摘 要：活性污泥形成過(guò)程是先由細(xì)菌形成菌膠團(tuán)，再進(jìn)一步絮凝成活性絮凝體，絮體的形成和細(xì)胞產(chǎn)生的胞外聚合物有很大關(guān)系。細(xì)菌產(chǎn)生的胞外聚合物越多，絮凝聚合作用就進(jìn)行得越快。胞外聚合物的形成與細(xì)菌的生長(zhǎng)階段有關(guān)。在細(xì)菌生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期，細(xì)菌開始絮凝，到穩(wěn)定生長(zhǎng)期時(shí)，胞外聚合物大量形成。

傳統(tǒng)上處理重金屬?gòu)U水的方法主要是物理化學(xué)法，如吸附法、離子交換法、化學(xué)沉淀法、膜分離法、氧化還原法等，但這些方法都具有二次污染嚴(yán)重，處理成本高等問題。近年來(lái)人們開始為重金屬?gòu)U水的處理尋找新的方法。過(guò)去人們普遍認(rèn)為活性污泥法不宜用來(lái)處理重金屬?gòu)U水，因?yàn)橹亟饘購(gòu)U水中有機(jī)物質(zhì)較少，而且重金屬對(duì)污泥中的微生物有很強(qiáng)的毒害作用。但近年的研究結(jié)果表明，通過(guò)改造現(xiàn)行的活性污泥法可以處理重金屬?gòu)U水�；钚晕勰喾ㄌ幚碇亟饘�?gòu)U水主要是利用活性污泥中的細(xì)菌、原生動(dòng)物等微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜形成的具有很強(qiáng)吸附分解能力的污泥顆粒來(lái)完成的。目前研究主要集中在活性污泥對(duì)重金屬吸附能力以及活性污泥處理重金屬?gòu)U水的機(jī)理等方面。本文旨在通過(guò)對(duì)活性污泥處理重金屬?gòu)U水的工藝現(xiàn)狀及其機(jī)理的分析，提出一些能提高活性污泥處理能力的切實(shí)可行的途徑，為該方法的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用提供參考。

1活性污泥對(duì)重金屬?gòu)U水的處理

不同的活性污泥體系對(duì)重金屬的去除效果和機(jī)理都不盡相同，選擇一個(gè)適應(yīng)范圍廣、抵抗重金屬能力強(qiáng)的污泥體系是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。

1.1 不同類型活性污泥的處理效果

活性污泥可分為厭氧污泥和好氧污泥。好氧污泥主要利用生物絮凝和細(xì)菌分泌的胞外聚合物吸附—螯合重金屬，因?yàn)楹醚跷勰嗪械陌饩酆衔锖退鶐ж?fù)電荷均高于厭氧污泥，所以好氧污泥比厭氧污泥更易形成絮凝體，去除水中的重金屬。厭氧污泥主要利用細(xì)菌分解產(chǎn)物沉淀重金屬。本人對(duì)好氧污泥和厭氧污泥處理含鉻廢水進(jìn)行了比較，通過(guò)兩個(gè)月對(duì)污泥的馴化，厭氧污泥可以處理Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度為600mg/L的廢水，而好氧污泥只能達(dá)到100mg/L左右，這主要是因?yàn)閰捬鯒l件下，Cr(Ⅵ)被細(xì)菌產(chǎn)生的強(qiáng)還原性物質(zhì)硫化氫還原成Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)以氫氧化物的形式從水中沉淀去除，而在好氧條件下，污泥中的氧化還原電位高，Cr(Ⅵ)不易被還原。
此外，不同類型的污泥吸附重金屬的效果也不盡相同。E．Bux等，對(duì)剩余活性污泥和消化污泥吸附鋅作了對(duì)比研究。當(dāng)處理鋅的質(zhì)量濃度為1 200mg/L的廢水時(shí)，剩余活性污泥與消化污泥各自的最大吸附量為22.65和16.8mg/g，剩余污泥吸附鋅的能力要強(qiáng)于消化污泥，同時(shí)隨著鋅濃度的提高剩余污泥的吸附總量也提高了，這是因?yàn)槭Ｓ辔勰啾认勰嗑哂懈唠娯?fù)性。

