Zn(Ⅱ)长期作用对好氧颗粒污泥基本性能与污染物去除功效的影响

郑晓英吴颜科陈 卫冒文娟倪 明陈 瑜

(河海大学环境学院，江苏南京 210098）

Zn(Ⅱ)长期作用对好氧颗粒污泥基本性能与污染物去除功效的影响

郑晓英,吴颜科,陈 卫,冒文娟,倪 明,陈 瑜

(河海大学环境学院，江苏南京 210098）

采用SBR反应器,系统地研究不同质量浓度Zn(Ⅱ)长期作用对好氧颗粒污泥基本性能和污染物去除功效的影响。试验结果表明:当ρ(Zn(Ⅱ))≤5 mg/L时,Zn(Ⅱ)对好氧颗粒污泥基本性能与污染物去除功效影响较小;当ρ(Zn(Ⅱ))≥10mg/L时,Zn(Ⅱ)会导致好氧颗粒污染物去除功效降低,混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度、沉降速率、污泥粒径与结构发生改变。10mg/L以上的Zn(Ⅱ)长期作用会导致污泥粒径变小,结构松散,进而导致污泥沉降性能变差,最终引起ρ(MLSS)下降。Zn(Ⅱ)作用76d后,投加10 mg/L和15 mg/L Zn(Ⅱ)的反应器内NH+4-N、COD去除率分别减低为84.3%和75.1%、90.1%和85.7%;ρ(MLSS)分别降至3658 mg/L和3 225 mg/L;SVI分别升高至94 mL/g和99mL/g;颗粒污泥的平均粒径分别降至0.58mm和0.37mm,部分颗粒污泥解体。

好氧颗粒污泥;Zn(Ⅱ)质量浓度;污泥性能;序批式活性污泥法

好氧颗粒污泥是微生物细胞通过生物、物理、化学等作用自我形成的凝聚体，与普通活性污泥相比，其具有较高的污泥浓度、良好的沉降性能、较高的处理负荷能力等特点。由于其特殊的内部结构和生物相，对有毒物质具有较好的抵抗性[1-2]，因此备受研究者的青睐。

Zn(Ⅱ）(ZnSO4·7H2O）是污水中常见的重金属之一，美国城市污水处理厂进水中Zn(Ⅱ）的质量浓度范围为0.01～1.28 mg/L[3]。而在中国，根据GB8978—1996《污水综合排放标准》[4]，城市污水和工业废水在进入管网系统时，Zn(Ⅱ）的质量浓度必须小于5 mg/L。由于Zn(Ⅱ）的富集作用，在中国某些污水处理厂的活性污泥中，Zn(Ⅱ）质量比可高达2841 mg/kg[5]。低浓度的Zn(Ⅱ）会促进微生物生长，而高浓度的Zn(Ⅱ）会对微生物的生长产生抑制作用。目前有关重金属对好氧颗粒污泥的相关研究多是短期批量试验结果，有关重金属持续、长期影响好氧颗粒污泥的相关研究并不多见。重金属长期作用可能会降低微生物的抵抗能力[6]。因此，本文试验重点探讨污水中不同质量浓度Zn(Ⅱ）长期作用对好氧颗粒污泥基本性质的影响，以期为好氧颗粒污泥在含重金属废水处理中的应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验用水与接种污泥

试验用水为人工模拟生活污水，主要成分如下:ρ(C6H12O6）=350 mg/L，ρ(CH3COONa）=300 mg/L，ρ(蛋白胨）=15 mg/L，ρ(NH4Cl）=100 mg/L，ρ(KH2PO4）=60 mg/L，ρ(MgSO4·4H2O）=20 mg/L，ρ(CaCl2）= 50 mg/L，ρ(FeSO4·7H2O）=20 mg/L。微量元素组成:ρ(Co(NO3）2·6H2O）=3.0 mg/L，ρ(MnCl2·4H2O）= 0.4 mg/L，ρ(Zn(Ⅱ））=0.5 mg/L，ρ(CuSO4·5H2O）=0.05 mg/L。接种絮状污泥取自南京市江宁开发区污水处理厂二沉池。

