Cu(II)、Fe(II)对活性污泥生物硝化过程的影响研究

刘新星，肖勇，宋乐山，徐航，冯宁宁，范炜，武海艳，谢建平

（1. 中南大学 资源加工与生物工程学院，教育部生物冶金重点实验室，长沙 410083；2. 湖南省永清环保研究院有限责任公司，长沙 410330；）

摘要：本文以某污水处理厂好氧区活性污泥为研究对象，探讨了不同浓度的Cu²⁺对污泥微生物活性、有机物降解速率和氨氮降解速率等的影响，以及Cu²⁺和Fe²⁺两种金属离子共存时对反应体系中生物硝化的影响。结果表明，Cu²⁺的存在会抑制污泥生物的硝化活性，而且抑制程度随着Cu²⁺浓度的增加而升高。同时，100 mg/L的Cu²⁺对污泥中微生物比耗氧速率（SOUR）和有机物降解的过程均产生抑制效应，其抑制率分别达到67.3％和47.8％，且Cu²⁺对氨氧化细菌（AOB）的抑制作用明显强于亚硝酸盐氧化细菌（NOB）。另外，在Cu²⁺和Fe²⁺共存时，Fe²⁺的添加方式会对污泥的生物硝化过程造成不同的影响。冲击性的加入低浓度Fe²⁺时，其可作为微生物所需微量元素促进生物硝化活性，但是高浓度的Fe²⁺会发挥其重金属离子的毒性作用，抑制生物硝化活性。

关键词：铜离子；铁离子；活性污泥；比耗氧速率；硝化活性

Influence of Cu(II) and Fe(II) on bio-nitrification of activated sludge

LIU Xinxing¹, XIAO Yong¹, Song Leshan², XU Hang¹, FENG Ningning¹, Wu Haiyan¹, XIE Jianping^1*

(1. Key Laboratory of Biohydrometallurgy, Ministry of Education, School of Mineral Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hunan Yonker Environmental Protection Research Institute Co., Ltd., Changsha 410330, China)

Abstract: In this work, the effects of different concentrations of Cu²⁺ on the microbial activity, degradation rate of organic matter, and ammonia nitrogen degradation rate in sludge solution were discussed by using the activated sludge collected from a wastewater treatment factory. The effect of coexistence of Cu²⁺ and Fe²⁺ metal ions on the biological nitrification in the reaction system was also reported by this study. The results showed that the presence of Cu²⁺ inhibited the nitrification activity of the sludge biomass, and the inhibition rate increased with the increase of Cu²⁺ concentration. At the same time, when the Cu²⁺ concentration was up to 100 mg/L, the inhibition rates of the microbial specific oxygen consumption rate (SOUR) and the degradation process of organic matter in the sludge were 67.3% and 47.8%, respectively. Moreover, the inhibition effect of Cu²⁺ on ammonia-oxidizing bacteria (AOB) was stronger than that of nitrite oxidizing bacteria (NOB). In addition, in the coexistence of Cu²⁺ and Fe²⁺, the addition ways of Fe²⁺ had different effect on the biological nitrification of the sludge. When the low concentration of Fe²⁺ was added by shock way, Fe²⁺ as a trace element for microbial growth could accelerate the activity of bio-nitrification, but high concentration of Fe²⁺ as heavy metal could inhibit the activity of of bio-nitrification.

Keywords: Cu(II); Fe(II); activated sludge; SOUR; biological nitrification

生物脱氮技术具有缩短水力停留反应时间、降低硝化过程耗氧量、减少剩余污泥产量等优点，因而在城镇污水处理领域得到了广泛的应用^[1-3]。在生物脱氮过程中，硝化作用一直被视为整个反应的限速步骤^{[4, 5]}，然而重金属离子的存在通常会抑制微生物的硝化活性，降低生物脱氮效率，影响工业废水硝化过程中的稳定性^{[6, 7]}。目前，许多研究发现重金属离子会对硝化过程产生严重抑制作用^[8-10]，但关于重金属离子抑制硝化作用机制的研究较少。因此，了解重金属离子对生物硝化过程的影响规律，探讨其对生物硝化活性的抑制机制，可为生物硝化工艺提供合理的设计依据。

本项目团队所研发的电絮凝-三维电极高效氧化-电生化深度处理技术在处理有机废水的过程中，氨氮的降解速率经常受到Cu²⁺、Ni²⁺等重金属离子的抑制。因此，本文以某污水处理厂好氧区反应器中的活性污泥为研究对象，探讨了模拟废水中不同浓度的Cu²⁺对污泥中微生物硝化活性的影响，同时考察了Cu²⁺、Fe²⁺共存时对反应体系中生物硝化活性的影响，为改善城镇污水处理厂的硝化工艺提供相关指导。