1.2 活性污泥對(duì)不同重金屬的去除效果

不同重金屬對(duì)活性污泥的毒害機(jī)制是不同的，這就決定了活性污泥對(duì)其去除效果的差異性。

1.2.1 鋅

B．W．Atkinson等研究了剩余活性污泥處理電鍍廢水，該電鍍廢水中主要含有110mg/L鋅，同時(shí)還含有少量的Cu2+，Cd2+，Ni2+，Cr3+和Cr6+戶，其研究結(jié)果表明活性污泥對(duì)鋅的去除率高達(dá)96%，其他金屬平均去除率均為80%以上。馬曉航等，研究了用SRB(硫酸鹽還原菌)處理含鋅廢水的活性污泥床工藝及影響運(yùn)行的主要因素，該工藝可在進(jìn)水COD和鋅的質(zhì)量濃度分別為320mg/L與100mg/L時(shí)有效運(yùn)行，有機(jī)物和Zn2+的去除率分別達(dá)到73.8%和99.63%。在水力滯留時(shí)間降至6h時(shí)，Zn2+的去除率仍可達(dá)94.55%。進(jìn)水Zn2+的質(zhì)量濃度低于500mg/L時(shí)裝置可以穩(wěn)定運(yùn)行，而當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到600mg/L時(shí)，硫酸鹽還原菌受到Zn2+的明顯毒害，去除效果顯著降低。

1.2.2 鉛

王士龍等利用活性污泥對(duì)含鉛廢水進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)廢水pH值控制在4-9范圍內(nèi)，ρ(Pb2+)小于100mg/L，鉛與活性污泥的質(zhì)量比為1：300時(shí)，鉛的去除率均在99%以上，而其它酸度范圍去除率均較低。

1.2.3 鉻

王士龍等還利用活性污泥處理含鉻廢水，當(dāng)Cr(Ⅵ)在20mg/L以內(nèi)的電鍍廢水，pH值控制在3—10之間時(shí)；其去除率達(dá)到95%以上。
Song等研究了硫酸鹽還原菌處理含鉻廢水的能力。在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌可以還原130mg/L Cr(Ⅵ)，同時(shí)還可降解廢水中的硫酸鹽。
當(dāng)前的研究情況表明，活性污泥幾乎可以應(yīng)用到所有重金屬?gòu)U水的處理中，其中以培養(yǎng)含有SRB的厭氧活性污泥最具有發(fā)展?jié)摿�，這與其能同時(shí)處理多種重金屬和硫酸根的特點(diǎn)有關(guān)。