1.2 试验装置

SBR反应器为有机玻璃制成，直径为80 mm，有效高度为900 mm，有效容积为4 L，每周期换水量2.5 L，试验装置如图1所示。

模拟废水经蠕动泵打入反应器，采用曝气泵供气，通过气体流量计控制气量，曝气量为150 L/h。试验运行周期为6 h，每个周期的具体运行时间为进水10 min，曝气342 min，沉淀3 min，排水5 min。5个反应器(R1、R2、R3、R4、R5）并联运行，试验水温控制在(20±5）℃。

好氧颗粒污泥培养阶段，逐步减少沉淀时间，选择性排出沉降性较差的污泥。经过2个月的运行后，好氧颗粒污泥培养成熟。然后向5个SBR反应器中同步添加Zn(Ⅱ）。R1、R2、R3、R4、R5中Zn(Ⅱ）的质量浓度分别为0 mg/L、3 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L，反应器自添加Zn(Ⅱ）后连续运行80 d，投加Zn(Ⅱ）32d后调整每周期运行时间为进水10min，曝气340 min，沉淀5 min，排水5 min。

1.3 分析方法

COD采用快速测定法；NH+4-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；污泥浓度采用重量法测定。污泥沉降速度的测定方法为:随机取20～30粒颗粒污泥，放入盛满清水的1L量筒中，测定其沉到筒底的时间，计算颗粒污泥的沉降速率vs。污泥粒径采用Malvern LS230型激光粒度仪测定；好氧颗粒污泥的表面结构采用扫描电镜(Model S-570，Hitachi，Japan）观察。

2 结果与讨论

2.1 Zn(Ⅱ)对好氧颗粒污泥污染物去除功效的影响

污染物去除功效是表征好氧颗粒污泥生物处理性能的重要指标。由图2可知，Zn(Ⅱ）连续作用的前30 d，5个反应器内COD的去除率均维持在96%左右，说明Zn(Ⅱ）对COD的去除基本没有影响。这是因为参与有机物降解的异氧微生物可分布于好氧颗粒污泥的各个区域[7]。当好氧颗粒污泥受重金属影响时，虽然位于颗粒表面的异养微生物受到一定程度的影响，但分布于好氧颗粒污泥内部的异养微生物由于受颗粒外部微生物的屏蔽和保护作用而免受Zn(Ⅱ）的直接影响，仍然发挥良好的生物代谢功效。Zhou等[8]研究发现，Zn(Ⅱ）投加质量浓度为5 mg/L时，仅仅生物膜外层(0～0.4 mm）微生物的活性受到影响，其内部的微生物活性反而升高，此研究结论与上述分析一致。但是，Zn(Ⅱ）连续作用35 d后，Zn(Ⅱ）质量浓度为15 mg/L的反应器中COD去除率开始由96.6%降至92.0%。Zn(Ⅱ）连续作用69d后，投加10mg/L Zn(Ⅱ）的反应器中COD去除率也开始逐渐降低。Zn(Ⅱ）连续作用76 d后，2个反应器的COD去除率分别降为85.7%和90.1%。这与Zn(Ⅱ）短期冲击活性污泥的结果不同[9]，主要是由于当好氧颗粒污泥受Zn(Ⅱ）长期作用时，微生物分泌的胞外聚合物与Zn(Ⅱ）发生螯合作用[10]，随着Zn(Ⅱ）作用时间的延长，富集在颗粒污泥表面的Zn(Ⅱ）缓慢地渗入到颗粒污泥内部，进而对颗粒污泥内部的异养微生物产生毒害作用。

ρ(Zn(Ⅱ））≤5 mg/L时，反应器内 NH-N去除率基本维持稳定。然而，ρ(Zn(Ⅱ））=10 mg/L、ρ(Zn(Ⅱ））=15 mg/L时，Zn(Ⅱ）投加初期，反应器内的NH-N去除率从97.4%分别降为87.4%和81.7%。受金属离子的影响NH-N去除率迅速降低，这与Wang等[9]研究得出的Ni(Ⅱ）对活性污泥影响的结果相似。其原因主要基于以下两点:(a）硝化细菌对环境较为敏感，抗重金属冲击能力差；(b）由于好氧颗粒污泥好氧—缺氧—厌氧的特殊结构，决定了硝化细菌位于颗粒污泥上溶解氧最高的外层[11]，当重金属进入系统时，颗粒表面的硝化细菌首先受到影响，从而导致NH-N去除率降低。在质量浓度为10 mg/L和15 mg/L的Zn(Ⅱ）作用80 d后，NH-N去除率分别降至84.3%和75.1%。

