鎳、鎘對a2o系統(tǒng)活性污泥硝化與脫硝能力之影響

1、<p>　　重金屬鉛、鎳、鎘對A2O系統(tǒng)活性污泥硝化與脫硝能力之影響</p><p>　　黃如薏1、蔡勇斌2、游勝傑3、陳守德4、胡詠祥5</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本研究為瞭解低濃度重金屬工業(yè)廢水對活性污泥去氮能力毒性抑制之影響，利用代表硝化作用的SAUR批次實驗與脫硝作用的SNUR批次實驗做探

2、討，在批次實驗中分別添加不同濃度（0、2、5、10、15、25、40 mg?l-1）重金屬（鉛、鎳、鎘、鉛＋鎳、鎳＋鎘、鉛＋鎘、鉛＋鎳＋鎘），以瞭解不同濃度下個別或混合含有重金屬廢水對A2O系統(tǒng)活性污泥的毒性抑制情形。研究結(jié)果顯示重金屬鎳對活性污泥SAUR毒性抑制較強，重金屬鎘對活性污泥SNUR毒性抑制較強，重金屬鉛添加至40 mg?l-1對活性污泥SAUR沒有明顯的毒性抑制情形，且同時添加兩種或三種重金屬對SAUR毒性抑制沒有加乘作用

3、。SNUR受抑制現(xiàn)象仍以毒性強的重金屬為主，但會隨著重金屬共同混和添加而有加乘作用。重金屬對A2O系統(tǒng)活性污泥毒性抑制情形在SAUR、SNUR實驗中皆為一階反應，反應式分別為：SAUR =（SAURmax – SAURmin）?+ SAURmin；SNUR =（SNURmax – SNURmin）?+ SNURmin。此外，污泥吸附重金屬能力為Pb≒Cd＞Ni，單位污泥之重金屬吸附量（q）會隨著重金屬添加濃度增加而增加，且污</p

4、><p>　　關鍵詞：重金屬、鉛、鎳、鎘、SAUR、SNUR、菌相、硝化、脫硝</p><p><b>　　一、前言</b></p><p>　　近年來，由於經(jīng)濟的快速成長、工商業(yè)發(fā)達及人口增加，使得廢、污水量急遽增加，工業(yè)廢水中更含有具有毒性之重金屬，對於人類及環(huán)境污染問題日益漸增，如臺塑汞污泥事件、桃園縣大潭村的痛痛病等皆指出重金屬對人體健康及

5、土地、農(nóng)業(yè)等環(huán)境生態(tài)之影響甚巨。因此，如何去除水中所含之重金屬等毒性物質(zhì)，實在是刻不容緩的課題。</p><p>　　1國立暨南國際大學土木工程所碩士</p><p>　　2國立暨南國際大學土木工程系教授</p><p>　　3私立中原大學 生物環(huán)境工程學系助理教授</p><p>　　4國立暨南國際大學土木工程所學士</p>

6、<p>　　5國立暨南國際大學土木工程所碩士生</p><p>　　Email：s2322517@ncnu.edu.tw</p><p>　　yptsai@ncnu.edu.tw </p><p>　　sjyou＠cycu.edu.tw  </p><p>　　前對於各樣重金屬污染防制的方法上有傳統(tǒng)加入化學藥劑使其沉澱去

7、除，或是利用混</p><p>　　凝、膠凝、活性碳吸附、逆滲透等方法去除水中重金屬，但這些使用方法各有其缺點所在，如活性碳吸附需耗費龐大資金，加入化學混凝後所產(chǎn)生易二次污染之大量重金屬廢棄污泥、加藥耗費人力資源及操作不易等皆為問題之一。近幾年來生物技術開始蓬勃發(fā)展，原因為利用微生物處理廢污水所需成本及設備操作簡單，亦能達到處理成效，因此利用微生物來進行污染防治的方法也日益普及(Macaskie et al. 1