2活性污泥法處理重金屬的機(jī)理

活性污泥處理重金屬?gòu)U水機(jī)理很復(fù)雜，通常認(rèn)為活性污泥對(duì)重金屬的作用包括沉淀，吸附和胞內(nèi)吸附等。

2.1 重金屬的沉淀機(jī)理

重金屬的沉淀主要是利用污泥中微生物新陳代謝產(chǎn)物與重金屬離子直接生成難溶性的沉淀，或?qū)⒅亟饘龠�原后再生成難溶性的沉淀，從而達(dá)到從水相去除的目的。用SRB處理重金屬?gòu)U水是近年發(fā)展很快的方法。其原理是利用SRB在厭氧條件下產(chǎn)生的H2S和廢水中的重金屬反應(yīng)，生成金屬硫化物沉淀以去除重金屬離子。Van等研究以蔗糖作為有機(jī)源，利用SRB還原硫酸根，去除重金屬銅，鉛等重金屬離子，從而提出以下的反應(yīng)過(guò)程：
①產(chǎn)酸菌將復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)分解生成氫和簡(jiǎn)單有機(jī)酸，如丙酸、乙酸等。
②SRB利用氫作為電子供體將硫酸根還原成負(fù)二價(jià)硫。
③負(fù)二價(jià)硫與重金屬離子生成難溶于水的金屬硫化物。
當(dāng)前對(duì)利用氫作為電子供體的SRB的研究比較多，但對(duì)其它類型SRB的研究則相對(duì)較少。加上影響SRB對(duì)硫酸根作用的因素眾多，這就使對(duì)SBR處理重金屬機(jī)制的研究變得復(fù)雜和艱難。目前研究還僅限于對(duì)單一菌種，多種細(xì)菌共存的體系還未見報(bào)道。研究多種細(xì)菌共存對(duì)處理效果影響以及其作用機(jī)制將是下一步研究的重點(diǎn)。

2.2 重金屬的吸附機(jī)理

重金屬的吸附是通過(guò)利用微生物本身結(jié)構(gòu)或其分泌物和代謝產(chǎn)物來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如動(dòng)膠菌、藍(lán)細(xì)菌等能夠產(chǎn)生胞外聚合物(ECP)，如多糖、糖蛋白、脂多糖等。革蘭氏陰性細(xì)菌分泌的胞外聚合物是由脂多糖、莢膜多聚糖和其他的蛋白質(zhì)等組成。這些分泌物在細(xì)胞表面上易于脫落。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌所分泌的則是由脂磷壁酸、多聚糖和游離蛋白質(zhì)組成。這些胞外聚合物含有大量的陰離子基團(tuán)，如羧基、磷�；⒘蛩岣纫着c金屬離子結(jié)合。天然多聚糖上陽(yáng)離子能與水辮液中二價(jià)重金屬離子進(jìn)行離子交換，如藻酸鹽中K+，N a+,Ca2+,Mg2+就能夠與相應(yīng)的陽(yáng)離子如Co2+,Cu2+,Cd2+和Zn2+進(jìn)行交換，從而達(dá)到生物吸附重金屬的目的。Aksu等還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了C.Vulgari和Z.Ramigera是通過(guò)細(xì)胞壁的多聚糖上氨基和羧基與金屬之間韻吸附和配位作用來(lái)吸附銅的。但生物吸附機(jī)理仍不是十分清楚，當(dāng)前對(duì)其比較有影響的解釋是巴斯韋爾，麥金尼等所提出的粘液學(xué)說(shuō)和含能說(shuō)。

2.3 重金屬的胞內(nèi)積累機(jī)理

一般金屬離子要進(jìn)入細(xì)胞體必須經(jīng)過(guò)胞外結(jié)合與運(yùn)輸?shù)桨麅?nèi)兩個(gè)步驟，前者迅遺且不需能量，后者緩慢并依賴能量及代謝系統(tǒng)調(diào)空。由于大部分的重金屬對(duì)微生物都有害，所以很難研究高濃度下重金屬的吸附機(jī)理。通常認(rèn)為重金屬進(jìn)入細(xì)胞膜的傳送機(jī)制與代謝作用必須的離子鉀、鎂、鈉的相類似。但當(dāng)有時(shí)相同電荷和離子半徑近似的重金屬離子共存時(shí)，這種傳送系統(tǒng)就可能會(huì)將這幾種共存金屬同時(shí)傳人到細(xì)胞體內(nèi)，使細(xì)胞新陳代謝功能出現(xiàn)障礙。如Cr(VI)在pH=7-9范圍內(nèi)主要以CrO42-的形式存在。而CrO42-，硫酸鹽和磷酸鹽結(jié)構(gòu)相似，較易經(jīng)過(guò)一般陰離子的傳輸渠道穿過(guò)細(xì)胞膜。在有還原性質(zhì)物質(zhì)存在的條件下，Cr(Ⅵ)作為電子受體，在酶的作用下，進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)還原。

