菌相比，硝化细菌对PAC的毒性和抑制作用更为敏感。当PAC为0～90 mg/L时，TP去除率逐渐达到最大值为95.6%，出水TP为0.25 mg/L，之后TP去除率随PAC的增加迅速下降，最低为70.1%。这是因为系统未投加PAC时，废水中的磷主要依靠聚磷菌微生物氧化降解去除，投加PAC后，磷酸根会进而同时与水中的Al3+发生化学反应生成沉淀，磷的去除率提高。

2.5 Al3+在液相中的残留情况

铝盐混凝剂使用过程中的潜在危害是对生物体产生影响，因此必须严格控制水中铝的残留量。向实验装置中投加不同质量的PAC，连续运行24 h后停止运行，沉淀30 min后取上清液检测Al3+浓度，结果如表3所示。

表3 Al3+残留量随PAC投加质量浓度的变化情况

由表3可知，Al3+在水中的残留量会随PAC投加量的增加而增大，但当PAC＞120 mg/L后，Al3+的残留量增加速率变大。这主要是因为PAC投加质量浓度较低时，活性污泥的吸附能力较强，废水中残留Al3+很少，但投加过量势必会对微生物活性产生不良影响，一定程度上会影响活性污泥的吸附能力，出现一定的吸附饱和现象，导致废水中的Al3+残留量增多，其对活性污泥的抑制作用大幅增加。根据前面实验结果可知，PAC投加质量浓度在30 mg/L以下时，使用PAC作为混凝剂出水残留的铝很低，一般不会对水生生物产生较强的抑制和毒性作用，且近90%以上的铝离子都会被转移到污泥中排出。

3 结论

（1）TTC-ETS和SOUR都可以灵敏地表征铝离子对微生物的毒害作用，可及时反映活性污泥微生物在添加铝盐混凝剂环境中的活性，但SOUR活性比TTC-ETS活性更能准确地表征好氧异养菌的抑制情况。在铝离子毒害作用下，AUR是表征硝化细菌活性与硝化效果的最优指标。（2）当投加质量浓度在0～60 mg/L时，PAC对活性污泥微生物TTC-ETS和SOUR均有一定促进作用，废水COD去除率达到最大值90.5%，出水COD为123.7 mg/L。TP去除率也在PAC为90 mg/L时达到最大值95.6%，出水TP仅为0.25 mg/L。当投加质量浓度超过60 mg/L时，PAC对活性污泥微生物TTC-ETS和SOUR均有一定的限制和毒害作用，废水的处理效果也会受到不良影响。（3）不论投加低浓度还是高浓度的PAC，都会对AUR产生一定抑制作用，从而对氨氮的去除产生不良影响。（4）铝离子在水中的残留量会随PAC投加量的增多而加大，但近90%以上还是被转移到污泥中排出。

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Influence of the addition of aluminum coagulant on the microbial activity of activated sludge

Wang Sen1，Zhang Dan1，Wang Xuechuan1，Jiang Honglin1，Wang Jianhua2
（1.Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology and Special Paper Development，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China；2.Zhejiang Yongtai Paper Group Co.，Ltd.，Fuyang 311421，China）

By adding PAC for testing the destructiveness of acclimated sludge，the influences of PAC with different concentrations on TTC-ETS，SOUR，AUR，and the removing rates of COD，TP and NH4+-N are investigated，and the residual aluminum ions in water determined.The results show that when PAC dosage is 0-60 mg/L，it has certain promoter effect on both TTC-ETS and SOUR，and the removing rates of COD and TP can reach or close to maximum values.However，with the increase of PAC，certain inhibitory effect occurs to TTC-ETS and SOUR，and the removing rates of COD and TP are decreased.No matter how high or how low the PAC is，it has inhibitory effect on the removing rates of AUR and ammonia nitrogen.The residual amount of aluminum ions in water can be increased with the increase of PAC dosage，but more than 90%of it can be transferred to the sludge and discharged.

poly aluminum chloride；coagulant；microbial activity；residue of aluminum ions

X703

A

1005-829X（2016）12-0043-04

王森（1979—），博士，副教授，硕士生导师。E-mail：wangsen@sust.edu.cn。

2016-10-26（修改稿）

陕西省协同创新计划项目（2015XT-14）；咸阳市科技研究计划项目（2015k02-14），陕西省教育厅重点实验室项目（16JS015）；陕西科技大学博士科研启动基金项目（BJ14-09）；华南理工大学制浆造纸国家重点实验室基金项目（201455）