CASS工艺微生物抵抗含Cu2Ni2锻造添加剂废水毒性的效果

生态环境学报2009,18(6):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（50678041）作者简介：李鑫（1984年生），女，硕士研究生，研究方向：污水处理理论与技术研究。[e-mail]收稿日期：2009-09-22CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水毒性的效果李鑫1，孙志民2，赵铭珊3，梁方瑜2，邬慧雅21.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168；2.广州市市政工程设计研究院，广东广州510060；3.东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012摘要：工（产）业园区内企业在紧急情况下排放的污水中，有毒物质会影响污水处理厂活性污泥微生物的活性，甚至导致微生物的死亡。基于此，利用CASS工艺的特点检验微生物系统抗冲击毒性的能力，通过不同的配比浓度调整试验水样中Cu2+、Ni2+的质量浓度，监测CASS系统进出水的Cu2+、Ni2+、CODcr指标，用以判断微生物系统是否受到影响，进而确定CASS微生物系统抗毒性冲击的临界点。结果表明：Cu2+质量浓度小于3.0mg·L-1，Ni2+质量浓度小于5.0mg·L-1时，CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水的毒性能力较强，对Cu2+、Ni2+、CODcr的去除率均可以达到80%；当Cu2+质量浓度大于3.0mg·L-1，Ni2+质量浓度大于5.0mg·L-1时，CASS工艺微生物对毒性抵抗能力显著降低，活性受到严重破坏，对Cu2+、Ni2+、CODcr去除率下降至60%以下。所以可以确定CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水毒性的最高质量浓度限值，Cu2+为3.0mg·L-1，Ni2+为5.0mg·L-1。为污水处理厂实际运行工程中避免活性污泥微生物系统受毒性冲击而导致运行瘫痪提供参考依据。关键词：CASS工艺；活性污泥微生物；锻造添加剂废水；毒性中图分类号：171.5文献标识码：A文章编号：1674-5906（2009）06-2098-04我国的污水处理通常采用分散处理与集中处理的二级处理方式，但由于各企业存在着处理设备简单、没有维修处理设施等问题，导致工业企业的超标排放的污水集中进入污水处理厂，造成污水处理厂生物系统的瘫痪。目前，发达国家如美国、德国、加拿大以及日本采用的是工业生产废水集中处理的方法，即CWT。将生产废水收集后集中处理，或者将相近种类的工厂集中在一个区域，建立集中生产废水处理厂。因此，不存在工业企业超标排放生产废水的问题。进入到污水处理厂的超标排放的污水为各个工业的集中废水，污染物的种类繁多、浓度高，处理难度比单一种类的废水要高。国内通常采用的是先物理方法预处理然后采用电化学或膜处理方法。但这种方法存在着需要改动污水处理厂的构筑物，耗时耗财。基于此，笔者的处理思路是预处理将超标的工业废水控制在污水处理厂微生物系统能够承受的范围内，利用微生物系统达到处理效果。本文主要研究微生物系统的承受范围。CASS工艺是公认的用于生活污水及工业废水处理的先进工艺[1]，在我国已经得到推广应用，每个CASS池进水、排水相对独立、间歇，互不干涉、互不影响，因此CASS工艺具有很强的抗毒性冲击能力[3,4,5]。笔者以广州市经济技术开发区永和水质净化厂三期工程为例，针对含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水，利用CASS工艺抗毒性冲击能力强的特点研究微生物系统对Cu2+、Ni2+毒性的抵抗能力。1材料与方法1.1材料将企业的锻造添加剂废水与广州开发区永和水质净化厂的正常进水的配比水作为试验水样。