3活性污泥法的改進(jìn)

活性污泥處理高濃度的重金屬?gòu)U水是一種全新的處理方法。在過(guò)去的二十多年里，人們研究集中在微生物處理重金屬的機(jī)制、優(yōu)化活性污泥處理重金屬?gòu)U水的工藝參數(shù)等方面。但由于研究還不夠透徹，使活性污泥應(yīng)用受到了限制。如何提高活性污泥法的應(yīng)用范圍，提高活性污泥的處理效果，降低活性污泥法的生產(chǎn)成本，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 改變活性污泥的形態(tài)

將絮狀活性污泥培養(yǎng)成顆粒污泥，為微生物提供一個(gè)穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)，有利于微生物抵抗高濃度的重金屬離子；顆粒污泥形成有利于細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收；顆粒污泥能維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境，有利于抵抗廢水的突變。

3.2 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)向廢水處理系統(tǒng)中直接投加H-自然界中篩選的優(yōu)勢(shì)菌種或通過(guò)基因重組技術(shù)產(chǎn)生的高效菌種，以改善原處理系統(tǒng)的能力，達(dá)到對(duì)某一種或某一類有害物質(zhì)的去除或某方面性能的優(yōu)化目的。其實(shí)現(xiàn)需要三個(gè)步驟：①高效菌種的獲得；②高效菌種在投加系統(tǒng)中保持及活力的表達(dá)；③對(duì)目標(biāo)物的有效去除或原系統(tǒng)性能的有效改善。生物強(qiáng)化技術(shù)有利于減少活性污泥的馴化時(shí)間，增強(qiáng)活性污泥處理效果，并可以根據(jù)廢水特性有選擇性地投加特定菌種，從而使活性污泥適應(yīng)能力顯著增強(qiáng)。但目前主要是針對(duì)單一菌種處理重金屬效果的研究，對(duì)復(fù)合功能菌的研究較少。復(fù)合功能菌借助不同菌種之間相互協(xié)調(diào)共生，有利于增強(qiáng)茁群整體對(duì)于環(huán)境的抵抗能力，保持在系統(tǒng)中的活力，提高與系統(tǒng)中固有菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)能力，從而保證強(qiáng)化技術(shù)有效實(shí)施。

3.3 促進(jìn)微生物胞外聚合物(ECP)的分泌

活性污泥形成過(guò)程是先由細(xì)菌形成菌膠團(tuán)，再進(jìn)一步絮凝成活性絮凝體，絮體的形成和細(xì)胞產(chǎn)生的胞外聚合物有很大關(guān)系。細(xì)菌產(chǎn)生的胞外聚合物越多，絮凝聚合作用就進(jìn)行得越快。胞外聚合物的形成與細(xì)菌的生長(zhǎng)階段有關(guān)。在細(xì)菌生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期，細(xì)菌開始絮凝，到穩(wěn)定生長(zhǎng)期時(shí)，胞外聚合物大量形成。
目前對(duì)微生物產(chǎn)生ECP的機(jī)制和生物絮凝過(guò)程研究不是十分清楚，針對(duì)提高分泌ECP能力的研究還處于試驗(yàn)探索階段，這一方面研究還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

活性污泥法處理重金屬?gòu)U水具有成本低，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種較有發(fā)展前途的方法。但活性污泥法尚有許多的不足之處，如利用沉淀機(jī)制處理重金屬?gòu)U水，則剩余活性污泥需要進(jìn)行再處理回收其中的金屬成分。當(dāng)前活性污泥法大多還處在實(shí)驗(yàn)室和中試階段，進(jìn)行了大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的研究成果還很少，若想在此領(lǐng)域有所突破，還必須加強(qiáng)在生物強(qiáng)化技術(shù)等方面的研究，同時(shí)提高工業(yè)過(guò)程和設(shè)備自動(dòng)化水平。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”