溶解氧突變指數對活性污泥重金屬中毒的預警

陳亞松，杜 郁，楊廣文，趙文玉，陳振國

(1.北京建工環(huán)境發(fā)展有限責任公司，北京 100192;2.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004)

目前，污水處理技術領域中，活性污泥法仍是應用最廣泛的技術之一［1，2］。當污水處理廠廢水中含有生物抑制性物質時，如重金屬離子，會對活性污泥造成中毒，甚至破壞整個生化系統(tǒng)［3］，給污水處理廠運營與管理帶來不便。因此，研究重金屬離子對活性污泥的影響，早期預警活性污泥中毒與否，對污水處理廠的穩(wěn)定運行具有重要的意義。

國內外眾多學者以動植物［4，5］、發(fā)光細菌［6］、硝化細菌［7］、微生物電流［8］以及呼吸速率［9］等為受試生物或指標進行活性污泥中毒的預警方法研究。其中以發(fā)光細菌法的研究和應用較多，但該方法具有發(fā)光強度本底值相差較大、發(fā)光幅度寬的問題且難以實現在線預警監(jiān)測。而其他的預警方法大多存在結果重現性差，甚至相互矛盾的問題，理論與實際應用的差距較大［10］。基于活性污泥呼吸速率(OUR)，利用污水處理廠生化污泥的活性判斷進水水質變化的預警方法，已經得到了開發(fā)和應用［11］。在此原理基礎上，本課題組研究基于活性污泥溶解氧(DO)突變的污泥中毒預警方法［12］，解決了OUR法中測定溶解氧差值的系統(tǒng)誤差問題。本研究模擬污水廠受Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+4種重金屬沖擊，以 DO 突變?yōu)轭A警指標優(yōu)化活性污泥重金屬中毒測試條件，為污水處理廠的穩(wěn)定運行和應急管理提供技術方法。

1 材料與方法

1.1 活性污泥重金屬中毒預警系統(tǒng)

活性污泥重金屬中毒預警系統(tǒng)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水，分別配制成含有不同濃度Cu2+、Cr6+、Pb2+、As5+4 種重金屬的模擬廢水。活性污泥重金屬中毒預警系統(tǒng)包括反應器、進水、進泥設備等，預警反應器由有機玻璃制成，有效容積為700 mL，底部設有微量曝氣、攪拌系統(tǒng)。配置的污水和取自污水廠的污泥通過蠕動泵進入預警反應器中，對反應器進行微量曝氣至溶解氧為恒定值，泥、水、氣在密閉的預警反應器內實現均勻混合和反應，溶氧儀每隔15 s對DO進行連續(xù)監(jiān)測。

圖1 活性污泥重金屬中毒預警系統(tǒng)圖Fig.1 Early Warning System of Activated Sludge Poisoned by Heavy Metals

1.2 試驗方法

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入預警反應器，調節(jié)微量曝氣至DO在2～3.5 mg/L，維持以上條件形成相對穩(wěn)定的溶解氧值(DO1)，然后在污水中投加不同種類重金屬離子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和 As5+)，配成不同重金屬濃度(3、8和15 mg/L)的進水，連續(xù)監(jiān)測 DO變化，待DO上升到最高值(DO2)，每種重金屬廢水完成一個周期的毒性監(jiān)測后，停止含重金屬廢水的進水，轉換為原污水進水，待DO穩(wěn)定到2～3.5 mg/L時，再次通入另外一種含重金屬廢水進行試驗，待DO上升到最高值(DO2)，停止含重金屬污水的進水，依次重復步驟。通過調節(jié)蠕動泵的流量，控制預警反應器內的污泥濃度(MLSS)和水力停留時間(HRT)，優(yōu)化測定參數。

重金屬溶液均由分析純試劑配制而成，DO連續(xù)監(jiān)測，間隔時間15 s。當進水含有重金屬時，其溶解氧值由基準值(DO1)上升到最高值(DO2)，則DO突變值=(DO2-DO1)mg/L。

