張?zhí)m河，韓 猛，鄭梅花，馬洪良

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著采礦、冶煉、化工、電鍍、制革等行業(yè)的發(fā)展，水體中重金屬污染日趨嚴(yán)重。重金屬在水體中具有較高的穩(wěn)定性和難降解性［1］。積累到一定程度時(shí)，對(duì)水體動(dòng)植物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，可通過(guò)食物鏈直接或間接地影響人類(lèi)的健康。另外，隨著化肥、洗滌劑和農(nóng)藥的普遍使用，天然水體中氮、磷含量劇增，水體中藍(lán)藻、綠藻大量繁殖，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)惡化［2］。因此研究重金屬對(duì)于脫氮除磷影響具有重要的意義。

重金屬污染特別對(duì)于脫氮除磷的影響受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，有研究報(bào)道，在生物脫氮系統(tǒng)中應(yīng)控制重金屬銅、鋅、鉻、鎘濃度不超過(guò) 0.5 mg/L、30 mg/L、0.5 mg/L、5 mg/L，它們對(duì)生物脫氮效果影響的大小順序?yàn)镃u2+＞Cr6+＞Cd2+＞Zn2+［3］;Ting等研究表明，當(dāng)Cu2+濃度為1 mg/L時(shí)，總有機(jī)碳(TOC)和的去除效率降低［4，5］;謝曙光發(fā)現(xiàn)，在生物除磷過(guò)程中Zn2+、Cu2+、Pb2+濃度增高時(shí)，對(duì)聚磷菌在好氧狀態(tài)下吸磷產(chǎn)生毒性作用，出水磷含量超標(biāo)［6］。這些研究主要集中在重金屬離子對(duì)微生物處理水中污染物的影響，然而，關(guān)于重金屬離子對(duì)同步脫氮除磷的影響報(bào)道較少。

本課題通過(guò)考察不同濃度Cu2+對(duì)SBR系統(tǒng)微生物脫氮除磷效率的影響，確定重金屬離子對(duì)脫氮除磷系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用的濃度范圍，為污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為20 cm，有效工作容積為10 L，采用ACO－003電磁式空氣泵曝氣，通過(guò)氣體流量計(jì)控制進(jìn)氣流量，采用JJ－1型電動(dòng)攪拌器攪拌，攪拌速度為200 r/min。pH、DO電極置于反應(yīng)器內(nèi)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化。采用KG316T時(shí)間繼電器控制每個(gè)運(yùn)行周期反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)器設(shè)置3個(gè)取樣口，底部設(shè)有排泥口。運(yùn)行周期為9 h，其過(guò)程為瞬間進(jìn)水→厭氧2 h→好氧5 h→缺氧2 h→沉淀出水。溫度控制在25－30℃，pH 7－8.5之間，DO 2－3 mg/L。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 SBR實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)室用水采用模擬生活污水，采用葡萄糖作為單一碳源(COD為1 000 mg/L)，采用氯化銨作為氮源(40 mg/L，以－N計(jì))，采用磷酸二氫鉀作為磷源(21 mg/L，以－P計(jì))，投加1 mL/L微量元素。微量元素成分:FeSO4·7H2O，20 mg/L;CuSO4·5H2O，50 mg/L;H3BO3，50 mg/L;MnSO4·H2O，50 mg/L;Na2MoO4·2H2O，10 mg/L;ZnCl2·7H2O，10 mg/L;CoCl2·6H2O，50 mg/L。

1.3 分析方法

氨攝取速率(AUR)測(cè)定:利用納氏試劑分光光度法測(cè)量不同階段氨氮濃度，利用氨氮在好氧階段的減少量計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)1 g/L的活性污泥中氨氮的減少量。計(jì)算公式:

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Cu2+對(duì)COD去除率的影響

在進(jìn)水COD為1 000 mg/L、氨氮為40 mg/L、磷酸鹽濃度為20 mg/L條件下，不同濃度Cu2+對(duì)COD去除率的影響，如圖2所示。當(dāng)Cu2+濃度為0.5 mg/L時(shí)，COD去除率從87.43%下降到86.11%，低濃度的Cu2+對(duì)于COD去除率影響較小;當(dāng)Cu2+濃度為1.0 mg/L時(shí)，COD去除率為88.24%，COD去除率上升。這說(shuō)明微生物在低濃度的Cu2+存在時(shí)，對(duì)COD的去除產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用［7－8］。當(dāng)Cu2+濃度為5.0 mg/L時(shí)，COD去除率為74.13%，COD去除率降低比較明顯;當(dāng)Cu2+濃度為10 mg/L時(shí)，COD去除率降低至33.47%。這說(shuō)明Cu2+濃度大于5 mg/L時(shí)對(duì)微生物降解有機(jī)物有明顯的抑制作用。

圖2 銅離子對(duì)COD去除率的影響

2.2 Cu2+對(duì)微生物脫氮過(guò)程的影響

不同濃度Cu2+對(duì)－N去除率的影響，如圖3所示。在不同濃度Cu2+存在下－N降解趨勢(shì)相同，厭氧段氨氮濃度變化較小;好氧段氨氮濃度快速降低;缺氧段氨氮濃度基本保持不變。在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，好氧段－N迅速消耗被氧化成或。然而，觀察不同Cu2+濃度變化曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn):隨著銅離子濃度的增加，氨氮剩余量逐漸增加，當(dāng)不加Cu2+時(shí)－N剩余量為8.1 mg/L，加入10 mg/L銅離子時(shí)－N剩余量為24.8 mg/L。這說(shuō)明Cu2+的存在對(duì)－N的去除產(chǎn)生了抑制作用。

