鐵鹽和鋁鹽對活性污泥中微生物的毒性研究進展

劉彎彎 路達 梁淑軒

摘 要：人們進行了大量關于絮凝劑毒性效應的研究，本文總結了鐵鹽和鋁鹽絮凝劑對活性污泥中的微生物所產生的毒性影響，整體來看：鐵鹽和鋁鹽對污水中的微生物有抑制、促進和低濃度促進高濃度抑制三種不同的影響。建議尋找一種最理想的方法來評價絮凝劑對污水處理系統微生物的影響；著力研發無毒的絮凝劑，逐步取代有副作用的絮凝劑；選擇絮凝劑時應全方面考慮，提高效率降低毒性。

關鍵詞：鐵鹽絮凝劑；鋁鹽絮凝劑；微生物；毒性

絮凝過程作為眾多水處理工藝流程中不可缺少的前置關鍵環節，且由于它具有經濟、簡便等優點，也是國內外水處理領域最常用的方法[ 1 ]。在污水處理中使用的絮凝劑種類繁多用量大，在對污水處理效果起到積極作用的情況下，殘留在水中和污泥中的絮凝劑及其副產物也不可避免的給環境和生物帶來潛在風險。這些絮凝劑殘留在水中的成分對活性污泥中的微生物的毒性問題也越來越引起人們的關注。有關鋁鹽絮凝劑和高分子絮凝劑單體的毒性已有較多報道[ 2-3 ]。鐵鹽絮凝劑相對于鋁鹽絮凝劑，殘留量小、生態毒性小，而關于這些鐵鹽絮凝劑的生態影響數據目前還鮮有報道[ 4 ]。

為了更清楚的了解絮凝劑對各方面產生的風險大小，給污水處理中絮凝劑的使用提供更為科學安全的使用指南，國內外許多學者已經以不同的動植物、微生物等作為受試生物進行了多方面的研究。下面是國內外學者對鐵鋁無機絮凝劑對活性污泥中的微生物毒性的研究進展。

1 鐵鹽對活性污泥中微生物的影響

鐵鹽在水處理中的大量應用對活性污泥系統的影響已引起了學者們的關注。有研究發現Fe2（SO4）3在20～60mg/L時對污泥的活性指標脫氫酶活性、比耗氧速率、胞外聚合物影響不明顯，污染物的去除率隨著投加量的增加而增大，在80mg/L時，污泥活性指標開始下降，100mg/L時對污泥活性的抑制率進一步增大，且污染物的去除率降低[ 5 ]。

在Fe3+濃度小于10mg/L時，COD代謝正常且略高于空白，但隨著時間的延長，出現累計毒性；濃度大于15 mg/L時，毒性效應增大，COD代謝能力降低；大于20mg/L后開始出現中毒現象，活性污泥好氧速率下降；大于100mg/L后出現急性中毒現象，COD代謝能力下降[ 6 ]。

含有5% Fe3+的活性污泥系統比空白系統的脫氫酶活性和電子傳遞體系活性提高了50%左右[ 7 ]。通過觀察微生物的生長曲線，Fe3+濃度在0-50mg/L時對制漿中斷廢水好氧活性污泥中的微生物有促進作用，在最佳用量30mg/L時，加Fe3+組比空白組的COD和污染物的去除率都高，且脫氫酶活性也高于空白組[ 8 ]。復合鐵酶促活性污泥較普通活性污泥的電子傳遞體系活性、脫氫酶活性和平均氨氮硝化率分別提高62.5%、17.97%和9.1%，在好氧反應前30min，復合鐵酶促活性污泥系統和普通活性污泥系統的硝化速率分別為10.92和3.28mgN-NH4+/h[ 9 ]。

當鐵鹽用于化學同步除磷時，Fe3+使污泥的MLVSS從0.25 mg/L下降到0.2mg/L，停藥后迅速恢復，Fe2+使MLVSS從0.25 mg/L下降到0.18mg/L，停藥后恢復速度較Fe3+慢，兩種鐵鹽都使亞硝化菌和硝化菌呼吸速率下降，且Fe2+下降更明顯，停藥后沒有恢復的趨勢[ 10 ]。以三價鐵為化學除磷劑的南北方兩座污水廠，對活性污泥呼吸速率（OUR）都產生了抑制，但抑制程度不同[ 11 ]。