2.2 Zn(Ⅱ)对好氧颗粒污泥质量浓度和沉降性能的影响

由图3可知，0 mg/L、3 mg/L、5 mg/L的Zn(Ⅱ）对ρ(MLSS）和SVI影响较小，反应器内ρ(MLSS）和SVI基本维持在4500 mg/L和30 mL/g左右。而 Zn(Ⅱ）投加质量浓度为10 mg/L和15 mg/L的反应器内ρ(MLSS）逐渐降低，SVI逐步升高；作用32 d后，ρ(MLSS）分别降低至3438 mg/L和2896 mg/L，SVI分别升高到68 mL/g和76 mL/g，且出水中掺杂少量松散的细小污泥。此时调整5个反应器的沉降时间由原来的3 min增加至5 min，投加10 mg/L和15 mg/L的Zn(Ⅱ）的反应器内ρ(MLSS）恢复相对稳定，Zn(Ⅱ）作用76 d后反应器内的ρ(MLSS）分别为3658 mg/L和3225 mg/L。此现象表明，ρ(MLSS）的下降主要是因为Zn(Ⅱ）投加后引起污泥沉降性能变差，在选择压的筛选作用下淘洗出沉降性较差的污泥而导致的。

3.后备猪的初次配种，一般在初情期后的第3个情期开始配种,此阶段后备母猪已达到体成熟，能满足怀孕的需要，采取一个情期多次配种，提高产仔数。

好氧颗粒污泥的沉降速率基本在13～53 m/h，远高于活性污泥的沉降速率(8～10 m/h）[12]；较快的沉降速率可以加快固液分离，促使泥水澄清，这是好氧颗粒污泥在应用方面的重要优势之一。污泥的沉降速率vs取决于污泥的密度、絮体大小和污泥结构[13]。表1为投加Zn(Ⅱ）76 d后好氧颗粒污泥沉降速率。研究表明，重金属离子可以与微生物分泌胞外聚合物的-OH、-NH2等基团进行交换、络合等作用，从而使污泥密度增加，有助于沉降速率的提高[14]。但从表1可以看出，随着Zn(Ⅱ）投加浓度的增加，好氧颗粒沉降速率逐渐下降，从41.18m/h降低至9.61 m/h。分析认为，投加Zn(Ⅱ）后导致好氧颗粒污泥结构和颗粒尺寸的变化应该是影响好氧颗粒污泥沉降速率变化的主要因素。

2.3 Zn(Ⅱ)对好氧颗粒污泥粒径和结构的影响

粒径和颗粒结构是好氧颗粒污泥的重要特征参数，由2.2节可知，颗粒粒径和结构对于污泥的沉降性能具有显著影响。从图4可以看出，投加0 mg/L、3 mg/L、5 mg/L Zn(Ⅱ）的反应器内污泥颗粒平均粒径始终维持在0.8mm左右，而投加10 mg/L和15 mg/L Zn(Ⅱ）反应器内的污泥颗粒的平均粒径的变化经历了2个阶段。第1阶段:Zn(Ⅱ）投加初期，反应器内的污泥平均粒径逐步增加，分别在Zn(Ⅱ）作用52 d和9 d后达到最大，此时污泥颗粒平均粒径分别为1.39 mm和1.40 mm。第2阶段:随着Zn(Ⅱ）作用时间的延长，反应器内的污泥平均粒径开始逐渐降低，当Zn(Ⅱ）作用76 d后，污泥颗粒的平均粒径由0.8 mm分别降低至0.57 mm和0.38 mm。此现象表明10 mg/L以上的Zn(Ⅱ）会对好氧颗粒粒径产生较大影响。