圖4表明Cu2+濃度對(duì)－N去除率和氨攝取速率(AUR)的影響。隨著Cu2+濃度的增加，氨氮去除率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)銅離子濃度為10 mg/L時(shí)，－N去除率僅為35.92%，AUR與－N去除率的變化規(guī)律相似，說(shuō)明Cu2+對(duì)脫氮過(guò)程的影響明顯。Cu2+對(duì)－N去除率的影響大于對(duì)COD去除率的影響，這說(shuō)明與異養(yǎng)菌相比，Cu2+的存在對(duì)硝化菌抑制更加顯著。這與Yu等［10］得出的結(jié)論相同:Cu2+對(duì)－N的去除具有極強(qiáng)的抑制作用。

圖3 一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)－N的變化

2.3 Cu2+對(duì)微生物除磷過(guò)程的影響

不同濃度Cu2+對(duì)除磷過(guò)程中釋磷、吸磷的影響如圖5所示。當(dāng)Cu2+濃度為0.5 mg/L、1 mg/L時(shí)，微生物釋磷和吸磷的變化規(guī)律與無(wú)Cu2+添加廢水的變化規(guī)律相同。但是，當(dāng)Cu2+濃度增加到5 mg/L以上時(shí)，隨著Cu2+濃度的增加，微生物厭氧段釋磷量逐漸升高，好氧段吸磷量相對(duì)減少，磷酸鹽去除率降低。

圖6顯示了 Cu2+對(duì)－P去除率的影響。Cu2+濃度從1.0 mg/L上升到10.0 mg/L時(shí)－P去除率從92.4%降低至11.3%。當(dāng)銅離子濃度為1.0 mg/L時(shí)，－P的去除率從不加Cu2+時(shí) 90.54% 上升到 92.47%，這是由于 1.0 mg/LCu2+在好氧吸磷階段對(duì)聚磷菌產(chǎn)生促進(jìn)作用［11］，提高了－P去除率。然而，當(dāng)Cu2+濃度高于5 mg/L時(shí)，好氧吸磷量降低(圖5)，去除率也明顯降低，。這說(shuō)明聚磷菌在好氧吸磷過(guò)程中，受到Cu2+的抑制明顯，然而厭氧段Cu2+對(duì)于聚磷菌的抑制作用不明顯。

圖4 Cu2+對(duì)－N去除率和AUR的影響

圖5 一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)－P的變化

圖6 Cu2+對(duì)－P去除率的影響

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用模擬城市污水作為處理對(duì)象，通過(guò)在SBR反應(yīng)器中加入不同濃度Cu2+，考察COD、－N及－P去除率的變化，得出如下結(jié)論:

(1)低濃度Cu2+(＜1.0 mg/L)能夠促進(jìn)COD和－P去除率的提高，對(duì)－N去除無(wú)明顯影響。

(2)高濃度Cu2+(≥1.0 mg/L)對(duì)微生物具有毒害作用，隨著Cu2+濃度的升高，COD、－N及－P去除率逐漸下降。

［1］王秀蘅，任南琪，馬放，等.鐵錳離子對(duì)硝化反應(yīng)的影響效果研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，1(35):122－125.

［2］樊樹(shù)紅.水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究［J］.黑龍江科技信息，2010，10(28):8－8.

［3］Ting Y P，Imai H，Kinoshita S.Effect of shock－loading of heavy metals on total organic carbon and phosphate removal in an anaerobic aerobic activated sludge process［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology.2004，10(3):308－312.

［4］孟雪征，賴(lài)震宏，龍騰銳.金屬離子對(duì)好氧活性污泥的影響［J］.安全與環(huán)境報(bào)，2004，4(6):43－45.

［5］Hickey R F，Juliana V L，Michael S.The effect of heavy metals on methane production and hydrogen and carbon monoxide levels during batch anaerobic sludge digestion［J］.Water Research.2009，23(2):207－218.

［6］謝曙光.重金屬對(duì)生物除磷影響的研究［D］.西安理工大學(xué)碩士論文，2000.

［7］Kreuk M K，Pronk M，Loosdrecht M C M.Formation of aerobic guanules and conversion processes in an aerobic granular sludge reactor at moderate and low temperatures［J］.Water Research.2005，39(18):4476－4484.

［8］Yu Jingwen，Zheng Mingxia，Tao T，et al.Waste activated sludge treatment based on temperature staged and biologically phased anaerobic digestion system［J］.Journal of Environmental Sciences.2013，25(10):2056－2064.

［9］楊日光，張?zhí)m河，孫俊超，等.鹽度對(duì)氟氮去除效果的影響［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，4(33):24－27.

［10］Marsili L S，Giunti L.Fuzzy predictive control for nitrogen removal in biological wastewater treatment［J］.Water Science and Technology.2002，45(4－5):37－44.

［11］謝冰.重金屬對(duì)活性污泥微生物的影響［J］.環(huán)境保護(hù).2004，2(29):13－16.