綜上，由于學者所采用的污泥活性指標、濃度范圍不一，得出的結論不盡相同，總之鐵鹽對微生物的影響分為在低濃度時對污泥活性有促進作用或者作用不明顯，隨著濃度升高逐漸產生抑制作用、只產生抑制作用和只產生促進作用三種。所使用的指標包括脫氫酶活性、比耗氧速率、污染物去除率、胞外聚合物、電子傳遞體系活性、微生物的生長曲線、亞硝化菌和硝化菌呼吸速率。

2 鋁鹽對活性污泥中微生物的影響

鋁鹽絮凝劑在水處理應用中對處理系統產生的影響也越來越引起人們關注。有人發現高投加量下，聚合態較游離態鋁對活性污泥的脫氫酶活性和呼吸速率影響小。隨接觸時間增長，鋁鹽對活性污泥的抑制作用也隨之增大。提高活性污泥濃度，微生物的耐受力也有所增強，二次暴露試驗表明鋁鹽對活性污泥的影響是非急性的、可逆的[ 12 ]。

有學者發現低濃度下硫酸鋁對污泥OUR抑制較輕，高濃度下30min內OUR下降50%。人工修復后，可加速活性恢復，但短期內難恢復原水平[ 13 ]。有人得出Al對活性污泥的呼吸抑制率達5%和50%時的濃度分別為7mg/L和87.5mg/L，且為可逆抑制作用[ 14 ]。通過測定產甲烷活性，發現鋁鹽使厭氧顆粒污泥的活性明顯降低，但可通過馴化來消除鋁鹽毒性，且清除鋁鹽后活性可恢復。氯化鋁對厭氧顆粒污泥活性的半數抑制濃度在135mg/L左右[ 15 ]。另有學者發現氯化鋁對好氧微生物活性的半數抑制濃度在12-19mg/L間[ 16 ]。

以比耗碳源速率作為測試指標，發現在PAC濃度為7.5mg/L時對微生物沒有影響，10mg/L時產生抑制作用，得出PAC的投加量不宜超過12.5mg/L[ 17 ]。還有人發現在Al投加量為5mg/L時，對活性污泥中微生物的呼吸速率沒有影響，且對有機物的去除效率提高，大于25mg/L時，對活性污泥產生毒性影響，并使整體污染物的去除效果下降[ 6 ]。在加入絮凝劑一段時間后，絮凝劑對活性污泥OUR的抑制率由高到低的順序為PAC>AlCl3>Fe2（SO4）3，加入絮凝劑的砂濾器出水作為反洗水對活性污泥中的微生物沒有明顯的影響，但導致活性污泥總的無機物組分增多[ 17 ]。在使用PAC作為除磷劑時，發現由于二沉池產生的化學污泥不經沉淀直接回流至生物反應池，造成對微生物種群結構、微生物數量、污泥濃度、污泥指數的不利影響，且對二沉池和反硝化生物濾池產生負面效果，使最終出水水質超標。并且發現隨著化學污泥進入生物系統，微生物的好氧速率降低[ 18 ]。有研究發現三價鋁鹽和鐵鹽在南北方污水處理廠的除磷應用中對OUR產生抑制作用但存在差異，且鋁鹽較鐵鹽抑制作用更明顯[ 11 ]。

投加PAC的反應器中單位質量污泥的生物量約提高了3倍，單位體積污泥中的細菌總數較空白增加但氨氧化細菌和亞硝化氧化細菌數量基本沒有變化，COD和磷的去除率高于空白[ 19 ]。

綜上，因不同學者使用的測定方法、藥劑濃度、污泥活性指標不一致，得出了低濃度鋁鹽對活性污泥中的微生物產生輕度抑制作用或促進作用，高濃度鋁鹽產生嚴重抑制，且抑制為可逆的，只有促進作用和只有抑制作用三種結論。