8、990)。而據(jù)文獻所示，微生物會利用生物體內(nèi)之轉(zhuǎn)換作用或藉由氧化、還原的酵素進行重金屬毒性催化以分解重金屬，或是使重金屬在生物體內(nèi)、外進行累積，以去除重金屬等，皆表示出活性污泥具有去除重金屬效果，且不會有後續(xù)二次污染或資金龐大的處理問題。因此利用大自然中的微生物具有的特性結(jié)合生物技術，用來對污染物進行去除的技術，便成了一個降低成本及提高效率的新興方法(Mejare. M. and Bulow. L. 2001)。雖然目前有很多文獻針對重

9、金屬影響活性污泥之行為進行探討(Alberto C. et al. 1998; Michael M. et al. 1981)，但對於加入重金屬後造成微生物的影響亦尚未有明確定論。</p><p>　　目前國內(nèi)各大學相繼興建校區(qū)生活污水處理廠，處理師生生活過程中產(chǎn)生之污水。在大學中仍有一部份的低濃度實驗室廢液(洗滌水)，其水量遠比生活污水小，目前多另外以物化處理方式來處理，造成大學內(nèi)廢(污)水處理系統(tǒng)更加複雜。倘

10、能將低濃度實驗室廢液(洗滌水)，併入生活污水處理廠內(nèi)處理，藉著大量生活污水先行稀釋減低其對微生物之毒性後，再利用微生物對低劑量毒化物之耐受性，分解部份難分解之有機物，以及吸附重金屬，達到淨化低濃度實驗室廢液(洗滌水)之效果，或許可以整合並解決校區(qū)廢(污)水處理複雜問題。</p><p>　　但是要將低濃度實驗室廢液(洗滌水)併入生活污水處理廠中處理，首先必須確保原來的生活污水處理廠的主要功能能夠維持正常(亦即碳、

11、氮、磷的處理效果)，因此可能併入的廢水成份有其上限，必須清楚掌握營養(yǎng)鹽去除的活性污泥系統(tǒng)可承受的有毒物質(zhì)上限，始可進一步併同處理。本研究以活性污泥A2O系統(tǒng)具有硝化脫硝效果做為研究探討對象，取出污泥以批次實驗探求不同重金屬種類(鉛、鎳、鎘)與濃度是否會造成去氮效果的改變，去氮效果的評估則分別以比氨氮利用率(Specific Ammonia Uptake Rate; SAUR)與比硝酸鹽氮利用率(Specific Nitrate Upta

12、ke Rate; SNUR)代表硝化與脫硝能力，本研究同時評估活性污泥吸附去除重金屬的能力。而在A2O系統(tǒng)達穩(wěn)定後進一步利用分子生物技術進行污泥菌相分析，期可獲得對鉛、鎳、鎘重金屬具高去除能力之微生物種類，以進一步瞭解微生物特性，可做為將來純種培養(yǎng)用以整治重金屬污染之參考。</p><p><b>　　二、研究方法與步驟</b></p><p>　　2.1 A2O系統(tǒng)

13、設備與操作條件</p><p>　　本研究利用A2O模廠污泥來進行SAUR、SNUR批次實驗。圖1為A2O模廠設計圖，表1為A2O系統(tǒng)操作參數(shù)，表2為人工合成廢水組成成分，表3為人工合成廢水各種污染物質(zhì)之濃度。</p><p>　　本研究每星期進行二次水質(zhì)分析實驗，以了解整個系統(tǒng)營養(yǎng)鹽去除之概況。實驗分析項目包括COD、氨氮、總氮、磷酸、MLVSS、MLSS、總磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、鹼度、

14、總固體物、SVI等，實驗方法則依據(jù)Standard method（1998）所示。當系統(tǒng)馴養(yǎng)至3個SRT時間後(約30天)，視為穩(wěn)定。</p><p>　　圖1. A2O模廠程序圖</p><p>　　表1. A2O系統(tǒng)各個操作參數(shù)</p><p>　　表2. 人工合成廢水組成成份</p><p>　　表3. 人工合成廢水各種污染物質(zhì)之濃度