材料与方法

1.1 Cu²⁺、Fe²⁺储备液的配制

称量1.05 g的CuCl₂、1.13 g的FeCl₂，分别加入到100 ml去离子水中，充分溶解后制备得到5 g/L的Cu²⁺、Fe²⁺储备液，留待备用。

1.2 模拟废水和接种污泥

从污水厂的反应器中称取100 g活性污泥，用去离子水清洗两次后加水至2.5 L，混合充分，再按表1分别加入所需的碳源、氮源和磷源，配制比例为C：N：P=15：5：1，调节溶液pH为7.5~8.4，分装到18个250 ml锥形瓶中，每瓶120 ml。

表1 碳源、氮源和磷源用量表

1.3 实验方法

第一，在Cu²⁺浓度的影响实验方面，将锥形瓶分为6组，每组3个，根据实验需要，加入一定量的Cu²⁺储备液，使得Cu²⁺浓度梯度为5、10、30、50和100 mg/L；第二，Cu²⁺、Fe²⁺共存实验中Fe²⁺的添加方式分反应前共同添加（共存组）和含Cu²⁺实验组反应8 h后再添加Fe²⁺（恢复组）两种，其中Fe²⁺浓度梯度为5、10、20、50和100 mg/L。之后将反应体系放入培养箱中震荡反应，温度为30 ℃，转速150 rpm，在不同的反应时间测定溶液pH值变化，并取样（连同污泥一起取出），待污泥沉淀后测定上清液中的NH⁴⁺-N、NO²-N和COD含量，该指标的检测采用国家标准方法。

1.4 污泥生物活性的表征

污泥的微生物活性用污泥的总比耗氧速率（Specific Oxygen Uptake Rate，SOUR）来表征，记做：mg O₂（g/L·MLSS·min）^{[11, 12]}。SOUR₀是指反应污泥在营养物质充足条件下，单位质量的活性污泥在单位时间内所利用氧的量。总比耗氧速率SOUR₀、微生物活性的抑制率Q分别按下式进行计算：

                                 (1)

                              (2)

式中，DO₀为测定初期的溶解氧浓度，mg O₂/L；DO_t为测定末期的溶解氧浓度，mg O₂/L；t为测定时间，min；MLSS为测定样品的污泥浓度，g/L；SOUR₀ 为对照组SOUR（g/L·MLSS·min，以MLSS计），SOUR_t为各实验组在反应t小时后的SOUR（g/L·MLSS·min，以MLSS计）。

结果与讨论

 Cu²⁺对微生物活性的影响

生物硝化作用包括氨氧化细菌（AOB）将氨氮（NH⁴⁺-N）转化为亚硝酸盐氮（NO^2--N）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）将NO^2--N转化成硝酸盐氮（NO^3--N）两个过程^[13]，总化学反应式为：

NH⁴⁺+3.3O₂+6.7HCO₃^-→0.129C₅H₇O₂N+3.37NO^3-+1.04H₂O+6.46H₂CO₃      (3)

从上式可知，1 mol的NH⁴⁺-N氧化为NO^3--N需要6.7 mol的HCO₃^-，而HCO₃^-的消耗会导致反应体系内pH的降低。因此一定程度上，体系内的pH变化能反映Cu²⁺对硝化作用抑制作用的强弱。图1为不同Cu²⁺浓度条件下反应体系中pH随反应时间的变化曲线，可以看出，实验组反应体系初始pH为7.5，其中未添加Cu²⁺的对照组在反应8 h后pH值降至5.7，而添加Cu²⁺的实验组pH的下降程度要低于对照组，而且随着Cu²⁺浓度的升高，反应后的pH值也越高。上述这些结果表明Cu²⁺对污泥中微生物的硝化作用产生了抑制效应。

图1 Cu²⁺浓度对反应体系中pH的影响

为了进一步表征污泥中微生物的硝化活性，在碳源和氮源充足的条件下检测活性污泥的总呼吸速率（SOUR₀）。图2为不同Cu²⁺浓度条件下反应8 h后污泥的SOUR变化情况。结果表明，未添加Cu²⁺的对照组SOUR₀为0.419mg O₂/（g·MLSS·min），添加Cu²⁺后，SOUR受到一定程度的抑制，且抑制率随Cu²⁺浓度的升高而升高。具体表现为，当初始Cu²⁺为5、20、30、15和100 mg/L时，SOUR抑制率分别达到了36.03％、38.66％、65.39％、65.81％和67.30％（图2B），再次证明了Cu²⁺的存在对反应器污泥的硝化活性有较强的抑制作用，且浓度越高抑制效应越明显。Pai等^[14]在研究Cd²⁺与Cu²⁺对活性污泥微生物生长速率常数和代谢速率常数的影响时也得出了类似的结论，Cu²⁺浓度高于1 mg/L时会对微生物的生长产生显著的抑制作用，从而导致微生物SOUR的下降。

