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生物脱氮系统对重金属的耐受性研究 * 荣宏伟 1 张可方 1 王勤 2 张朝升 1 1. 广州大学土木工程学院， 广州 510006;2. 广州市政工程设计研究院， 广州 510060 摘要 工业废水和生活污水合并集中处理是未来城市污水处理厂的趋向。根据工业废水中常见的 Cu2 和 Zn2 两种重 金属离子， 研究了生物脱氮系统对 Cu2 和 Zn2 的耐受性。试验发现 ρ Cu2 0. 5 mg/L对生物脱氮系统中 COD 和 TN 的去除产生明显的破坏作用， ρ Cu2 5 mg/L对 NH 4 -N 的去除影响较大， 对硝化过程产生抑制作用。ρ Zn2 30 mg/L时对生物脱氮系统的有机物、 NH 4 -N 和 TN 的去除产生明显的影响。通过逐渐提高 Cu2 、 Zn2 浓度对生物 脱氮系统进行驯化， 可显著提高微生物对重金属的适应性和耐受性， 保证污水处理效率。 关键词 重金属; 生物脱氮; 抑制; 耐受性 STUDY ON THE TOLERANCE OF HEAVY METALS IN BIOLOGICAL DENITRIFICATION SYSTEM Rong Hongwei1Zhang Kefang1Wang Qin2Zhang Chaosheng1 1. School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China; 2. Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute， Guangzhou 510060， China AbstractFuture tendency of municipal wastewater treatment plant is that domestic sewage will be combined with industrial wastewater to be treated. In this paper，the tolerance of heavy metals in biological denitrification system was studied according to Cu2 and Zn2 which were the most common ions in industrial wastewater. When Cu2 was more than 0. 5 mg/L，the removal of COD and TN was destroyed. It was found that which had inhibiting effect on biological nitrogen when Cu2 was more than 5mg/L based on tests. The zinc ion would influence the removals of COD，NH 4 -N and TN when Zn2 was only more than 30 mg/L. The tolerance and adaptability of microorganisms for heavy metals were significantly increased in biological denitrification system by gradually increasing the concentrations of Cu2 and Zn2 and the efficiency of wastewater treatment was ensured. Keywordsheavy metals; biological denitrification; inhibition; tolerance * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 20082X07211- 007 ; 国家自 然科学基金 50878058 ; 广东省自然科学基金 9251009101000001 。 近年研究发现生活污水可弥补工业废水营养物 质不足的缺陷， 两者的集中合并处理不但能节省基建 投资、 能源及运行管理费用， 且会取得更好的处理效 果 ［ 1］。但在冶炼、 选矿、 机械制造、 化工等工业废水 中广泛存在的重金属离子， 是废水中的主要有毒成分 之一 ［ 2］。所以由这两者组成的城市污水中， 不可避 免地含有一定浓度的重金属盐类。微量重金属是微 生物生命活动所需营养物质 ［ 3］， 但微生物对各种微 量重金属的需要 量极少， 过 量 反 而 会 引 起 毒 害 作 用 ［ 4- 6］。