15、</p><p><b>　　2.2批次實驗方法</b></p><p>　　批次實驗以探討不同濃度重金屬鉛(Pb)、鎳（Ni）、鎘(Cd) 對活性污泥硝化與脫硝作用之影響，所有實驗數(shù)據(jù)皆為兩重複之平均值，圖2為本研究批次實驗試程組合。</p><p>　　圖2. 批次實驗試程組合</p><p>　　重金屬添加種類共7

16、種方式，加上7種不同濃度重金屬突增負荷，實驗連續(xù)曝氣至採樣結(jié)束，整個SAUR批次實驗共有49個試程，起始氨氮濃度為20 mg?l-1。</p><p>　　整個SNUR批次實驗共有49個試程，實驗為密閉連續(xù)通氮氣至採樣結(jié)束，起始COD與NO3-濃度分別為360與25 mg?l-1。</p><p>　　2.3 16S rDNA方法</p><p>　　2.3.1 D

17、NA萃取</p><p>　　以市售商業(yè)套組(VIOGENE)，依其標準萃取步驟萃取Genomic DNA，再以11f-1512r 引子進行PCR反應，所得PCR產(chǎn)物則利用市售的TA Cloning Kit進行Cloning，將成功插入載體的片段利用M13f-M13r引子以PCR技術取出後再以引子968f-gc以及1392r進行PCR反</p><p>　　表4. PCR引子序列(Tsai

18、 Y. P. et al. 2005)</p><p>　　應以進行後續(xù)DGGE實驗。表4為所用的引子序列。</p><p>　　2.3.2 DGGE</p><p>　　以 universal引子968fgc-1392r 進行PCR之產(chǎn)物進行DGGE分析之，條件為電壓200 V、時間4.5小時、buffer溫度為60℃、變性梯度為40%-60%、膠體濃度6%，待電

19、泳完成後，用Silver staining染色之。之後將篩選出於變性梯度膠體上不同位置的Clone-PCR產(chǎn)物，分別將其送定序分析，再以NCBI網(wǎng)站上進行BLAST分析；此外再將所篩選出的OTUs計算其佔系統(tǒng)之比例，並以Mega 3.O軟體繪製親緣分析圖，以此印證clone之可信度及得知系統(tǒng)族群分佈圖譜。</p><p><b>　　三、結(jié)果與討論</b></p><p&

20、gt;　　3.1 重金屬對污泥抑制情形</p><p>　　3.1.1 SAUR批次實驗</p><p>　　將分別添加重金屬鉛、鎳、鎘七種不同濃度所得的AUR值除以MLVSS後得到SAUR，實驗結(jié)果如圖3，重金屬對SAUR的抑制曲線方程式如圖中所示。在反應動力學上，將SAUR與添加的重金屬濃度以一階反應公式做推求如下：</p><p><b>　?。?）

21、</b></p><p><b>　?。悍磻餄舛?lt;/b></p><p><b>　　t：反應時間</b></p><p>　　將(1)式改為SAUR，t改為重金屬濃度C，K改以ri (SAUR受抑制速率， inhibition rate)</p><p><b>　　c：

22、積分常數(shù)</b></p><p>　?。?） </p><p><b>　　將(2)式加入</b></p><p>　　初始條件 C = 0（無重金屬時）， SAUR = SAURmax</p><p>　　邊界條件 C = ∞（加入

23、多量重金屬時），SAUR = SAURmin</p><p><b>　　可得</b></p><p>　　= SAURmax – SAURmin</p><p>　　= SAURmin </p><p>　　即SAUR =（SAURmax – SAURmin）?+ SAURmin (3)</p>

24、<p>　　推導出之(3)式與SAUR批次實驗所得的迴歸曲線相同，由此可知，重金屬對SAUR抑制反應為一階反應。</p><p>　　圖3.鉛、鎳、鎘濃度與SAUR之關係</p><p>　　另定義抑制率如式(4)所示，並繪如圖4</p><p>　　SAUR inhibition rate(%)</p><p>　　=((SAU

25、Rmax-SAURmin)/SAURmax)×100%（4）</p><p>　　圖4. 重金屬鉛、鎳、鎘對SAUR之抑制率</p><p>　　為確定實驗的可重複性與準確性，重金屬鉛做兩重複試驗，從圖4中可看出，重金屬鉛即使添加到40 mg?l-1對SAUR仍沒有明顯的毒性抑制情形，且兩重複實驗結(jié)果相當接近，足確信本研究實驗的可重複性與準確性。</p><p