图2 Cu²⁺浓度对反应体系中污泥SOUR的影响

 Cu²⁺对有机物降的影响

不同Cu²⁺浓度条件下，反应体系中溶解性化学需氧量(SCOD)随时间的变化曲线如图3所示。从图3可以看出，Cu²⁺浓度为0、5和10 mg/L时，反应体系的SCOD在初始4 h内迅速下降，随后基本保持稳定，8 h后的SCOD数值相差不大，分别为108、103和113 mg/L，说明5和10 mg/L的Cu²⁺对污泥中有机物降解性能的影响较小。另一方面，Cu²⁺浓度为30、50和100 mg/L时，体系中有机物的降解反应受到明显抑制，8 h后抑制率分别达到33.3％、18.7％和47.8％（图4）。结果表明，高浓度的Cu²⁺（≥30 mg/L）对污泥有机物降解速率有较强的抑制作用，而低浓度Cu²⁺几乎不会影响有机物的降解，该结果与Cu²⁺对SBR反应器中污泥有机物降解抑制的趋势相同^[15]。Xiao等^[16]也发现在Pb²⁺、Zn²⁺和Mn²⁺存在的污泥反应体系中，COD、总磷、总氮的去除率表现出随重金属浓度升高而下降的趋势，这些结果均与本研究实验结果相符。

图3 不同Cu²⁺浓度条件下，反应体系中SCOD随时间的变化

图4 反应8 h后不同Cu²⁺浓度对SCOD降解的抑制率

 Cu²⁺对NH⁴⁺-N降解速率的影响

图5为不同Cu²⁺浓度条件下，反应体系中NH⁴⁺-N随时间变化的情况。结果表明，Cu²⁺浓度为5、10、30和50 mg/L时，NH⁴⁺-N变化随反应时间的变化波动较大，与对照组的比较不明显，而Cu²⁺浓度为100 mg/L时，对反应体系中NH⁴⁺-N的降解产生较明显的抑制，反应8 h后抑制率达到15.6％，说明较高浓度的Cu²⁺对降解氨氮的AOB菌群活性产生较为明显的抑制作用。

图5 不同 Cu²⁺浓度条件下氨氮随时间的变化

 Cu²⁺对 NO^2--N氧化的影响

硝化过程中的NO^2--N主要是由污泥中AOB菌群氧化NH⁴⁺-N生成，而产生的NO^2--N进一步被NOB菌群氧化形成NO^3--N，因此，NO^2--N的积累可以反映Cu²⁺对AOB和NOB菌群活性的抑制情况。图6显示了不同Cu²⁺浓度条件下，反应体系中NO^2--N浓度随时间的变化曲线。结果表明，各反应体系中的NO^2--N浓度在初始2 h内迅速降低，并且在添加有Cu²⁺的实验组中，NO^2--N浓度的降低程度更为明显，说明Cu²⁺对AOB的活性具有一定的抑制作用，而且50 mg/L、100 mg/L的Cu²⁺对体系内产生NO²-N的抑制作用更强。另一方面，Cu²⁺浓度为100 mg/L时，NO^2--N在反应阶段没有发生累积现象，说明NOB氧化NO^2--N的过程基本没有受到抑制，也可能是因为Cu²⁺对AOB菌群的抑制作用大于NOB，所以氨氧化速率小于亚硝酸盐氮氧化速率，导致菌群氨氧化生成的亚硝酸盐氮被迅速氧化为硝酸盐氮，从而使得亚硝酸盐氮的浓度迅速降低。

