重金属元素Cu、Zn累积对污水处理工艺中的污泥活性影响研究

何帅雄

（福建省泉州环境监测中心站，福建 泉州 362000）

引言

目前经济社会快速发展，在电镀、金属加工、电池、造纸、畜禽养殖等行业，重金属的使用量迅速增长，因而所排放的废水中也含有大量重金属元素。这些重金属对活体细胞有毒害作用，同时能在生物体内积累并通过食物链进入人体，造成人体器官病症[1]。

活性污泥系统在污水处理中被广泛使用，通过处理系统中活性污泥的微生物新陈代谢作用，将水中的有机物分解为无机物，从而达到净化水质的目的。重金属对活性污泥微生物同样具有毒性效应，导致活性污泥系统的污水处理效率大大降低。目前常见的活性污泥微生物活性评价指标主要有活性污泥耗氧速率、污泥氨氧化速率、脱氢酶活性抑制率等[2]。

1 概述

活性污泥法是目前普遍使用的污水处理技术，其产生的大量剩余污泥一直是污水处理运行的难题[3]，剩余污泥减量工艺中的污泥上清液回流步骤可能会对活性污泥微生物的活性产生影响。目前已有学者针对城市污水处理污泥臭氧化减量处理过程中重金属物质的溶出规律进行了研究，结果表明：臭氧氧化上清液的回流可能会对生物处理单元造成影响[4]。前期研究表明，城市生活污水和畜禽养殖废水中的主要重金属元素为Cu和Zn，其浓度均达到了mg/L的数量级[5]，较高浓度的重金属元素会对活性污泥微生物的生理生化活性产生影响[6]。

本文选取重金属元素Cu和Zn作为主要影响研究对象。为了初步确定Cu和Zn对污泥硝化活性的抑制浓度，研究Cu、Zn浓度对污泥氨氧化速率的静态影响，可以为后续研究活性污泥工艺长期运行中重金属Cu、Zn的累积抑制作用提供抑制浓度的参考。

2 材料与方法

2.1 反应污泥制备

（1）从运行初期的SBR反应器中分别取出50 mL的泥水混合物，在4 000 rpm下离心5 min，静置移除上清液，如图1所示。

图1 SBR/臭氧污泥减量组合系统装置图

（2）向离心管中加入等体积的清水重悬活性污泥，离心去除上清液，如此重复2次，洗去活性污泥中多余的氨氮、硝态氮以及杂质，污泥备用。

2.2 记时取样

（1）配制浓度约为50 mg/L的NH3-N溶液，以及含有不同浓度重金属元素Cu、Zn的溶液各约300 mL于烧杯中，其中样品含有Cu元素的浓度梯度为0、5、10、20、40、60和80 mg/L；样品含有Zn元素的浓度梯度为0、5、10、20、40、80、100和120 mg/L，共16个溶液样品；调节曝气量适中，温度控制在30 ℃，分别倒入之前已经制备好的污泥进行搅拌，混匀并开始计时取样，实验装置图如图2所示。

图2 静态实验装置图

（2）在反应第0、30、60、90、135和180 min时分别取样20 mL污泥混合液，每个时间点的样品经0.45 µm滤膜过滤，滤液备用。

2.3 计算污泥氨氧化速率（SAOR）

采用比色法测定各取样时间滤液中的NH3-N，并用水质悬浮物的测定—重量法（GB 11901-1989）测定烧杯中泥水混合物的MLSS。作出反应体系在180 min的反应时间内的NH3-N浓度变化散点图，并通过线性拟合求出整个体系内污泥对氨氮的硝化反应速率，再根据污泥浓度MLSS进一步确定单位时间内单位质量污泥消耗的氨氮数量，即污泥氨氧化速率（SAOR）。

2.4 确定Cu、Zn对污泥硝化活性的抑制浓度

分别作出不同Cu、Zn浓度下的SAOR变化曲线，根据相应的SAOR降低变化趋势，确定对污泥硝化活性抑制作用较为明显的反应体系的Cu元素浓度及Zn元素浓度。

3 实验分析

如图3和图4所示，取静态实验反应的第0、30、60、90、135和180 min处的污泥上清液进行NH3-N浓度测定，得到NH3-N—t的散点图，通过线性拟合可求得整个反应体系的污泥对NH3-N的消耗速率。

图3 不同Cu浓度下的拟合NH3-N消耗速率

图4 不同Zn浓度下的拟合NH3-N消耗速率

如图5和图6所示，通过测定静态实验的污泥浓度，进一步测出单位质量的污泥对NH3-N的消耗速率，即污泥的氨氧化速率（SAOR），从而得到不同Cu、Zn浓度下的SAOR变化曲线。

图5 不同Cu浓度下的SAOR变化曲线

图6 不同Zn浓度下的SAOR变化曲线

从SAOR-Cu2+曲线可以看出：在Cu2+投加浓度为0～40 mg/L的条件下，随着Cu2+投加浓度增加，活性污泥的氨氧化速率从4.8 mg的NH3-N/（gSS·h）逐步减少至1.8 mg的NH3-N/（gSS·h）。在Cu2+投加浓度为40～80 mg/L的条件下，污泥的氨氧化速率变化趋于平缓，基本保持在2 mg的NH3-N/（gSS·h）左右。从Cu2+对污泥硝化活性的抑制情况来看，Cu2+的临界抑制浓度在40 mg/L左右。

从SAOR-Zn2+曲线可以看出：在Zn2+投加浓度为0～40 mg/L的条件下，随着Zn2+投加浓度的增加，活性污泥的氨氧化速率从5.6 mg的NH3-N/（gSS·h）减少至2.1 mg的NH3-N/（gSS·h）。在Zn2+投加浓度为40～100 mg/L的条件下，污泥的氨氧化速率变化趋于平缓，基本保持在2.3 mg的NH3-N/（gSS·h）左右，Zn2+投加浓度增至120 mg/L时，污泥的氨氧化速率降至1.2 mg的NH3-N/（gSS·h）。从Zn2+对污泥硝化活性的抑制情况来看，Zn2+的临界抑制浓度也在40 mg/L左右。

4 结果与讨论

从重金属元素Cu、Zn对污泥硝化活性的影响实验结果可以看出，当Cu2+、Zn2+投加浓度均分别达到40 mg/L时，Cu2+、Zn2+对污泥硝化活性的抑制作用较为明显；继续增加Cu2+、Zn2+的投加浓度至80 mg/L时，Cu2+、Zn2+对活性污泥的硝化活性的抑制作用变化不大，而Zn2+的投加浓度增加至100 mg/L时，Zn2+将进一步降低污泥的硝化活性。

重金属元素Cu和Zn的临界抑制浓度均为40 mg/L；在高浓度的Cu2+、Zn2+条件下，污泥的氨氧化速率受到明显影响，但是高浓度的Cu2+、Zn2+并没有完全抑制污泥的硝化活性，这为重金属Cu、Zn的累积抑制作用提供了有效的抑制浓度。所以在高浓度重金属环境下实现污泥驯化具有一定的可能性，有助于保持活性污泥工艺的长期稳定运行。