26、>　　由圖4中重金屬對SAUR抑制率可發(fā)現(xiàn)，三種重金屬對活性污泥SAUR的抑制能力為Ni＞Cd＞Pb。</p><p>　　圖5為在含有鉛的條件下，增添其它重金屬後對SAUR抑制情形之影響，由圖可知對SAUR之抑制能力為Pb<Pb+Cd<Pb+Ni≒Pb+Ni+Cd，單獨添加鉛對SAUR影響甚小，而再添加鎘後抑制現(xiàn)象明顯產(chǎn)生，添加鎳後更使得抑制現(xiàn)象更加明顯。圖6為在含有鎳的條件下，增添其它重金屬

27、後對SAUR抑制情形之影響，由圖可知只要有鎳存在，再添加其它種類重金屬鉛與鎘，對SAUR抑制現(xiàn)象就沒有明顯差異。綜合比較圖5與圖6可明顯得知，SAUR受抑制現(xiàn)象，並不隨著重金屬共同混合添加而有加乘作用，抑制情形皆以毒性強的重金屬為主，而在本研究所探討的鉛、鎳與鎘三種重金屬中，鎳明顯是主要抑制SAUR的重金屬。</p><p>　　圖5. 鉛對SAUR抑制情形</p><p>　　圖6. 鎳

28、對SAUR抑制情形</p><p>　　3.1.2 SNUR批次實驗</p><p>　　將分別添加重金屬鉛、鎳、鎘七種不同濃度所得的NUR值除以MLVSS後得到SNUR，實驗結(jié)果如圖7，重金屬對SNUR的抑制曲線方程式如圖中所示。</p><p>　　圖7. 重金屬鉛、鎳、鎘對SNUR抑制情形</p><p>　　圖7中所得重金屬對SNUR

29、抑制方程式經(jīng)推導後亦為一階反應，另繪製SNUR抑制率如圖8所示。</p><p>　　圖8. 重金屬鉛、鎳、鎘對SNUR之抑制率</p><p>　　為確定實驗的可重複性與準確性，將單獨添加重金屬鎳進行兩重複實驗，圖8明顯看出兩次實驗結(jié)果對SNUR抑制率都相當接近，足確信本研究實驗的可重複性與準確性。而圖8中得知，三種重金屬對SNUR的抑制力為Cd＞Ni＞Pb，Pb對SNUR的抑制力與SA

30、UR一樣不大。</p><p>　　圖9為在含有鉛的條件下，增添其它重金屬後對SNUR抑制情形之影響，由圖可知對SNUR之抑制能力為Pb<Pb+Ni<Pb+Cd <Pb+Ni+Cd，單獨添加鉛對SNUR影響不大，而再添加鎳後抑制現(xiàn)象明顯產(chǎn)生，添加鎘後更加大抑制現(xiàn)象，而當同時再添加鎳與鎘時，抑制率比僅添加鎳或僅添加鎘明顯增加。圖10為在含有鎳的條件下，增添其它重金屬後對SNUR抑制情形之影響，由圖

31、可知對SNUR之抑制能力為Ni<Ni+Pb<Ni+Cd≒Ni+Pb+Cd，同時添加鎳與鉛對SNUR的抑制率明顯大於僅添加鉛。綜合比較圖9與圖10可明顯得知，SNUR受抑制現(xiàn)象仍以毒性強的重金屬為主，但會隨著重金屬共同混合添加而有加乘作用，在本研究所探討的鉛、鎳與鎘三種重金屬中，鎘明顯是主要抑制SNUR的重金屬，但鎳的加入會使得Pb+Cd的抑制率明顯增加，而鉛的加入也會明顯使鎳的抑制率增加。</p><p&

