典型重金屬離子對雙污泥系統反硝化除磷的影響

郭 婷，董怡然，李 想，呂錫武

(東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096)

近年來，隨著礦物質開采和加工業的迅速發展，水體重金屬污染也越來越受到人們的關注。重金屬污染具有持久性、劇毒性、積累與放大性等特點，不僅污染水環境，也嚴重危害了人類及其他各級生物的生存[1-2]。在采用活性污泥法處理污水的過程中，微量重金屬是微生物生命活動所需的營養物質，是生物酶活性的輔助因子，如銅、鋅、鐵、鎳、鈷等。然而，對于大多數微生物而言，當重金屬離子質量濃度達到一定量(mg/L級)的水平時，會產生抑制作用，降低微生物生長速率和活性，削弱其降解有機物和脫氮除磷的能力，甚至導致死亡[3-6]。

相比于傳統脫氮除磷工藝，雙污泥工藝基于反硝化聚磷菌在缺氧條件下以硝酸鹽為電子受體，同時進行反硝化和過量吸磷，將反硝化聚磷菌和硝化菌獨立分置于兩個反應器內，通過交換上清液達到脫氮除磷的目的，能有效解決傳統工藝中存在的碳源供求、泥齡控制、溶氧競爭等方面的矛盾，具有能耗低、節約碳源、污泥產量小等優點[16-17]。為此，本試驗在培養馴化好的雙污泥系統中，研究了Cd2+、Cu2+和Zn2+存在下雙污泥系統對碳、氮、磷去除效果的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗使用的污泥取自無錫新區污水處理廠。試驗用水為實驗室人工配水，所用藥劑為無水乙酸鈉、葡萄糖、尿素、磷酸二氫鉀、硫酸銨、硝酸鉀、碳酸鈉、氯化鋅、硝酸鎘、硝酸銅，配制CODCr含量為270～295 mg/L，氨氮含量為35～50 mg/L，TN含量為35～50 mg/L，總磷(TP)含量為5～7 mg/L。

1.2 試驗方法

試驗采用的裝置為雙污泥反硝化脫氮除磷系統，工藝流程如圖1所示，主要包含的構筑物有厭氧池(75 L)、厭氧沉淀池(72 L)、硝化池(120 L)、硝化沉淀池(72 L)、缺氧池(75 L)、后置曝氣池(36 L)、終沉池(72 L)，均為PVC材質。進水流量為15 L/h，經蠕動泵提升進入厭氧池，厭氧池及缺氧池含攪拌器使泥水充分混合，硝化池及后置曝氣池中置入曝氣頭，外置風機送風進行曝氣。各階段水力停留時間分別為厭氧段3.0 h、厭氧沉淀0.6 h、硝化段5.5 h、硝化沉淀0.6 h、缺氧段3.0 h、后置曝氣0.5 h、最終沉淀2.5 h。污泥回流比和超越污泥回流比為0.3，硝化污泥回流比為0.5。試驗期間污泥質量濃度控制在2.5～3.5 g/L，污泥齡控制在10～15 d。

圖1 雙污泥系統反硝化除磷工藝Fig.1 Process of Denitrifying Phosphorus Removal in Dual-Sludge System

在3組反應器運行穩定且狀態一致后，將1#反應器設為Cd2+沖擊組，2#反應器設為Cu2+沖擊組，3#反應器設為Zn2+沖擊組。

1.3 試驗儀器及分析方法

試驗儀器：紫外分光光度計(UV 9100B)、溶解氧儀(YSI 200，美國)、COD測試儀(DR 3900)、等離子體發射光譜儀(Optima 8000，美國)等。各項監測指標及檢測方法如表1所示。

表1 試驗分析項目及檢測方法Tab.1 Analysis Items and Determination Methods

2 結果與討論

2.1 重金屬短期沖擊對雙污泥系統的影響

圖2 Cd2+短期沖擊對反應器出水水質的影響Fig.2 Impact of Short-Term Shock of Cd2+ on Effluent Quality of Reactor

圖3 Cu2+短期沖擊對反應器出水水質的影響Fig.3 Impact of Short-Term Shock of Cu2+ on Effluent Quality of Reactor