2 結果與討論

2.1 不同種類重金屬對活性污泥DO突變的影響

配制廢水的金屬離子濃度均為15 mg/L，調節(jié)進水量、進泥量，控制預警反應器中泥水比為1∶3，MLSS為1 000 mg/L，混合液HRT為1 min，廢水中加入4種重金屬離子后，預警反應器中DO隨時間的變化如圖2所示。

圖2 不同種類重金屬對活性污泥DO值的影響Fig.2 Effect of Four Heavy Metals on DO Mutation of Activated Sludge

由圖2可知廢水中加入重金屬離子后，活性污泥中DO均發(fā)生明顯突變，且DO突變的程度與重金屬種類有關。金屬離子(Cu2+、Cr6+、Pb2+和As5+)產生 的 DO 突 變 量 分 別 為 0.87、0.6、0.4、0.75 mg/L。重金屬離子會抑制活性污泥的呼吸速率，導致DO快速上升，以上重金屬離子對活性污泥中微生物均有明顯的抑制作用，其中Cu2+對活性污泥活性抑制能力最強，DO突變量為0.87 mg/L;其次為As5+，其DO突變量為0.75 mg/L;Cr6+對活性污泥產生沖擊使DO突變量為0.6 mg/L;對活性污泥抑制最小的是Pb2+，DO突變量為0.4 mg/L。DO突變量直接反映了4種重金屬離子致污水處理廠活性污泥中毒的程度。由于不同重金屬離子試驗的條件相同，4種重金屬對活性污泥產生毒性大小的順序為Cu2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+。其中Cu2+＞ As5+＞Cr6+的毒性順序與Fulladosa等［13］研究結論一致，Jang-Cheon Cho等［14］利用發(fā)光細菌在實驗室條件下對不同重金屬毒性大小進行研究，結果與本研究基本相同。而Pb2+毒性與其有所差異，主要是因為受試對象和環(huán)境條件的差異，本研究所取的活性污泥，由于該廠含高比例的工業(yè)廢水，其污泥中累積的鉛濃度高達142 mg/kg，活性污泥受含鉛廢水的馴化，具有一定的耐受能力。因此，活性污泥DO突變能有效預警不同種類重金屬對污水處理廠活性污泥產生的毒性。

2.2 不同濃度重金屬離子對活性污泥DO突變的影響

為了驗證活性污泥對重金屬濃度靈敏度，研究不同濃度Cu2+、As5+兩種重金屬對活性污泥DO的變化的影響(如圖3所示)，控制反應器中泥水比為1∶3、MLSS 為1 000 mg/L、混合液 HRT 為 1 min。不同濃度Cr6+和Pb2+兩種重金屬對活性污泥DO變化的影響如圖4所示，控制反應器中泥水比為1∶3、MLSS為1 000 mg/L、混合液HRT為2 min。

圖3 不同濃度Cu2+、As5+對活性污泥DO的影響Fig.3 Effect of Different Dosages of Cu2+ ，As5+on DO Mutation of Activated Sludge

由圖3可知在不同As5+濃度下，活性污泥均表現出明顯的DO突變，且隨著As5+濃度的增加，DO突變量逐步增大。當進水As5+濃度為3、8、15 mg/L時，活性污泥相應的 DO 突變量分別為0.32、0.54、0.75 mg/L。表明隨著進水As5+濃度的增高，其對活性污泥的抑制性逐步增強，并存在一定的劑量-效應關系。保持上述條件不變，不同濃度的Cu2+對活性污泥也會引起明顯的DO突變，但DO突變量并沒有隨著Cu2+濃度的升高而顯著增大，DO突變量基本在0.84 mg/L左右。這可能是由于在此MLSS與HRT運行條件下，進水3 mg/L Cu2+濃度對活性污泥的抑制就已達到上限，繼續(xù)增加濃度其抑制性并沒有明顯增強，Cu2+對活性污泥抑制最為靈敏，這與胡洪營等［11］在昆山市污水廠的研究結果一致。因此，采用DO突變量能快速靈敏探測到進水中低濃度重金屬，預警進水重金屬離子對污水處理廠活性污泥的毒性作用。