从外管网用潜污泵抽取永和水质净化厂正常进水至储水罐内，同时用磁力泵向储水罐内投加企业生产废水，进行调配。用转子流量计控制加入的水量，保持调配比例的稳定；将调配后的水，用潜污泵输送至物化处理试验装置，目的旨为去除大部分Cu2+、Ni2+等重金属离子，以及有机污染物，之后投加至CASS试验装置进行生化处理，目的旨为将物化装置出水水质控制在微生物所能承受的负荷范围内，对物化处理效果进行验证。将取自广州开发区永和水质净化厂曝气池中的活性污泥在CASS池中进行培养驯化作为动态试验的活性污泥。1.2实验方法CASS试验装置如图1所示，用钢板制作而成。分为A、B两个独立的池体，每池尺寸均为0.6m×0.8李鑫等：CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水毒性的效果2099m×1.8m，采用盘式微孔曝气器曝气，气水比为10∶1，其中A池进行毒性试验，B池作空白试验进行对照。由于小型滗水器加工较困难，本试验采用在侧壁不同高度设置排水管排出沉淀后的上清液，池底部设置排泥口。活性污泥MLSS控制在4000mg·L-1左右，按照CASS工艺以序批式曝气-非曝气的方式运行[6]，一个周期为进水0.2h、曝气2.8h、沉淀0.5h、排水0.5h。待CASS模型系统运行稳定，出水水质满足排放要求后，投加含有Cu2+、Ni2+的物化处理出水，考查其对活性污泥微生物的冲击与毒性，检测CASS进出水中Cu2+、Ni2+、CODcr指标。2结果及分析2.1Cu2+、Ni2+去除效果分析活性污泥微生物系统对Cu2+、Ni2+的去除率与进水的Cu2+、Ni2+质量浓度有关，如图2、图3所示，对Cu2+、Ni2+的去除率与进水水样中Cu2+、Ni2+质量浓度呈现的是负相关性变化。进水Cu2+、Ni2+的质量浓度分别小于3.0mg·L-1和5.0mg·L-1时，活性污泥微生物系统对Cu2+、Ni2+的去除率高，可达到80%以上，出水Cu2+的质量浓度小于0.5mg·L-1，Ni2+的质量浓度小于1.0mg·L-1，达到了国家污水综合排放标准；进水Cu2+、Ni2+的质量浓度分别大于3.0mg·L-1和5.0mg·L-1时，Cu2+、Ni2+的去除率明显下降，出水不达标，并且CASS池内出现浮渣，活性污泥的性状也发生显著变化，颜色变为黑色，沉降性能降低，说明当进水Cu2+、Ni2+的质量浓度分别大于3.0mg·L-1和5.0mg·L-1时，活性污泥微生物系统受到有毒物质毒性的冲击，污泥活性明显受到影响，甚至有部分微生物死亡。2.2进水Cu2+、Ni2+质量浓度对CODcr去除效果分析图4、图5分别为不同Cu2+、Ni2+质量浓度下CODcr的去除率，当进水Cu2+质量浓度小于3.0mg·L-1、Ni2+质量浓度小于5.0mg·L-1时，活性污泥微生物对CODcr的去除率高，可达到80%以上，出水CODcr小于40mg·L-1，满足国家污水综合排放标图1试验装置示意图Fig.1ExperimentsSetup00.20.40.60.811.21.41.61.820.360.640.771.021.922.653.033.693.96ρ(Cu2+inrawwater)/(mg•L-1)ρ(Cu2+intraetedwater)/(mg•L-1)0102030405060708090100去除率(Cu2+)/%ρ去除率图2不同Cu2+质量浓度下Cu2+去除率Fig.2theRemovalofCu2+inDifferentConcentrationofCu2+00.511.522.533.50.481.151.361.773.234.474.966.136.58ρ(Ni2+inrawwater)/(mg•L-1)ρ(Ni2+intraetedwater)/(mg•L-1)0102030405060708090100去除率(Ni2+)/%ρ去除率图3不同Ni2+质量浓度下Ni2+去除率Fig.3theRemovalofNi2+inDifferentConcentrationofNi2+0501001502002500.360.640.771.021.922.653.033.693.96ρ(Cu2+)/(mg•L-1)ρ(CODcr)/(mg•L-1)0102030405060708090去除率(CODcr)/%ρ去除率图4不同Cu2+质量浓度下CODcr去除率Fig.4theRemovalofCODcrinDifferentConcentrationofCu2+2100生态环境学报第18卷第6期（2009年11月）准的一级标准。