圖4 Zn2+短期沖擊對反應器出水水質的影響Fig.4 Impact of Short-Term Shock of Zn2+ on Effluent Quality of Reactor

2.2 重金屬長期沖擊對雙污泥系統的影響

2.2.1 Cd2+、Cu2+、Zn2+長期沖擊對系統氨氮處理效果的影響

投加重金屬離子后30 d內系統出水氨氮濃度變化如圖5所示。3種重金屬沖擊前期，出水氨氮濃度均有不同程度的上升，上升幅度為Cd2+>Zn2+>Cu2+，這與重金屬高濃度短期沖擊的試驗結果一致。第6 d后，各組出水氨氮濃度逐漸穩定，說明系統中微生物對沖擊重金屬逐漸產生適應能力。隨著重金屬的持續沖擊，各組中出水氨氮質量濃度再次上升，其中Cd2+和Cu2+沖擊組均在第16 d達到最大值，分別為21.70 mg/L和24.00 mg/L，Zn2+沖擊組在第14 d達到最大值，為12.40 mg/L，說明重金屬的長期沖擊和積累嚴重抑制了系統中微生物的活性和自我調節能力。隨后各組出水氨氮質量濃度小幅度下降，最終Cd2+組、Cu2+組、Zn2+組分別穩定在17、21、10 mg/L左右，因此，3種重金屬對硝化菌的累積毒性和抑制作用關系為Cu2+>Cd2+>Zn2+。

2.2.3 Cd2+、Cu2+、Zn2+長期沖擊對系統CODCr處理效果的影響

投加重金屬離子后30 d內系統出水CODCr濃度變化如圖7所示。Cu2+沖擊第2 d時，出水CODCr濃度略有上升，第4 d時，出水CODCr質量濃度急劇上升至41.39 mg/L，隨后系統經歷了對Cu2+沖擊的適應期，出水CODCr濃度逐漸有所降低。但長期的Cu2+沖擊超出了系統的自我修復和調節能力，在第20 d時出水CODCr質量濃度再次升高，至最高值47.25 mg/L，之后再次下降，最終穩定在38 mg/L左右，說明系統對Cu2+沖擊有了一定的適應能力。Cd2+沖擊后系統的出水CODCr濃度呈現先升高后降低的趨勢，第10 d時出水CODCr質量濃度達到最高值32.49 mg/L，沖擊后期重新降低到27 mg/L左右。Zn2+沖擊后系統出水CODCr濃度與對照組相比變化并不明顯，整體趨勢大致相同，說明Zn2+對系統CODCr處理效果的影響并不明顯。

由圖7可知，在Cd2+、Cu2+、Zn2+的長期沖擊下，系統出水CODCr濃度均有所升高，說明微生物及相關酶的活性以及降解有機物的能力均受到不同程度的抑制作用。3種重金屬離子對系統CODCr處理效果的影響程度為Cu2+>Cd2+>Zn2+，這與高濃度短期沖擊試驗結果一致。

圖7 重金屬長期沖擊對系統出水CODCr質量濃度的影響Fig.7 Impact of Long-Term Shock of Heavy Metals on CODCr Mass Concentration in Effluent

2.2.4 重金屬長期沖擊對各單元水質處理的影響

圖8顯示了重金屬長期沖擊末期各反應單元出水水質的變化情況。

圖8 各反應單元沿程水質變化曲線Fig.8 Curve of Water Quality Variation along Reaction Units

最后污水經過后置曝氣池，進一步降解CODCr，去除少量氨氮和磷，但重金屬沖擊對后置曝氣池內微生物沒有明顯作用。

3 結論

(2)重金屬長期沖擊時，3種重金屬對硝化菌的累積毒性和抑制作用關系為Cu2+>Cd2+>Zn2+，對反硝化聚磷菌的聚磷作用抑制關系為Cu2+>Cd2+>Zn2+，對系統CODCr處理效果的影響程度為Cu2+>Cd2+>Zn2+。

(3)3種重金屬主要通過抑制缺氧池中的反硝化聚磷作用、硝化池中的硝化作用和異養微生物降解CODCr的作用來抑制雙污泥系統的處理效能。相比于重金屬對系統氮磷去除效果的抑制作用，CODCr去除率受到的影響則較小。