趙文玉，王慶，陸燕勤*，王哲，李東慧

1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004

2.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)研究中心，廣西桂林541004

從溶解氧（DO）變化判別污泥活性受銅離子抑制的影響因素

趙文玉1，2，王慶1，陸燕勤1，2*，王哲1，李東慧1

1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004

2.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)研究中心，廣西桂林541004

以溶解氧（DO）變化值為評價指標(biāo)，研究Cu2+對活性污泥微生物毒性的影響因素（MLSS、HRT、pH、溫度及COD負(fù)荷），以期為重金屬廢水處理及污水廠進(jìn)水沖擊預(yù)防提供參考和依據(jù)。結(jié)果表明：提高M(jìn)LSS能夠顯著提高微生物對Cu2+沖擊的抵抗作用。當(dāng)系統(tǒng)遭受8 mg/L Cu2+沖擊時，MLSS從500 mg/L增大至3000 mg/L時，DO突變從0.65 mg/L減小至0.13 mg/L，抑制性減少了80%；增加HRT，Cu2+對系統(tǒng)的沖擊作用增大。當(dāng)HRT從0.5 min增加到3 min時，反應(yīng)器DO從0.42 mg/L增至0.76 mg/L，沖擊作用增加80.9%；弱酸性條件與Cu2+毒性呈協(xié)同效應(yīng)，弱堿性條件Cu2+可能產(chǎn)生Cu（OH）2沉淀而使其毒性降低。一定范圍升高溫度Cu2+毒性效應(yīng)增強(qiáng)，當(dāng)溫度為36.6℃時Cu2+的毒性作用最大；一定范圍內(nèi)增加COD，有利于系統(tǒng)對Cu2+毒性的抵抗作用，當(dāng)COD大于537 mg/L時，溶解氧變化程度逐漸降低，抵抗作用逐漸增強(qiáng)。

DO變化值；重金屬Cu；生物抑制性；影響因素

城市污水中，重金屬污染日趨嚴(yán)重，以Cu較為常見，其主要來源于采礦、印刷、電鍍等行業(yè)的廢水，給城市污水廠生化處理帶來很大困難［1，2］。重金屬主要通過抑制微生物的呼吸作用，與酶的活性或非活性中心結(jié)合而使其失去活性，阻礙活性污泥微生物正常的生理代謝功能，致使污水處理系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［3］，從而影響污水處理效果和水廠的正常運(yùn)營與管理。

雖然重金屬對微生物的毒性作用機(jī)理沒有完全界定，但相關(guān)文獻(xiàn)指出重金屬對微生物的毒性作用主要取決于其濃度和種類［4］，而Cu等重金屬在各種條件影響下的毒性效應(yīng)研究同樣重要［6］。反應(yīng)動力學(xué)方面，Pai等［5］通過研究Cu和Cd對異氧生物增長速率和自身氧化速率常數(shù)的影響，建立了一種有效的新型抑制率模擬模型，Pamukoglu等［6-8］研究了HRT和SRT等調(diào)控參數(shù)對Cu離子毒性效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)較長HRT時，動力學(xué)修正常數(shù)對系統(tǒng)性能具有良好的預(yù)測能力，增加SRT對COD的去除有利。

在國內(nèi)關(guān)于Cu離子在各種條件影響下對微生物的毒性效應(yīng)的系統(tǒng)性研究較少，本文以微生物耗氧速率（OUR）為原理，DO變化為指標(biāo)的測試方法，通過模擬實驗研究分析MLSS，HRT、COD負(fù)荷，pH，溫度對Cu離子毒性效應(yīng)的影響。確定各種影響因素對微生物重金屬中毒的影響程度，以期為污水處理廠的穩(wěn)定高效運(yùn)營提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 活性污泥重金屬中毒預(yù)警裝置