相反当进水Cu2+质量浓度大于3.0mg·L-1、Ni2+质量浓度大于5.0mg·L-1时，活性污泥微生物不仅对CODcr的去除率降低，而且活性污泥微生物表现出颜色变黑、沉降性能变差的现象，甚至CASS池中出现浮渣。3机理探讨CASS工艺中，活性污泥是絮状的微生物集合体，有很大的表面积，絮状体表面带有负电荷，可以对重金属离子有很强的吸附作用[7,8,9]。重金属去除机制大致可分为：生物吸附作用、动物体内累积作用、细胞外高聚物和污泥颗粒吸附作用以及重金属的可溶性[10-12]。生物吸附Cu2+、Ni2+等重金属离子的过程可分为两个阶段：即快速吸附阶段和慢速吸附阶段[13-15]。在快速吸附阶段，主要是Cu2+、Ni2+等重金属离子与活性污泥微生物表面细胞迅速结合，是一种被动吸附的物理化学过程，与生物活性关系不大，这一阶段吸附了大量的Cu2+、Ni2+等重金属离子，占重金属离子去除的主要部分[7]；在慢速吸附阶段，是微生物细胞的主动吸附过程，主要是快速吸附阶段所吸附的Cu2+、Ni2+等重金属离子通过传质作用向污泥颗粒内部传输，这一阶段速度慢，时间长。本次试验确定CASS工艺中微生物系统抵抗Cu2+、Ni2+毒性的最高质量浓度限值为：Cu2+质量浓度为3.0mg·L-1，Ni2+质量浓度为5.0mg·L-1。当进水Cu2+、Ni2+质量浓度低于此质量浓度限值时，CASS工艺微生物抵抗Cu2+、Ni2+毒性的能力较强，能保持较好的活性，并且对Cu2+、Ni2+和CODcr去除率都很高；当进水Cu2+、Ni2+质量浓度超过此质量浓度限值时，CASS工艺微生物抵抗Cu2+、Ni2+毒性的能力明显下降，微生物的活性受到严重的破坏，对Cu2+、Ni2+、CODcr去除率明显下降。这是因为Cu2+、Ni2+在慢速吸附阶段大量进入微生物细胞内，与某些酶结合，并在微生物细胞内沉积，大量的Cu2+、Ni2+沉积超负荷会破坏其正常的新陈代谢，使其活性降低，表现出一定的毒性，严重时甚至会表现明显的毒性导致微生物的死亡，使得对Cu2+、Ni2+以及CODcr的去除率降低。4结论CASS工艺微生物抵抗含Cu2+、Ni2+锻造添加剂废水毒性的最高质量浓度限值为：Cu2+质量浓度为3.0mg·L-1，Ni2+质量浓度为5.0mg·L-1，为污水处理厂实际运行工程中避免活性污泥微生物系统受毒性冲击而导致运行瘫痪提供参考依据。参考文献：[1]RichardISeadlak.PhosphorusandNitrogenRemovalfromMunicipalWastewaterPrinciplesandPractice[M].NewYork:LowisPublisher,1991:101-113.[2]侯瑞琴,张统,张志仁,等.循环式活性污泥法污水处理厂的设计及运行[J].中国给水排水,1999,15(8):32.HOURuiqin,ZHANGTong,ZHANGZhiren,etal.DesignandRunofCyclicActivatedSludgeSystemSewageTreatmentPlant[J].ChinaWaterandWastewater,1999,15(8):32.[3]张胜华.循环式活性污泥法的优化设计及应用[J].中国给水排水,2006,22(2):52-55.ZHANGShenghua.OptimizationDesignandApplicationofCyclicActivatedSludgeSystem[J].ChinaWaterandWastewate