氧化塘对重金属污染的去除研究

邓筠

（陕西神渭煤炭管道运输有限责任公司，陕西西安710065）

1 研究背景

1.1 藻类和菌类共生系统的研究概况

藻类是典型的光能自养型生物，以单细胞或者多细胞群体形式生活的低等生物总称。它多生活在淡水等天然水体的表层，并且对水质的变化反应敏感，是食物链的最低级即初级生产者。Stumm和Morgan提出了藻类的分子式[2]近似为C106H203O110N16P,其光合作用的反应方程式为：

藻类在光照条件下，利用水中的N，P元素，以CO2为碳源，合成自身需要的营养物质并促进自身生长。除此之外，藻类还具有产氧功能，能一定程度提高氧化塘中的溶解氧。所以，藻类光合产氧供给好氧菌异养型细菌进行新陈代谢，而好氧异养性细菌分解水中有机物，释放N，P，CO2等无机物，供给藻类光合作用所需的氮源、碳源，如此循环，形成互利共生的关系。藻类细胞中合成蛋白质的氨基酸含量高，而且生成速度快，是一种潜在的可作为精细化工原料和饲料的潜在资源[8]。

藻类和菌类共生系统中，基本的生态结构单元是藻、菌共生体。在该共生系统中，藻类的种类、数量和活性决定着污水处理系统中污染物的去除效果，污水处理系统的能量流向和食物链的基本结构。

1.2 藻类和菌类共生系统对重金属污染的去除

藻类和菌类对重金属的去除主要表现在通过生物絮凝和生化、吸收。前者是由微生物或其代谢产物中的高分子物质、官能团以及水中胶体悬浮物与重金属污染物互相凝聚，再由重力作用下沉到池底而从水中分离。生物絮凝比无机和有机合成絮凝操作更方便，整个过程采用自然界的藻类植物和菌类物种，无毒，并且无二次污染产生。

生化法，则是重金属离子发生化学反应，离子的性质发生变化,由可溶性化合物转化为难溶性化合物。以硫酸盐还原菌（SRB）为例[7]：在厌氧条件，并投加有机碳源和电子供体的同时，SRB通过异化硫酸盐作用即传统的发酵过程和呼吸过程，将SO42-还原成H2S。SRB反应生成的硫化物与重金属反应生成难溶的物质，而使重金属得以从水中去除。

随着反应进程的深入，水体pH值升高，同时异化过程生成的碳酸盐离子在碱性条件下加速了重金属的沉淀。

藻和菌共生的氧化塘系统，白天光合作用产生的氧气夜间被逐渐消耗，有利于底部形成厌氧环境，为硫酸盐还原菌的还原反应提供条件。藻类物质对CO2的吸收利用，还有利于减少温室气体的排放量。

就氧化塘发展现状而言，加州伯克利大学的Oswald和Gotaas等于20世纪50年代对传统稳定塘改进，开发的高效藻类塘（High Rate Algal Pond,简称HRAP），是操作方便、投资省、运行费用低的处理技术。

实验通过实验室模拟重金属废水，藻和菌共生系对铬（Cr）的吸附变化规律及吸附能力和性能。通过分析COD，NH4+－N，磷酸盐和硫酸盐的浓度变化规律，来研究藻类和菌类的生长过程，确定反应器的运行状态；通过改变运行条件，来研究不同环境参数变量下，藻和菌共生系统对重金属的去除效果，以及微生物的依次生长过程。

2 材料方法和试验方案的设计

2.1 试验方案设计

2.1.1 试验主要装置及仪器

藻、菌共生氧化塘模型，整个工艺包括：配水箱、氧化塘系统、二沉池等几个部分，各处理设施依次串联运行。系统见图1。

图1 氧化塘系统的平面布置

该试验研究对象从推流式曝气池改装而成，其尺寸为100×48.8×39.8 cm，氧化塘有效深度为26.5 cm，有效截面积为12.32 dm2，有效体积119.56 dm3。通过普瑞蠕动泵转动，初始进水转速为30 r/min，约0.42 L/h，HRT为11.86 d。试验中进水为实验室模拟的重金属废水，包含N、P、S、Cr及微量元素。初配水的参数如表1。