32、gt;　　圖9. 不同批次實驗中的SNUR抑制率</p><p>　　圖10. 不同批次實驗中的SNUR抑制率率</p><p>　　圖11為重金屬對SAUR與SNUR抑制率之比較，由圖可知重金屬鎳對活性污泥SAUR的毒性抑制較強，而重金屬鎘則對活性污泥SNUR毒性抑制較強。當重金屬添加濃度達2 mg?l-1時，對污泥的SAUR與SNUR毒性抑制最高可達50%以上，而重金屬添加濃度為10

33、mg?l-1時，對污泥的毒性抑制率達到最大值。</p><p>　　圖11. 重金屬對AUR與NUR抑制率</p><p>　　3.2 污泥吸附重金屬之能力</p><p>　　本研究在SAUR與SNUR批次實驗結(jié)束時採取水樣，測試水中溶解性重金屬離子濃度，將添加的重金屬濃度與實驗結(jié)束後水中殘餘重金屬濃度差，視為受污泥吸附或去除之重金屬量，將兩次實驗結(jié)果取平均，並求

34、取標準偏差後繪成圖12。</p><p>　　圖12. 單位污泥之重金屬吸附量</p><p>　　圖中結(jié)果顯示，單位污泥對三種重金屬的吸附能力(q)為 Pb≒Cd＞Ni，且q值隨著重金屬濃度增加而增加。</p><p>　　圖13、14分別為在添加重金屬濃度25 與40 mg?l-1時，同時添加重金屬鎳、鎘，與單獨添加重金屬鎳或鎘之重金屬吸附實驗結(jié)果，圖中明顯看出

35、在同時添加鎳、鎘時，單位污泥對重金屬鎳或鎘的吸附量比單獨添加重金屬鎳、鎘時高出許多，且MLVSS由1.8g?l-1降至1.0 g?l-1時會增加單位污泥對重金屬的吸附量q值。此結(jié)果與過去學者Renmin Gong 等人(2005)研究發(fā)現(xiàn)細胞濃度增加時吸附容積q值（g?l-1）會降低之結(jié)果相同。</p><p>　　圖13. 添加濃度25 mg?l-1吸附實驗結(jié)果</p><p>　　圖1

36、4. 添加濃度40 mg?l-1吸附實驗結(jié)果</p><p>　　3.3 A2O模廠系統(tǒng)菌相</p><p>　　本研究A2O系統(tǒng)中菌相分佈如圖15親緣樹所示，而表5是菌種在系統(tǒng)中所佔的百分比，結(jié)果顯示系統(tǒng)中微生物族群在親緣關係上屬於Proteobacteria佔全部的42.9%為第一大族群，其中BetaProteobacteria則佔了全部的39.3%，此結(jié)果符合大部分學者分析活性污泥菌

37、相後發(fā)現(xiàn)污泥系統(tǒng)中BetaProteobacteria為最優(yōu)勢的族群(Bond et al. 1995;Juretschko S. et al. 2002)；第二大族群為Bacteroidetes佔了37.5％，有學者發(fā)現(xiàn)此族群在經(jīng)過重金屬鎘（5 mg?l-1）馴養(yǎng)後之A2O系統(tǒng)內(nèi)成為最優(yōu)勢的族群，表示分類在此門下的族群能耐受較高濃度的重金屬鎘(陳國蔚,2004a;陳國蔚,2004b）。</p><p>　　在針

38、對各OTUs分析結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中比例最高的菌種（A25）在NCBI比對後，提出此序列的研究是Ginige(2003) 針對產(chǎn)甲醇的系統(tǒng)進行脫硝族群分析所得，因此在本系統(tǒng)中此族群可能扮演在缺氧環(huán)境下進行脫硝作用的微生物族群。</p><p>　　而佔第二位以及第三位的是Curvibacter delicatus (A66)以及Rubrivivax gelatinosus (A71)族群，兩者均屬於BetaPro

39、teobacteria族群。Curvibacter delicatus常發(fā)現(xiàn)會與紫色不含硫光合作用細菌共同存在於無曝氣條件的系統(tǒng)中(Izu et al. 2001)，然而針對此菌的特性研究並不多。Rubrivivax gelatinosus菌屬於紫色不含硫光合作用細菌，近年來有研究顯示在除磷系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)某一種親緣關係類似Rhodocyclus及Rubrivivax gelatinosus的菌種極可能是系統(tǒng)中的主要除磷族群(Hesselma

