重金属对活性污泥工艺的影响：性能、微生物动态及恢复策略

《Frontiers in Environmental Science》：The influence of heavy metals on activated sludge processes: performance, microbial dynamics, and recovery strategies

　　

由众多工业来源造成的重金属环境污染，主要是水体和土壤污染，是一个广泛且令人担忧的问题。重金属会显著改变微生物动态，并降低污水处理系统中活性污泥工艺的效率。尽管污水处理研究已取得相当进展，但有关控制微生物相互作用、恢复方法以及活性污泥效率的机制认识仍不充分。该综述以工艺性能、微生物群落相互作用以及污水处理厂资源回收为重点，批判性评估了当前关于重金属对活性污泥工艺影响的认识。综合讨论了金属毒性及其对化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）、硝化作用、反硝化作用、胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的影响，以及对活性污泥微生物多样性和群落组成的影响。此外，该综述总结了针对重金属胁迫的活性污泥系统的各种恢复与缓解策略。建立能够在重金属胁迫下运行的稳固且可持续的污水处理系统，需要深入理解这些相互作用。

1 引言

工业废水（如纺织、采矿、电镀、电子和电池行业）中非法和不定期排放大量重金属，导致生物处理厂金属积累，对活性污泥中的微生物造成急性冲击。重金属如Zn(II)、Pb(II)、Hg(II)和Cd(II)在工业废水中常见，能够干扰污水处理厂运行、在生物体内积累，威胁生态和人体健康。重金属通过地表径流进入市政污水处理设施，恶化出水水质，影响处理功能。活性污泥法主要依赖好氧细菌去除有机物，其效率与微生物种群的多样性和功能密切相关。过高的重金属浓度会改变微生物群落结构、降低多样性，从而降低处理效率。某些亚毒性浓度下可能引起毒物兴奋效应，但此现象仅限于特定耐受菌种，不能推广至整个群落。重金属毒性受pH、温度、水力停留时间、悬浮颗粒、溶解氧、污泥龄等因素影响。现代分子生态学和高速量测序技术（如16S rRNA基因扩增子测序、宏基因组学、宏转录组学）揭示了重金属对微生物群落的显著影响。长期暴露会降低多样性、富集抗性种群、干扰代谢通路，削弱工艺恢复力。尽管已有研究进展，但长期低剂量暴露、多种金属联合效应及实验室结果向实际规模工程的转化仍存在知识空白，需全面评估现有证据以构建稳健的污水处理系统。

2 废水中重金属的来源与存在

重金属来源于自然和人为活动，其中工业活动是进入污水处理厂的主要来源。工业废水贡献了高浓度的重金属，如采矿、木材加工、涂料、电池制造、电镀、制革、纺织印染、电子制造、农药、冶金和制药等。常见重金属包括砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）、镍（Ni）、锌（Zn）和汞（Hg）。这些金属在废水中的形态各异，如As(III)/As(V)、Cr(III)/Cr(VI)等，对活性污泥产生不同影响。

3 重金属对活性污泥工艺的影响

重金属通过干扰污泥特性和微生物活性，降低处理效率。重点影响COD去除、硝化和反硝化。

3.1 化学需氧量（COD）去除性能

重金属抑制分解有机物的异养菌，降低COD去除效率。研究表明，Cd(II)和Pb(II)（0.1-10 mg/L）以及Cu(II)（1-100 mg/L）暴露30天后，COD去除率从对照的87%降至最低26%。但在100 mg/L Cu(II)条件下，COD去除率从第1天的13%升至第30天的53%，显示微生物可对铜产生耐受。延长铅暴露时间（7天）比短期（24小时）更显著降低COD去除效率。Cr(VI)浓度为2 mg/L时，COD去除率从81.3%降至38.6%后恢复至79.4%；而10 mg/L时仅恢复至42.5%，表明高浓度铬超出微生物适应能力。重金属类型、浓度和暴露时间共同决定其抑制作用，需采取缓解策略保障长期运行。

3.2 活性污泥中的硝化与反硝化

硝化和反硝化是活性污泥系统氮去除的关键过程。氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）相对生长缓慢、对毒物敏感，易受重金属抑制。Ni(II)低于10 mg/L时，NH₄⁺-N去除保持稳定，30 mg/L时降至72.08%。重金属降低氨摄取速率和硝酸盐摄取速率，其中Cd对硝酸盐摄取抑制最强，Ni对氨摄取影响最大。高浓度重金属降低反硝化基因表达，抑制部分硝化。Cd(II)低于5 mg/L对部分硝化无明显影响，10 mg/L时活性下降约30%。Cr(VI)使NH₄⁺-N去除从97%降至68%。Ni(II)在0-5 mg/L范围内使NH₄⁺-N去除率从98.03%降至83.18%，总氮（TN）从87.82%降至66.77%。不同反应器（SBR、A2/O等）结果可部分参考传统活性污泥（CAS），但厌氧消化、厌氧氨氧化、颗粒污泥、