表1 实验室配水的初始条件

2.1.2 试验方案

试验方案技术路线见图2。

图2 试验方案的技术路线

2.2 COD的测定方法

对氧化塘进行出水和进水水质监测，根据HJ/T 399—2007《快速消解分光光度法》测定。

2.3 氨氮（NH4+－N）的测定方法

根据HJ 535—2009《纳氏试剂分光光度法》测定。

X（被测氨氮浓度）=5.8×（As－Ab）+0.012

式中：As—水样吸光度；

Ab—空白试验吸光度。

2.4 硫酸盐（）的测定方法

根据HJ/T 342—2007《铬酸钡分光光度法》测定。

X（被测物质浓度）=22.78×（As－Ab）－1.15

式中：As—水样吸光度；

Ab—空白试验吸光度。

2.5 磷酸盐（）的测定方法

根据GB 11893—89《钼酸铵分光光度法》测定。

（a）标准曲线

X（被测物质浓度）=0.276×（As－Ab）+2.165

式中：As—水样吸光度；

Ab—空白试验吸光度。

2.6 总铬（Cr）的测定方法

根据GB 7467—87《高锰酸钾化——二苯碳酰二肼分光光度法》测定。

（b）标准曲线

X（被测物质浓度）=2.688×（As－Ab）－0.008

式中：As—水样吸光度；

Ab—空白试验吸光度。

2.7 叶绿素a的测定

从PVC立体填料的上、下两处和球形载体刮取的3个点共9处的藻样本，分别置于9支试管，编号：QX-1，QX-2，QX-3，LT-1-U，LT-1-D，LT-2-U，LT-2-D，LT-3-U，LT-3-D。藻类用研钵破碎后，将上层含菌悬浊液倒入10 mL试管中备用。提取叶绿素a：在TGL-16M高速台式冷冻离心机，把取得的藻样本分装入5 mL离心管，4℃条件下，10 000 r/min，离心10 min。倒出上层清液，称取约0.2 g藻置于15 mL试管中，改进后的Arnon 法，加入 10 mL（丙酮∶无水乙醇=1∶1）混合液，在室温中把所取藻样本浸泡到发白时为止。

用10 mm比色皿测λ=663 nm和645 nm处的吸光度，并以混合液（丙酮：无水乙醇=2∶1）作校正吸光度测定。

叶绿素 a的含量=［12.7A663－2.69 A645］×V／1000×W

其中：A663，A645—相应波长下的光密度；

V—提取液的体积；

W—藻类鲜重。

2.8 菌落数量的测定

2.8.1 牛肉膏蛋白胨培养基

牛肉膏 0.6～1.0 g，蛋白胨 2.0 g，NaCl 0.5 g，琼脂4.0 g，蒸馏水200 mL。调节pH值至7.2～7.4。灭菌备用。

2.8.2 菌落的培养和计量

把前一个步骤制作的培养基均匀分装在两个500mL锥形瓶中个，用棉塞和绳子扎紧。把培养基、枪头、所需培养皿，在120℃，0.1 MPa下，高压灭菌20 min。然后移入超净工作台，在紫外灯光照下进行通风，当培养基冷却到50℃左右时，无菌操作的条件下，均匀倒入18个培养皿中。

用1 mL移液枪取2.7中备用的菌悬液1 mL，移入1#试管，加入9 mL蒸馏水，震荡摇匀；再吸取1 mL 1#试管中的稀释后液体重复上述操作。一次稀释10倍，稀释至10-7为止（试验发现，稀释到10-5接种，每个培养皿培养48 h后，就能长出上百个菌落，不便于计数）。待培养基冷却后，在无菌操作台上，用100 μL移液枪移取100 μL稀释到10-7的菌悬液到有培养基的培养皿中个，用涂布棒涂布均匀，根据所取菌悬液位置依次编号。在28℃恒温培养箱中，培养48 h。