40、nn et al. 1999)，然而此部分結(jié)果至今仍無定論。</p><p>　　系統(tǒng)中第四大族群(A65)經(jīng)比對後發(fā)現(xiàn)在親緣上接近於Bacteroidetes，然而卻是未曾被發(fā)現(xiàn)過的菌種；而近似於Acidovorax sp.之菌群為本系統(tǒng)中第五大微生物族群，此菌群屬於BetaProteobacteria，有研究顯示此菌種具有直接將NO3-轉(zhuǎn)換為N2之脫硝能力(Willems A. et al. 1990; Wi

41、llems A. et al. 1992)，推測可能為本系統(tǒng)中主要脫硝族群之一，尚有文獻顯示同屬於Acidovorax sp.的Acidovorax temperans在NCBI基因資料庫中搜尋可以發(fā)現(xiàn)此株菌具有可用以去除或是再生銀的酵素(屬於Konica公司的專利；NCBI Accession no.)，代表此菌種可能具有吸附許多重金屬的能力，在微生物對於重金屬去除的研究中可做進一步的研究。</p><p>　

42、　過去學者(Tsai Y. P. et al. 2005; 2006)研究重金屬鎘對A2O人工合成廢水馴養(yǎng)之模廠系統(tǒng)時，在重金屬鎘5 mg?l-1馴養(yǎng)後，抑制了大部分的BetaProteobacteria菌群，使營養(yǎng)鹽去除率大受影響。且添加35 mg?l-1鎘馴養(yǎng)後A2O模廠菌相以異營菌群為主要優(yōu)勢族群（陳國蔚,2004a;陳國蔚,2004b）。</p><p>　　而本研究A2O人工合成廢水馴養(yǎng)後，模廠系統(tǒng)的菌

43、相以BetaProteobacteria菌群佔多數(shù)，而其他族群又尚未被發(fā)現(xiàn)可耐受重金屬的毒性抑制。因此以本研究批次結(jié)果與A2O模廠系統(tǒng)為例，若引進之工業(yè)廢水與民生污水混合後，重金屬鉛、鎳或鎘濃度超過2mg?l-1則會對A2O系統(tǒng)活性污泥產(chǎn)生嚴重毒害，抑制掉原本的營養(yǎng)鹽去除能力，但在馴養(yǎng)後異營菌群會成為優(yōu)勢菌種，使COD去除慢慢回復。</p><p><b>　　四、結(jié)論</b></p&

44、gt;<p>　　重金屬對A2O模廠系統(tǒng)污泥SAUR與SNUR的抑制率皆為一階反應。</p><p>　　重金屬鉛在濃度40 mg?l-1，對活性污泥沒有明顯的毒性抑制情形。</p><p>　　SAUR受抑制現(xiàn)象，並不隨著重金屬共同混合添加而有加乘作用，抑制情形皆以毒性強的重金屬為主，而在本研究所探討的鉛、鎳與鎘三種重金屬中，鎳明顯是主要抑制SAUR的重金屬。</p&

45、gt;<p>　　SNUR受抑制現(xiàn)象仍以毒性強的重金屬為主，但會隨著重金屬共同混合添加而有加乘作用，在本研究所探討的鉛、鎳與鎘三種重金屬中，鎘明顯是主要抑制SNUR的重金屬，但鎳的加入會使得Pb+Cd的抑制率明顯增加，而鉛的加入也會明顯使鎳的抑制率增加。</p><p>　　A2O模廠系統(tǒng)污泥對重金屬吸附能力為Pb≒Cd＞Ni。</p><p>　　單位污泥之重金屬吸附量（q

46、）會隨著水中重金屬濃度增加而增加。</p><p>　　污泥濃度（MLVSS）降低會提高單位污泥之重金屬吸附量（q）。</p><p>　　圖15. A2O模廠系統(tǒng)菌相</p><p>　　表5. A2O microorganism analysis</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p>

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