铜和锌是最常见的两种重金属离子， 也是污 水处理中经常遇到的金属离子， 本试验在驯化好的活 性污泥系统中， 研究了生物脱氮系统对铜、 锌两种重 金属的耐受性， 为确定微生物对污水中的重金属离子 的耐受程度， 提高污水生物处理系统运行的稳定性， 为污水的综合处理应用奠定理论基础。 1试验材料与方法 1. 1试验材料 本试验使用的活性污泥取自广州猎德污水厂二 沉池的回流污泥。由硫酸铜、 硫酸锌和去离子水配制 重金属离子废水。 1. 2试验用水 试验 采 用 人 工 模 拟 废 水，以 自 来 水、淀 粉、 NH4Cl、 KH2PO4、 MgSO4、 CaCl2、 FeSO4及一些微量元 素配制而成， 其水质见表 1。 61 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 表 1原水水质 mg/L 项目ρ CODρ TNρ NH 4-N ρ NO － 3-N ρ NO2-N 数值220 ～ 24028. 3 ～ 33. 228. 5 ～ 32. 40. 1 ～ 1. 010. 1 ～ 0. 4 1. 3试验方法 首先采用模拟城市污水为试验用水对试验污泥 进行培养驯化。驯化阶段采用间歇运行方式进行驯 化， 采用的操作模式 6 h为 1 个周期， 每个周期依次 瞬时进水， 好氧曝气5 h， 沉淀30 min， 排水30 min。 经 过20 d左右的驯化， 出水中的 ρ COD 0. 5 mg/L时将对生物脱 氮系统的有机物和 TN 的去除产生明显的破坏作用， ρ Cu2 5 mg/L时会对 NH 4 -N 的去除有较大影 响， 对硝化过程产生抑制作用。 2. 1. 2Zn2 对生物脱氮系统的影响 Zn2 对生物脱氮系统的影响见图 2。 图 2Zn2 对生物脱氮系统的影响 从 图 2 可 以 看 出 ρ Zn2 ≤ 30 mg/L 时， 对 COD、 NH 4 -N 及 TN 的去除效果影响不大， 去除率分 别保持在 80 、 95 和 70 以上， 其中当 ρ Zn2 在 0. 2 ～ 5. 0 mg/L时， TN 的去除效果略有提高， 说明低 浓度的 Zn2 对 反 硝 化 具 有 一 定 的 促 进 作 用。当 ρ Zn2 30 mg/L 时， 随 Zn2 浓 度 的 增 加 COD、 NH 4 -N 及 TN 的去除效果开始明显下降， 说明 Zn2 对微生物的活性产生了明显的抑制作用。由于 TN 和 NH 4 -N 去除率的下降速率基本一致， 所以 Zn2 对 TN 去除的影响主要是由于硝化过程受到抑制而造 成的。 因此， 当水中 ρ Zn2 30 mg/L时将对生物脱 氮系统的有机物、 NH 4 -N 和 TN 的去除产生明显的影 响， 对微生物的活性产生抑制作用， 生物脱氮系统对 Zn2 的耐受浓度为30 mg/L。 71 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 2. 2生物脱氮系统对 Cu2 的耐受性研究 从培养驯化好的活性污泥系统中取出2. 5 L的泥 水混合物， 使其 MLSS 保持在2 000 mg/L左右， 试验 方案采用循序渐增的方式逐渐提高原水中 Cu2 浓 度， 即待生物脱氮系统对上一级浓度恢复适应之后再 增加原水中 Cu2 含量。试验分别在第 1， 6， 13， 20， 31， 51 天开始将原水中 Cu2 浓度提升至 0. 5， 1， 2， 10， 30， 40 mg/L， 对生物脱氮系统进行 Cu2 的耐受性 试验， 试验结果如图 3 所示。 图 3生物脱氮系统对 Cu2 的耐受性情况 由图 3 可以看出， 从第 1 天开始 ρ Cu2 达到 0. 5 mg/L后， COD 的去除率有较小降低， 但经过5 d 很快就恢复到未加入 Cu2 时的水平; 之后在第 6， 13， 20， 31 天 ρ Cu2 分别提升至 1， 2， 10， 30 mg/L， COD 去除 率 经 历 了 几 次 下 降 和 恢 复，当 在 第 51 天 ρ Cu2 提高至40 mg/L后， COD 去除率略有下降， 仅 从之前的 89. 25 下降到 82. 22 ， 而且经过2 d左 右， 系统中 COD 去除率就很快得到恢复， 并维持在 85 以上。 在第 1， 6， 13 天原水中 ρ Cu2 分别达0. 5， 1， 2 mg/L时， 生物脱氮系统中 NH 4 -N 的去除受到的冲 击较小， 去除率始终保持在 95 以上。但在第 20 天， ρ Cu2 达10 mg/L时， 系统中 NH 4 -N 的去除率 受到较大冲击， 在此浓度条件下氨氮的去除率持续下 降， 在第 22 天下降到最低点 80. 11 ， 此后过 8 d 后 系统 NH 4 -N 去 除 率 逐 渐 恢 复 正 常; 在 第 31 天 起 ρ Cu2 增加至30 mg/L， 系统中氨氮去除率受到了 更大的冲击， 去除率迅速下降至 75 左右， 并经过 20 d左右的时间， NH 4 -N 去除率才逐渐恢复正常。 