3 实验结果及讨论

3.1 改变反应器运行负荷后，氧化塘对重金属污染物去除效果研究

3.1.1 不同水力停留时间（HRT）下重金属污染物的去除效果变化

藻和菌共生的氧化塘系统，实验室设置的初始进水流量为30 r/min，大约0.42 L/h，运行大约一个月待反应器稳定后，在运行的第12 d和第43 d，改变反应器运行负荷并增加至45 r/min约0.63 L/h，60 r/min约0.84 L/h。塘内的重金属铬（Cr）在随后的两个月时间里，即从2月中旬开始的浓度变化如图3。

图3 铬离子（Cr6+）浓度的变化

在运行期的前39 d，所测得的氧化塘内的铬离子（Cr6+）进水维持在23 mg/L，出水低于2.5 mg/L。运行至第43 d，重新配置显色剂和重做标准曲线以后，所测进水浓度比实际值低，但出水浓度得到同等比例下降，整个过程维持了较高的处理效率，只有在第27 d和29 d两天，处理效率低于90%。

改变水力停留时间，使HRT从11.86 d到7.90 d，这个过程的进水COD为200 mg/L，铬离子（Cr6+）去除效率维持在90%～94%波动。当HRT提高到5.93 d，同时降低COD至100 mg/L，前期重金属铬（Cr6+）去除率仍然在上述波动范围之内。说明，在较低的水力负荷条件下，氧化塘系统对重金属的去除效率稳定。此时，改变反应器运行负荷不会对该系统的重金属去除产生大的影响（图4）。

图4 化学需氧量（COD）浓度的变化

3.1.2 当有机物浓度发生变化时，对重金属污染物去除的影响

但是，当COD进水降低到100 mg/L的第10天，此时系统运行稳定，重金属铬（Cr）的去除率提升到96%，然后一直在96%～98%波动。COD进水浓度的降低，使水中溶解氧浓度得到一定程度的升高，好氧菌和藻类在夜间利用的氧量随之增多，微生物新陈代谢加强，代谢产物增多（图5）。

图5 Cr6+去除效率

根据两个月连续采样，降低COD进水参数，氧化塘稳定运行后的pH值进水维持在7.5～7.7，出水维持在7.6～7.9，水温变化范围是13.3～21.6℃。有研究表明，这个范围内的温度和pH值变化，对重金属的去除没有明显影响。所以，这时重金属去除率的增大主要是由于藻类和菌类物质好氧呼吸得到加强的结果，对无机重金属离子富集、絮凝和生物吸附产生协同作用。但COD浓度降低100 mg/L即50%，只有4%重金属离子的去除效率提升。此时的重金属去除率已经很高，COD进水的改变将不会再次造成大的变化。

该试验说明，有机物浓度的变化，在重金属去除阈值的范围之内会一定程度上能提高重金属的去除率。

3.2 藻、菌共生生物膜系统同时去除污染物的可行性

3.2.1 好氧缺氧环境下的重金属、硫酸盐（SO42－）、磷酸盐（PO43－）等的去除

氨氮（NH4+－N）的降解条件和硫酸盐（SO42－）、磷酸盐（PO43－）有所不同：前者首先是好氧然后缺氧，通过硝化反硝化让游离氨从污水中去除；而后者是厌氧环境下，通过硫酸盐还原菌和聚磷菌的作用去除污染物（图6）。

重金属模拟水中的氨氮（NH4+－N）经过好氧硝化、缺氧反硝化过程后，从水中去除。反应器在进水流量Q=0.42 L/h时，氨氮（NH4+－N）去除效率约为75%。运行至第22天，进水流量Q=0.63 L/h时，氨氮去除率开始下降，运行43天后，再次提升进水流量Q=0.84 L/h，但同时进水COD调整为100 mg/L，与此同时，反应器的氨氮去除率保持在60%～70%，去除效率略有下降。试验证明：在氧化塘溶解氧浓度高的条件下，对氨氮的去除效果较好。提高反应器负荷后，处理效率下降，但如果同时降低进水COD，氨氮处理效果恢复到提负前的状态（图7）。

图6 氨氮（NH4+-N）去除效率

图7 氨氮（NH4+-N）浓度的变化

此时，氧化塘内硝化细菌生长活跃，将大量氨氮氧化成硝态氮。中下层的塘部分，由于局部缺氧和夜间藻类光合作用停止，呼吸作用耗氧，使反硝化菌开始活跃。对氨氮而言，在降低水力负荷和提高溶解氧的条件下，保持了较高的去除效率。