活性污泥重金屬中毒預(yù)警裝置如圖1所示，活性污泥取自宜興市某污水處理廠生化池，污水取自該污水處理廠進(jìn)水，配制一定濃度含有Cu離子的重金屬模擬污水?；钚晕勰嘀亟饘僦卸绢A(yù)警裝置包括反應(yīng)器、進(jìn)水、進(jìn)泥設(shè)備等，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，有效容積700 mL，底部設(shè)有微量曝氣、攪拌器，使反應(yīng)器中，泥、水、氣三相均勻混合，設(shè)溶氧儀對反應(yīng)器混合液DO進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

圖1 活性污泥重金屬中毒預(yù)警裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of activated sludge poisoning by heavy metals equipment

1.2 試驗方法

首先取自宜興市某污水處理廠污水、污泥，通過蠕動泵按一定比例定量進(jìn)入反應(yīng)器，調(diào)節(jié)微量曝氣閥使混合液DO在2.5±0.3 mg/L范圍內(nèi)，維持以上條件形成相對穩(wěn)定的溶解氧值（DO1），通過調(diào)節(jié)蠕動泵的流量，控制反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度（MLSS）和水力停留時間（HRT）然后在污水中定量投加Cu。連續(xù)監(jiān)測DO變化，待DO上升到最高值（DO2）記錄此值。

重金屬Cu由分析純試劑CuSO4·5H2O配置而成，DO連續(xù)監(jiān)測，取樣間隔時間為15 s。當(dāng)進(jìn)水含有重金屬Cu時，混合液中微生物的呼吸作用受到抑制，反應(yīng)器中處于平穩(wěn)狀態(tài)的溶解氧值由基準(zhǔn)值（DO1）上升到最高值（DO2），則DO變化值=（DO2-DO1）mg/L，抑制率=（DO2-DO1）/DO1*100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 MLSS對反應(yīng)器DO變化的影響

配制廢水Cu離子的濃度均為8 mg/L（以混合液計），調(diào)節(jié)進(jìn)水量、進(jìn)泥量，控制預(yù)警反應(yīng)器中混合液停留時間（HRT）為1 min，實驗時反應(yīng)器混合液溫度為23.2℃，使用的污泥濃度為4576 mg/L，按照梯度調(diào)節(jié)泥水比例（1：7、1：3、1：1.6、1：1、1：0.6、1：0.3），得到混合液MLSS依次為為572、1144、1760、2288、2860、3520 mg/L，廢水中加入Cu離子后，預(yù)警反應(yīng)器中DO變化值和抑制率的的變化情況如圖2所示。

圖2 不同MLSS濃度對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.2 The effect of different MLSS on DO in warning reactor

圖3 不同HRT對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.3 The effect of different HRT on DO in warning reactor

由圖2可知，隨著MLSS濃度升高，同一濃度的Cu對預(yù)警反應(yīng)器造成的沖擊逐漸減弱。當(dāng)MLSS為572 mg/L時，8 mg/L的Cu對活性污泥微生物產(chǎn)生抑制作用，系統(tǒng)產(chǎn)生DO變化為0.65 mg/L，MLSS分別為1144、1760、2288、2860 mg/L時，系統(tǒng)被抑制產(chǎn)生的DO變化分別為0.52、0.47、0.38、0.26 mg/L，當(dāng)MLSS為3520 mg/L時，系統(tǒng)的抵抗能力達(dá)到最大，DO變化值僅為0.13 mg/L，可知當(dāng)MLSS從572 mg/L增大至3520 mg/L時，DO變化值從0.65 mg/L下降至0.13 mg/L，系統(tǒng)對Cu沖擊的抵抗能力增強(qiáng)80%。所以，實驗結(jié)果說明一定程度增加MLSS能夠增強(qiáng)活性污泥系統(tǒng)對重金屬沖擊的抵抗能力，減小MLSS可以起到放大重金屬對活性污泥微生物的毒性作用。