从第 51 天开始， ρ Cu2 增至40 mg/L， 此时系统中 NH 4 -N去除率未受到影响， 维持在 95 以上， 说明硝 化细菌已对 Cu2 具有了很好的耐受性。 在驯化开始阶段， 生物脱氮系统中 ρ Cu2 为 0. 5 mg/L时， TN 的去除率有一定提升， 说明微量的重 金属 Cu2 能够促进反硝化作用， 对生物脱氮系统有 益。在第 6， 13， 20 天， ρ Cu2 提升至 1， 2， 10 mg/L 时， TN 去除受到一定的冲击， 去除率都有所下降， 经 过几天后系统适应了 Cu2 的影响， TN 去除率逐渐恢 复正常。当在第 31 天， ρ Cu2 升高至30 mg/L时， 此时系统中 TN 去除受到了较大冲击， 但比起未经驯 化直接加入30 mg/L Cu2 时所受影响要小很多， 说明 前一阶段驯化起到一定的积极作用， 经过20 d左右驯 化系统逐渐恢复正常。在第 51 天起ρ Cu2 升高至 40 mg/L时， 此时 TN 去除率基本未受到影响， 去除率 维持在 70 左右， 说明生物脱氮系统中反硝化细菌 对 Cu2 产生了抵抗机制。 综上分析可以得出， 在经历了 Cu2 浓度连续循 序递增的几次冲击与恢复后， 生物脱氮系统被驯化成 功， 微生物对重金属 Cu2 的耐受性得到明显提高。 2. 3生物脱氮系统对 Zn2 的耐受性研究 从培养驯化好的活性污泥系统中取出2. 5 L的泥 水混合物， 使其 MLSS 保持在2 000 mg/L左右， 试验 方案采用循序渐增的方式逐渐提高原水中 Zn2 浓 度， 即待生物脱氮系统对上一浓度恢复适应之后再增 加原水中 Zn2 含量。试验分别在第 1， 6， 11， 16， 25， 37 天开始将原水中 ρ Zn2 提升至 1， 10， 20， 30， 50， 60 mg/L， 对生物脱氮系统进行 Zn2 的耐受性试验， 试验效果情况如图 4 所示。 81 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 图 4生物脱氮系统对 Zn2 的耐受性情况 从图 4 可以看出， 由于生物脱氮系统对 Zn2 的 耐受浓度较高， 所以经过逐渐提高水中 Zn2 的浓度 进行培养驯化， 重金属 Zn2 对 COD 的降解仅有微小 波动， 并当 ρ Zn2 60 mg/L时， 对 COD 的去除效 果也影响不大， 在驯化期间去除率保持在 80 以上， 说明异养菌对 Zn2 的耐受性较易驯化。 生物脱氮系统在第 1， 6， 11， 16 天分别将原水中 ρ Zn2 增加至 1， 10， 20， 30 mg/L后， 系统在连续的 培养驯化过程中 NH 4 -N 和 TN 的去除效果未受到影 响， 在 ρ Zn2 1 mg/L时 TN 的去除率还有所增 加， 说明了微量重金属 Zn2 对生物脱氮系统中脱氮 有一定的促进作用。在第 25 天开始 ρ Zn2 增加至 50 mg/L后， 生物脱氮系统受到了一定的冲击， NH 4 - N 和 TN 的去除效果均开始下降， 分别从原来的平均 95 和 70 下降到 85 和 60 ， 但其下降幅度明显 小于驯化前 ρ Zn2 为50 mg/L时的下降量， 说明经 过连续驯化已具有了一定的耐受性。经过10 d左右 的驯化， 系统 NH 4 -N 和 TN 的去除效果恢复到正常。 在第 37 天开始 ρ Zn2 进一步提高至60 mg/L时， 系 统中氨氮去除率几乎没有降低， 处理效果稳定， 说明 硝化细菌和反硝化细菌驯化成功。 从试验结果可以看出， 生物脱氮系统中微生物对 环境的适应能力很强， 对微生物进行一个长期的生理 驯化过程， 通过基因突变、 生理适应和抗性质粒转移 等途径实现对重金属离子的适应与耐受性， 这对未来 工业废水与城市废水合理处理将提供一定的参考价 值， 使微生物治理方法的应用范围更加广泛。 3结论 1 ρ Cu2 0. 5 mg/L时， 对生物脱氮系统的有 机物和 TN 的去除产生明显的破坏作用; ρ Cu2 5 mg/L时， 对 NH 4 -N 的影响较大， 对硝化过程产 生抑制作用。 2 ρ Zn2 30 mg/L时， 对生物脱氮系统的有 机物、 NH 4 -N 和 TN 的去除产生明显的影响， 对微生 物的活性产生抑制作用。 3 通过循序渐增的方式逐渐提高原水中 Cu2 、 Zn2 浓度对生物脱氮系统进行驯化， 可显著提高微生 物对重金属的适应性和耐受性， 保证污水处理效率。 参考文献 ［1 ］ 李洪亮， 陈玉成. 污水生物处理中重金属的毒理学研究进展 ［J］ . 微量元素与健康研究， 2006， 23 1 49- 51. ［2 ］ 魏翔， 任洪强， 袁粒， 等. 混合重金属对硝化颗粒污泥毒性作用 的析因实验研究［J］ . 环境工程学报， 2007， 1 5 101- 104. ［3 ］ Jefferson B，Burgess J E. 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