圖4 不同濃度Cr6+、Pb2+對活性污泥DO的影響Fig.4 Effect of Different Dosages of Cr6+ ，Pb2+on DO Mutation of Activated Sludge

由圖4可知隨著Cr6+濃度的增加，活性污泥DO突變量逐漸升高。當進水Cr6+濃度為3 mg/L時DO突變量為0.27 mg/L;8 mg/L時DO突變量為0.39 mg/L;15 mg/L 時DO 突變量為0.53 mg/L。表明隨著進水Cr6+濃度的增高，其對活性污泥的抑制作用逐步加強，存在劑量-效應關系。保持上述條件不變，不同濃度的Pb2+均對活性污泥產生DO突變，但DO突變量并沒有隨著Pb2+濃度的升高而顯著增大，DO突變量基本在0.31 mg/L左右。這可能是因為所取污水廠污泥中含有大量的鉛，污泥經過長期的馴化，其對Pb2+有較強的耐受能力，能夠承受一定濃度范圍內Pb2+的毒性。

2.3 不同MLSS對DO突變的影響

不同濃度的活性污泥對重金屬的耐受能力一般是不同的。以Pb2+為代表，分別在三種不同的Pb2+濃度、不同的MLSS濃度下，進行DO突變的試驗，結果如圖5所示。

由圖5可知當廢水中Pb2+濃度在3、8、15 mg/L時，2 000 mg/L MLSS的DO突變量低于1 000 mg/L MLSS的 DO 突變量(0.4～0.48 mg/L)。同時，當MLSS為1 000 mg/L時，不同濃度Pb2+毒性差別較小，與圖4中結果一致。但當MLSS為2 000 mg/L時，其DO突變量隨著Pb2+濃度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+為 3 mg/L)增高至0.3 mg/L(Pb2+為15 mg/L)。因此，污泥濃度對DO突變量的影響較大，特別對提高預警的精度和閾值范圍有較大的影響，提高污泥濃度可以削弱Pb2+對活性污泥微生物的抑制作用，采用1 000 mg/L活性污泥來預警重金屬中毒相對更靈敏。

圖5 MLSS對活性污泥Pb2+中毒DO突變的影響Fig.5 Effect of MLSS on DO Mutation of Activated Sludge Poisoned by Pb2+

3 結論

(1)不同種類重金屬對活性污泥均有不同程度的抑制作用。15 mg/L Cu2+對活性污泥的影響最大，DO突變量為0.87 mg/L。Pb2+產生的影響最小，DO突變量為0.40 mg/L。不同金屬離子對活性污泥毒性大小的順序為Cu2+＞As5+＞Cr6+＞Pb2+，因此活性污泥對不同重金屬具有不同的靈敏度。

(2)隨著As5+和Cr6+濃度增加，對活性污泥抑制性越強，當其濃度由3 mg/L增加到15 mg/L時，對應的DO突變量由0.32和0.27 mg/L分別上升至0.75和0.53 mg/L。當 Cu2+為3 mg/L 時對活性污泥抑制就達到最大，繼續(xù)增大Cu2+濃度，其DO突變值變化不大;Pb2+隨著濃度增加DO突變量并未明顯改變，可能與受試污泥對Pb2+的耐受能力有關。

(3)不同污泥濃度對DO突變量的影響較大，以Pb2+為例，提高MLSS至2 000 mg/L時，其DO突變由0.4 ～0.48 mg/L 降低至0.16 ～0.3 mg/L，且在此污泥濃度下，DO突變量隨著Pb2+濃度的增高而增高，由0.16 mg/L(Pb2+為 3 mg/L)逐漸增高至0.3 mg/L(Pb2+為15 mg/L)。

(4)利用DO突變對廢水的毒性進行預警，能夠判別4種重金屬離子對活性污泥的生物抑制作用，在一定程度上能夠對進水毒性物質如重金屬進行監(jiān)控預警。但是，由于污水處理廠廢水成分的復雜性，針對不同污水廠的廢水特征、生物抑制性物質種類，有待進一步深入研究，為污水處理廠生化處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供預警方法。

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