2.2 HRT對反應(yīng)器DO變化的影響

實驗使用的污泥濃度為4576 mg/L，反應(yīng)器混合液溫度為23.4℃，控制預(yù)警反應(yīng)器的條件，使MLSS濃度為1144 mg/L，HRT分別為0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、2.5 min、3 min，研究不同HRT條件下，8 mg/L Cu對活性污泥的生物抑制性。不同HRT條件下，DO變化值和抑制率的變化情況如圖3。

從圖3可以看出，不同的HRT條件下，受到相同濃度Cu沖擊時，系統(tǒng)的受抑制情況不同。當(dāng)HRT從0.5 min增至3 min時，系統(tǒng)的DO變化值逐漸增加，受抑制程度逐漸增強(qiáng)。當(dāng)HRT為0.5 min時，系統(tǒng)受到抑制產(chǎn)生的DO變化值為0.42 mg/L，HRT分別為1、1.5、2、2.5 min時，系統(tǒng)產(chǎn)生的DO變化值分別為0.46、0.53、0.6、0.63 mg/L，當(dāng)HRT為3 min時，抑制程度達(dá)到最大，DO變化值為0.76 mg/L，HRT從0.5 min增至3 min時，DO變化值增加了80.9%。當(dāng)HRT增加時，Cu離子與微生物的接觸時間增加，使得微生物被抑制的程度增強(qiáng)。所以，從實驗結(jié)果可以看出，一定范圍內(nèi)增加HRT會增加重金屬對系統(tǒng)的抑制作用，同時可以為預(yù)警反應(yīng)器條件的優(yōu)化提供參考。

2.3 pH對反應(yīng)器DO變化產(chǎn)生的影響

實驗使用的污泥濃度為4760 mg/L，反應(yīng)器中混合液的溫度為22.3℃，控制系統(tǒng)的反應(yīng)條件，使反應(yīng)器污泥濃度為1190 mg/L，HRT為2 min。調(diào)節(jié)進(jìn)水pH（為酸性），最小值調(diào)至2.96，梯度約為1個pH單位；調(diào)節(jié)進(jìn)水pH（為堿性），最大調(diào)至11.3，調(diào)節(jié)梯度約為0.5個pH單位。圖4和圖5為10 mg/L Cu分別在酸性和堿性條件下對系統(tǒng)進(jìn)行沖擊，DO變化值和抑制率的情況。

由圖4可見，系統(tǒng)在此條件下運(yùn)行時，Cu對系統(tǒng)產(chǎn)生的抑制作用隨著pH的減小逐漸增大。原水pH為7.95，當(dāng)10 mg/LCu對系統(tǒng)沖擊時，DO變化值為0.86 mg/L，當(dāng)按照梯度調(diào)節(jié)進(jìn)水pH分別為6.9、5.95、4.85、3.93時，系統(tǒng)均產(chǎn)生不同程度的抑制作用，DO變化值分別為0.91、1.01、1.03 mg/L，當(dāng)進(jìn)水pH為2.96時Cu對系統(tǒng)產(chǎn)生的抑制作用最大，DO變化值達(dá)到1.11 mg/L。綜上所述，當(dāng)進(jìn)水pH為酸性時，能夠增加Cu離子對活性污泥微生物的毒性，表現(xiàn)出毒性協(xié)同作用。

系統(tǒng)運(yùn)行條件保持一致，堿性條件下Cu對系統(tǒng)的沖擊情況與酸性條件時有所區(qū)別，堿性條件下系統(tǒng)的DO變化情況見圖5。

圖4 不同pH（酸性）對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.4 The effect of different pH（acid）on DO in warning reactor

圖5 不同pH（堿性）對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.5 The effect of different pH（alkaline）on DO in warning reactor