3.2.2 厌氧条件下的污染物去除

从第2天改变反应器进水配制以后，根据连续监测氧化塘系统的溶解氧情况（以第 69 d，17∶00—17∶10的监测情况为例）：水面和中层溶解氧大于0.4 mg/L，只有在靠近底层污泥的部分区域2，4，7号3个点处的溶解氧低于0.2 mg/L，磷酸盐的去除效果不佳，硫酸盐的去除效率在39%～64%浮动，并在第60 d达到最佳。虽然，反应塘对磷酸盐和硫酸盐的去除效果不稳定，而这些菌种在好氧环境中竞争力很差，成为劣势菌种（图8）。

图8 硫酸盐（SO42-）、磷酸盐（PO43-）浓度的变化

从2—5月的磷酸盐、硫酸盐进、出水变化可以看出，虽然磷酸盐的去除效果不是很好，但是反应器中的藻类白天产氧形成富氧区，夜间呼吸耗氧造成局部缺氧厌氧，理论上为聚磷菌和硫酸盐还原菌的生长繁殖创造条件。说明虽然氧化塘存在局部的分时段的厌氧环境，能够为聚磷菌的生长繁殖和厌氧降解重金属提供必要的条件，但是作用有限。进水和出水相比，pH值略有升高，约为0.2个单位，同样证明了聚磷菌和硫酸盐还原菌的微弱作用，硫酸根SO42-被还原成S2-，水解使环境呈弱碱性，导致pH值有所增大。能够促进Cr6+的降解，但并非主导过程。

3.3 藻、菌共生氧化塘系统的水力停留时间（HRT）的变化对微生物的影响

在水面光照强度为 1200 lx，HRT=11.86 d和HRT=7.9 d稳定运行时通过1∶1（丙酮∶无水乙醇）混合液萃取测得的叶绿素a，在波长λ=663 nm，λ=645 nm下测得的吸光度，带入丙酮法公式计算所得前后叶绿素含量对比（图9）。

图9 叶绿素变化量对比

提高负荷后，通过各个取样点的上层填料刮膜所取的藻类，研磨后提取叶绿素进行分光度测量，提负前后进行对比，球形填料1号、2号、3号点的叶绿素含量都得到增高。同样，立体填料的1号、2号、3号点叶绿素同比提负荷前有所增加。除了靠窗的3号点得到自然光的补偿，曲线出现差异。下层填料由于光照被削弱，且无自然光透入，前后叶绿素含量基本无变化。水力负荷的适当增大，使藻类合成自身细胞所需的营养物质增多，得到一定程度的生长，藻类量增多，促进了重金属的去除作用。

4 结论

该试验从连续进水的氧化塘系统中提取样液进行氨氮（NH4+-N）、磷酸盐（PO43-）、硫酸盐（SO42-）、总铬（Cr6+）化学需氧量（COD）的分析测定，得出结论如下。

（1）藻、菌共生的氧化塘中，在不同阶段和光照强弱不同的情况下，会出现局部的缺氧、厌氧环境，为硫酸盐还原菌和磷酸盐还原菌的生长创造条件。并且，试验研究表明，藻、菌共生的生物膜系统能够同时高效的去除氨氮、总铬和化学需氧量。

（2）在提高水力负荷（HRT）条件下，氧化塘中的氨氮、总铬等的去除率有所下降，但氧化塘仍能够保持较高的去除效率。若同时降低有机物负荷后，会再次促进污染物的去除。一定范围内当化学需氧量的降低，溶解氧浓度的增大，会使重金属的去除效果趋于高效率，但随着去除率的增大达到一定阈值，溶解氧的优势会逐渐变弱。并且，在一定范围内变化的温度和pH值，不会对氧化塘系统处理重金属产生明显的影响。

（3）通过连续两个月监测氧化塘中进出水的化学需氧量COD的变化可以发现，通过对氨氮、硫酸盐等的连续监测，该氧化塘的重金属去除主要是依靠生物絮凝作用，而硫酸盐还原菌作为劣势菌种，作用有限。