張?zhí)m河，韓 猛，鄭梅花，馬洪良

(東北電力大學化學工程學院，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，對水體動植物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重危害，可通過食物鏈直接或間接地影響人類的健康。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，水體中藍藻、綠藻大量繁殖，引起水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化［2］。因此研究重金屬對于脫氮除磷影響具有重要的意義。

重金屬污染特別對于脫氮除磷的影響受到了國內(nèi)外學者的關(guān)注，有研究報道，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 0.5 mg/L、30 mg/L、0.5 mg/L、5 mg/L，它們對生物脫氮效果影響的大小順序為Cu2+＞Cr6+＞Cd2+＞Zn2+［3］;Ting等研究表明，當Cu2+濃度為1 mg/L時，總有機碳(TOC)和的去除效率降低［4，5］;謝曙光發(fā)現(xiàn)，在生物除磷過程中Zn2+、Cu2+、Pb2+濃度增高時，對聚磷菌在好氧狀態(tài)下吸磷產(chǎn)生毒性作用，出水磷含量超標［6］。這些研究主要集中在重金屬離子對微生物處理水中污染物的影響，然而，關(guān)于重金屬離子對同步脫氮除磷的影響報道較少。

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

1 實驗材料和方法

1.1 實驗裝置

SBR反應(yīng)器由有機玻璃制成，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，通過氣體流量計控制進氣流量，采用JJ－1型電動攪拌器攪拌，攪拌速度為200 r/min。pH、DO電極置于反應(yīng)器內(nèi)，監(jiān)測指標的變化。采用KG316T時間繼電器控制每個運行周期反應(yīng)時間。反應(yīng)器設(shè)置3個取樣口，底部設(shè)有排泥口。運行周期為9 h，其過程為瞬間進水→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。實驗裝置如圖1所示。

圖1 SBR實驗裝置示意圖

1.2 實驗用水

實驗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)，采用磷酸二氫鉀作為磷源(21 mg/L，以－P計)，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)測定:利用納氏試劑分光光度法測量不同階段氨氮濃度，利用氨氮在好氧階段的減少量計算單位時間內(nèi)1 g/L的活性污泥中氨氮的減少量。計算公式:

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 Cu2+對COD去除率的影響

在進水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COD去除率的影響，如圖2所示。當Cu2+濃度為0.5 mg/L時，COD去除率從87.43%下降到86.11%，低濃度的Cu2+對于COD去除率影響較小;當Cu2+濃度為1.0 mg/L時，COD去除率為88.24%，COD去除率上升。這說明微生物在低濃度的Cu2+存在時，對COD的去除產(chǎn)生一定的促進作用［7－8］。當Cu2+濃度為5.0 mg/L時，COD去除率為74.13%，COD去除率降低比較明顯;當Cu2+濃度為10 mg/L時，COD去除率降低至33.47%。這說明Cu2+濃度大于5 mg/L時對微生物降解有機物有明顯的抑制作用。

圖2 銅離子對COD去除率的影響

2.2 Cu2+對微生物脫氮過程的影響

不同濃度Cu2+對－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。在一個運行周期內(nèi)，好氧段－N迅速消耗被氧化成或。然而，觀察不同Cu2+濃度變化曲線發(fā)現(xiàn):隨著銅離子濃度的增加，氨氮剩余量逐漸增加，當不加Cu2+時－N剩余量為8.1 mg/L，加入10 mg/L銅離子時－N剩余量為24.8 mg/L。這說明Cu2+的存在對－N的去除產(chǎn)生了抑制作用。

圖4表明Cu2+濃度對－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。當銅離子濃度為10 mg/L時，－N去除率僅為35.92%，AUR與－N去除率的變化規(guī)律相似，說明Cu2+對脫氮過程的影響明顯。Cu2+對－N去除率的影響大于對COD去除率的影響，這說明與異養(yǎng)菌相比，Cu2+的存在對硝化菌抑制更加顯著。這與Yu等［10］得出的結(jié)論相同:Cu2+對－N的去除具有極強的抑制作用。

圖3 一個運行周期內(nèi)－N的變化

2.3 Cu2+對微生物除磷過程的影響

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

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

圖4 Cu2+對－N去除率和AUR的影響

圖5 一個運行周期內(nèi)－P的變化

圖6 Cu2+對－P去除率的影響

3 結(jié) 論

本實驗采用模擬城市污水作為處理對象，通過在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COD和－P去除率的提高，對－N去除無明顯影響。

(2)高濃度Cu2+(≥1.0 mg/L)對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.鐵錳離子對硝化反應(yīng)的影響效果研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2003，1(35):122－125.

［2］樊樹紅.水體富營養(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，賴震宏，龍騰銳.金屬離子對好氧活性污泥的影響［J］.安全與環(huán)境報，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.重金屬對生物除磷影響的研究［D］.西安理工大學碩士論文，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.鹽度對氟氮去除效果的影響［J］.東北電力大學學報，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.重金屬對活性污泥微生物的影響［J］.環(huán)境保護.2004，2(29):13－16.