由圖5可以看出，進(jìn)水在堿性條件下時，Cu對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊作用，隨著pH的增加沖擊作用變化不明顯。進(jìn)水pH在7.85～10.83之間時，DO變化值在0.57～0.78 mg/L之間變化。當(dāng)進(jìn)水pH為8.83時，DO變化值最小為0.57 mg/L，說明在弱堿性條件下，Cu對活性污泥微生物的毒性效應(yīng)減弱，這是由于Cu離子與堿性條件的OH-結(jié)合形成Cu（OH）2沉淀，從而降低Cu的毒性效應(yīng)。因此，可以通過利用堿性廢水與酸性含銅廢水進(jìn)行一定比例的混合，來達(dá)到降低Cu毒性效應(yīng)的作用，削弱其對污水廠生化池活性污泥微生物的沖擊，對污水廠的穩(wěn)定運(yùn)營具有實際的意義。

2.4 溫度對反應(yīng)器DO變化產(chǎn)生的影響

實驗使用的污泥濃度為4808 mg/L，反應(yīng)器混合液的溫度為23.3℃，控制系統(tǒng)反應(yīng)條件，調(diào)節(jié)泥水比，使反應(yīng)器的MLSS濃度為1202 mg/L，HRT為1 min。在此條件下運(yùn)行時，通過改變進(jìn)水溫度，使反應(yīng)器混合的溫度升高，按照一定的梯度控制混合液的溫度分別為23.3、28.0、32.8、36.6、40.0、43.0℃，與溫度對應(yīng)的DO變化情況見圖6。

從圖6可以看出，不同溫度使得Cu離子對系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的抑制最用。當(dāng)溫度低于36.6℃時，Cu對系統(tǒng)的抑制作用隨著溫度的升高而增加，23.3℃時抑制作用最小，DO變化值為0.36 mg/L，當(dāng)溫度升高至36.6℃時，Cu對系統(tǒng)的抑制作用達(dá)到最大，DO變化值為0.53 mg/L。而當(dāng)溫度超過36.6℃時，DO變化值又逐漸減小。重金屬Cu的毒性隨著溫度升高而增加的現(xiàn)象可以解釋為活性污泥微生物隨著溫度的逐漸升高，其活性增強(qiáng)，對抑制性物質(zhì)的敏感性提高，表現(xiàn)為抑制性逐漸增強(qiáng)。所以，當(dāng)微生物處于最適宜溫度時，活性最大，對重金屬Cu的敏感性增加，而當(dāng)溫度超過最適溫度時，微生物活性下降，對Cu離子毒性的敏感程度下降，DO變化值減小。

2.5 COD負(fù)荷對反應(yīng)器DO變化產(chǎn)生的影響

實驗過程中使用的MLSS濃度為4464 mg/L，反應(yīng)器混合液的溫度為22.3℃，調(diào)節(jié)泥水的流量及比例，控制系統(tǒng)的反應(yīng)條件為HRT=2 min，MLSS為1116 mg/L。在條件不變的情況下，通過改變進(jìn)水COD負(fù)荷，研究不同進(jìn)水COD負(fù)荷條件下，8 mg/LCu對系統(tǒng)產(chǎn)生抑制的影響程度。隨著進(jìn)水COD負(fù)荷增加，Cu對系統(tǒng)的抑制情況見下圖7。

由圖7可知，在此運(yùn)行條件下，Cu對系統(tǒng)的抑制作用隨著進(jìn)水COD負(fù)荷的增加呈現(xiàn)波動性的抑制現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷在219 mg/L到431 mg/L時，Cu對系統(tǒng)的毒性影響變化不明顯，DO變化值在0.7～0.72 mg/L之間；而當(dāng)COD大于537 mg/L時，DO變化逐漸降低，進(jìn)水COD為537 mg/L時，DO變化值為0.77 mg/L，進(jìn)水COD分別為643、749、855 mg/L時，對應(yīng)的DO變化值分別為0.76、0.68、0.65 mg/L，當(dāng)進(jìn)水COD為961 mg/L時，DO變化值最小為0.5 mg/L。所以，進(jìn)水COD負(fù)荷對Cu的毒性具有一定程度的影響作用，適當(dāng)?shù)脑黾舆M(jìn)水COD負(fù)荷可以一定程度的緩解重金屬Cu對活性污泥微生物的抑制作用，這與榮宏偉等研究的結(jié)論相一致［11］。