众所周知，好氧颗粒污泥是一种边界清晰、结构密实的污泥颗粒。从图5可以看出，ρ(Zn(Ⅱ））≤ 5 mg/L时Zn(Ⅱ）对颗粒污泥整体结构没有明显的破坏作用，而在10 mg/L以上Zn(Ⅱ）的作用下，颗粒污泥结构变得松散。投加10 mg/L Zn(Ⅱ）的颗粒污泥表面丝状菌明显增多，而投加15 mg/L Zn(Ⅱ）的颗粒污泥表面已被类似沉淀物质紧密覆盖(见图6）。根据Zn(Ⅱ）对颗粒污泥结构的影响，可对粒径的变化做如下分析:在10 mg/L以上Zn(Ⅱ）的作用下，丝状菌的滋长引起颗粒污泥结构的松散和膨胀，粒径逐渐增大；当粒径增加到一定程度后，好氧颗粒污泥内部将具有更大的传质阻力，不利于基质的降解[15]，导致颗粒污泥发生自溶。除此之外，高浓度的Zn(Ⅱ）作用会使颗粒污泥表面的空隙和通道被全部阻塞，导致颗粒污泥活性降低并容易在颗粒污泥内部出现厌氧层[16]，破坏颗粒污泥结构，引起颗粒污泥解体、粒径变小。

3 结 论

a.在0～5 mg/L Zn(Ⅱ）长时间作用下，COD和NH-N的去除率无明显变化。好氧颗粒污泥沉降性能基本保持不变，ρ(MLSS）和颗粒平均粒径分别维持在4500 mg/L和0.8 mm左右。

b.当Zn(Ⅱ）≥10 mg/L时，NH-N的去除率在 Zn(Ⅱ）投加初期即开始下降；而投加10 mg/L和15 mg/L Zn(Ⅱ）的反应器内COD去除率分别在Zn(Ⅱ）作用69 d和35 d后开始有所降低。10 mg/L和15 mg/L Zn(Ⅱ）作用76 d时，好氧颗粒污泥的NH-N去除率分别下降为84.3%、75.1%，COD去除率分别下降为90.1%、85.7%。

c.10 mg/L以上Zn(Ⅱ）长期作用会导致好氧颗粒污泥平均粒径减小、结构松散、沉降性能降低、污泥浓度下降。Zn(Ⅱ）作用76 d时，投加10 mg/L和15 mg/L Zn(Ⅱ）的反应器内污泥质量浓度分别降至3658 mg/L和3225 mg/L，颗粒污泥的平均粒径分别降至0.58 mm和0.37 mm，SVI分别升高至94 mL/g和99 mL/g，部分颗粒污泥解体。

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Long-term effects of Zn(Ⅱ）on properties and pollutant removal efficiencies of aerobic granular sludge

ZHENG Xiaoying，WU Yanke，CHEN Wei，MAO Wenjuan，NI Ming，CHEN Yu
(College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The long-term effects of Zn(Ⅱ）on the properties and pollutant removal efficiencies of aerobic granular sludge in sequencing batch reactors(SBR）were investigated systematically.The results show that Zn(Ⅱ）with a concentration less than or equal to 5 mg/L has a slight effect on the properties and pollutant removal efficiencies of aerobic granular sludge.When the concentration of Zn(Ⅱ）is greater than or equal to 10 mg/L，the pollutant removal efficiencies of the sludge are reduced，leading to variations of the mass concentration of mixed liquid suspended solids(MLSS）and the sedimentation rate，granular size，and structure of the sludge.Along with the long-term effects of Zn(Ⅱ），the average diameter of granules decreased，the sludge structure loosened，and the sedimentation ability deteriorated，which，finally，resulted in the decrease of the MLSS concentration.After 10 and 15 mg/L Zn(Ⅱ）were separately dosed for 76 days，the removal rates decreased to 84.3% and 75.1%，respectively，for NH+4-N，and 90.1%and 85.7%，respectively，for COD；the MLSS concentration dropped to 3658 and 3225 mg/L，respectively；the sludge volume index(SVI）increased to 94 and 99 mL/g，respectively；the average particle size decreased to 0.58 and 0.37 mm，respectively；and parts of the granular sludge disintegrated.

aerobic granular sludge；mass concentration of Zn(Ⅱ）；sludge characteristics；SBR

X703

:A

:1000-1980(2015）01-0049-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.01.010

2014-01 07

国家自然科学基金(51208174）；水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-002-2）

郑晓英(1976—），女，重庆人，讲师，博士，主要从事水处理及其资源化研究。E-mail:zhxyqq@hhu.edu.cn