摘 要：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。

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。近年來人們開始為重金屬?gòu)U水的處理尋找新的方法。過去人們普遍認(rèn)為活性污泥法不宜用來處理重金屬?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[9]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利用微生物本身結(jié)構(gòu)或其分泌物和代謝產(chǎn)物來實(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、磷酰基、硫酸根等易與金屬離子結(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等還通過實(shí)驗(yàn)證明了C.Vulgari和Z.Ramigera是通過細(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)說和含能說。

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)過一般陰離子的傳輸渠道穿過細(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)過程和設(shè)備自動(dòng)化水平。

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