3 結論及建議

鐵鹽和鋁鹽對活性污泥中的微生物活性的影響有三種結論，分別為：低濃度時促進高濃度時抑制、只有促進作用和只有抑制作用三種結論。

在絮凝劑普遍大量應用的情況下，它們的使用對活性污泥中的微生物活性存在風險，且已經被很多研究證明。

現提出以下幾點建議：

1）加強絮凝劑對活性污泥中微生物的毒性研究，建立統一的毒性測試方法；

2）不斷研發新型高效無毒的絮凝劑來替代有使用風險的絮凝劑，或采用絮凝劑聯合使用的手段來降低毒性作用；

3）選擇絮凝劑時應從用量、種類、處理效果、毒性大小、操作環境等方面考慮 。

參考文獻：

[1] 李強，張曉霞，胡星琪.絮凝劑的研究現狀及其應用前景[J].化工時刊，2005，19（11）：42-46.

[2] 崔蘊霞，肖錦.鋁鹽絮凝劑及其環境效應[J].工業水處理，1998（3）：6-9.

[3] 李朝暉.注意選擇飲用水處理用聚丙烯酰胺[J].給水排水，2004，30（10）：42-43.

[4] 李威，周啟星，華濤.鐵鹽絮凝劑與金屬鎘對小麥種子發芽與根伸長的毒性效應[J].農業環境科學學報，2008，27（2）：420-424.

[5] 唐金花，許國仁，蕭靜，等.Fe_2（SO_4）_3對活性污泥微生物活性的影響[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（6）：1-5.

[6] 徐亞同，朱素芳，史家梁，等. Fe～（3+）、Al～（3+）離子及季胺表面活性劑對廢水生化處理的影響[J].上海環境科學，1991（5）.

[7] 袁磊，畢學軍.鐵鹽對活性污泥微生物DHA與ETS活性的影響研究[J].環境工程，2010，28（6）：97-99.

[8] 藍惠霞，耿士文，李慧潔，等.Fe3+存在下制漿中段廢水好氧活性污泥的馴化[J].中國造紙，2015，34（10）：8-12.

[9] 畢學軍，趙方超，邢尚生，等.復合鐵酶促活性污泥抗低溫硝化能力的研究[J].中國給水排水，2013，29（19）.

[10] 姚婧梅.化學同步除磷藥劑對活性污泥系統的影響研究[D].重慶大學，2012.

[11] 侯艷玲，劉艷臣，邱勇，等.化學除磷藥劑中三價鐵鋁對生物系統污泥活性影響的研究[J].給水排水，2010，36（6）：38-41.

[12] 趙春祿，張明明.鋁絮凝劑對活性污泥中微生物活性影響研究[J].環境工程，2000，18（5）：28-29.

[13] 劉勇.鋁鹽投加對生化工藝活性污泥特性的影響[J].城市建設理論研究：電子版，2012（7）：72-73.

[14] 趙慶祥，林吉.重金屬離子對生物污泥活性的抑制[J].上海環境科學，1993（2）：38-40.

[15] 官敏，賀延齡，劉永紅，等.鋁鹽對厭氧微生物產甲烷活性的影響研究[J].中國沼氣，2006，24（1）：18-20.

[16] Chen Y. The Effect on Activated Sludge of Chemical Coagulants Applied in Synchronization Dephosphorization[J].Journal of Environmental Protection，2013，04（12）：1423-1427.

[17] 虞靜靜，馬天，劉志剛，等.污水深度處理投加聚合氯化鋁對微生物活性的影響[J].河海大學學報（自然科學版），2012 40（4）：451-454.

[18] 劉超.化學除磷對城鎮污水廠活性污泥系統的影響[J].中國給水排水，2015（22）：116-118.

[19] 王興斌.鋁鹽混凝劑投加對活性污泥性質的影響研究[D].西安建筑科技大學，2010.

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（51308179）；

河北省教育廳青年基金資助項目（QN20131016）；

保定市科技發展計劃項目（12ZF087）；

河北大學自然基金資助項目（2012-238）

作者簡介：

路達（1972-），男，內蒙古烏海人，河北大學副教授，博士， 研究生導師，主要從事水處理藥劑研究。