图6 不同 Cu²⁺浓度条件下，亚硝酸盐氮随时间的变化曲线

 Fe²⁺对污泥硝化活性的影响

Fe²⁺对污泥硝化活性的影响在Cu²⁺浓度为100 mg/L的条件下进行。图7为Fe²⁺添加量对共存组、恢复组中SCOD去除率的影响。结果表明，未添加Fe²⁺的对照组中，反应8 h后的SCOD去除率为14.93％，相比之下，共存组的去除率均发生了一定程度的下降，说明Fe²⁺的存在进一步抑制了污泥对SCOD的去除，而恢复组中Fe²⁺浓度较低时，SCOD去除率有一定提高，数值分别为15.06％、16.25％和15.19％，而50 mg/L和100 mg/L的高浓度Fe²⁺条件下，SCOD去除率又出现低于对照组的现象，其数值仅为12.88％、7.76％，说明高浓度的Fe²⁺同样会抑制污泥降解SCOD的活性。

图7 Fe²⁺添加量对SCOD去除率的影响

图8显示了Fe²⁺添加量对共存组和恢复组中NH⁴⁺-N去除率的影响，结果表明，共存组中Fe²⁺对NH⁴⁺-N去除率产生了明显的抑制，并且Fe²⁺浓度较低时的抑制作用更加明显；而在恢复组中，Fe²⁺浓度为5、10 mg/L时，NH⁴⁺-N去除率出现上升趋势，浓度较高时（≥20 mg/L），NH⁴⁺-N去除率又随之下降。另外，NO^2--N浓度的变化也表现出了与NH⁴⁺-N变化相符合的结果（图9），共存组中NO^2--N浓度在添加Fe²⁺后只发生了轻微的降低；而恢复组中，Fe²⁺浓度为5、10 mg/L时，NO^2--N浓度出现了一定的上升，而高浓度的Fe²⁺导致了NO^2--N浓度的下降。郭崇等^[17]发现0.1 mg/L的Cd²⁺可促进好氧颗粒污泥硝化反应的进行，而大于3 mg/L的Cd²⁺会产生抑制作用，这与本实验中Fe²⁺的作用结果类似。

综上所述，Fe²⁺的添加方式会对污泥降解COD、氨氮的活性造成影响，Fe²⁺、Cu²⁺共存时，Fe²⁺会进一步抑制污泥的硝化活性，导致SCOD去除率、NH⁴⁺-N去除率的下降；冲击性添加低浓度Fe²⁺（≤10 mg/L）会增加污泥对COD和氨氮的降解率，一定程度上减弱了Cu²⁺对污泥微生物的毒性。

图8 Fe²⁺添加量对NH⁴⁺-N去除率的影响

图9 Fe²⁺添加量对NO^2--N浓度的影响

3 Fe²⁺和Cu²⁺对生物硝化抑制的机理分析

本文研究了不同浓度Cu²⁺以及Cu²⁺和Fe²⁺两种金属离子共存对反应体系中生物硝化活性的影响。从结果分析，Cu²⁺的加入会抑制污泥生物硝化过程，生物硝化活性随着Cu²⁺浓度的升高而降低。这可能由于Cu²⁺能鳌合硝化细菌中的疏基，干扰了细胞蛋白或酶的结合，Cu²⁺浓度越高，与疏基的结合能力越强，导致生物硝化的抑制作用越明显^[18]；当同时加入Fe²⁺与Cu²⁺时，Fe²⁺与Cu²⁺的联合毒性增强，抑制污泥生物硝化活性^[19]；当冲击性的添加低浓度Fe²⁺时，可以有效的促进生物硝化过程，随着Fe²⁺浓度的升高，NH₄⁺-N的去除率不断下降，分析其原因，可能是Fe²⁺作为微生物生长所需要的微量元素但同时也是具有毒害作用的重金属离子，少量的Fe²⁺可以促进微生物的生长代谢并促进亚硝化细菌的生长速率；而当Fe²⁺浓度过高时，过量的Fe²⁺将不再是促进微生物生长的微量元素而是作为重金属离子与微生物酶蛋白结合，使微生物酶蛋白失去活性，抑制污泥生物硝化作用^{[20, 21]}。

4结论

本文以某污水处理厂好氧区活性污泥为研究对象，探讨了不同浓度的Cu²⁺以及Cu²⁺、Fe²⁺共存时对反应体系中生物硝化活性的影响，结论如下：

（1）Cu²⁺能与硝化细菌中的疏基鳌合，致使其对污泥的硝化活性有较强的抑制作用，抑制程度随着Cu²⁺浓度的增加而增强。

（2）Fe²⁺的添加方式会对污泥的硝化活性产生不同的影响，冲击性的加入低浓度Fe²⁺（≤10 mg/L），Fe²⁺以微生物所需微量元素形式存在，对COD降解、氨氮的去除起促进作用。当Fe²⁺浓度超过20 mg/L 时，Fe²⁺开始发挥其重金属离子的毒害作用，抑制污泥生物的硝化活性。

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