圖6 不同溫度對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.6 The effect of different temperature on DO in warning reactor

圖7 不同COD負(fù)荷對預(yù)警反應(yīng)器DO的影響Fig.7 The effect of different COD on DO in warning reactor

3 結(jié)論

（1）一定條件下提高M(jìn)LSS可以有效的削弱重金屬Cu對活性污泥微生物的抑制作用。當(dāng)MLSS從572 mg/L增大至3520 mg/L時，Cu對活性污泥微生物的毒性減少了80%；一定程度提高進(jìn)水COD負(fù)荷有利于污泥微生物對Cu離子的抵抗作用。

（2）進(jìn)水為酸性條件時能夠促進(jìn)Cu離子對活性污泥的毒性作用，原水pH為7.95降低至2.96時，Cu的毒性增加32.6%；而當(dāng)進(jìn)水為弱堿性條件時，可以一定程度的緩解Cu對污泥微生物的毒性作用，當(dāng)進(jìn)水pH為8.83時，Cu的毒性最小，毒性較原水條件下減小26.0%。

（3）一定范圍內(nèi)Cu離子微生物的毒性效應(yīng)隨溫度升高而增加，是因為適當(dāng)提高溫度使微生物的活性增強(qiáng)，對Cu離子的敏感性提高，毒性增加；當(dāng)溫度超過36.6℃時，微生物活性降低，敏感性隨之降低，毒性減小，表現(xiàn)為DO變化值減小。所以同等條件下，污水廠在夏季比冬季更易受重金屬類毒性物質(zhì)影響；一定范圍內(nèi)增加HRT會增加Cu離子對活性污泥微生物的抑制作用，當(dāng)HRT從0.5 min增加到3 min時，沖擊作用增加80.9%。

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The Judgement of the Influence Factors on Sludge Activity Inhibited by Copper Ion from Dissolved Oxygen Change

ZHAO Wen-yu1，2，WANG Qing1，LU Yan-qin1，2*，WANG Zhe1，LI Dong-hui1
1.College of Environmental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China
2.Research Center of Guangxi Mining Industry and Environmental Science，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China

In this paper，in order to provide reference for heavy metals wastewater treatment and wastewater treatment plant influent shock prevention，dissolved oxygen（DO）mutation index was used to study the effect of the toxicity of Cu2+on the microbial activity in different conditions by controlling environmental factors such as MLSS，HRT，pH，temperature and COD load.The results showed that increasing the concentration of activated sludge was obvious in improving the capacity of microorganism in resisting to the toxicity of Cu2+.When the system was impacted by 8 mg/L Cu2+，MLSS increased from 500 mg/L to 3000 mg/L，DO mutation decreased from 0.65 mg/L to 0.13 mg/L，inhibition rate decreased by 80%.When HRT of the system increased from 0.5 min to 3 min，DO mutation increased from 0.42 mg/L to 0.76 mg/L，inhibition rate increased by 80.9%.The pH was cooperative with the toxicity of copper ions at the condition of weak acid.The toxicity of Cu2+would reduce in the situation of alkalescence，because copper ions will react to precipitation as cupric hydroxide.Certain range of raising the temperature would increase the toxicity of copper ions，it would be the maximum toxicity when the temperature raised to 36.6℃.Increasing the COD in a certain range would be favorable for the system to resist the toxicity of Cu2+，DO mutation decreased steadily and the resistant enhanced gradually when the COD was more than 537 mg/L.

Dissolved oxygen mutation；Cu；biological inhibitory；influence factors

［TU992.3］

A

1000-2324（2015）01-0038-05

2013-03-11

2013-03-22

廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究重點項目（2013ZD032）；“廣西危險廢物處置產(chǎn)業(yè)化人才小高地”資助

趙文玉（1973-），副教授，研究方向為水處理理論與技術(shù).E-mail：zhaowenyu@glut.edu.cn

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail：luyanqin@glut.eud.cn