铝盐对生化处理系统的研究进展
摘要：废水生化处理过程中，铝盐是应用最为广泛的絮凝剂之一，它可以中和污泥的表面电荷、增强污泥的沉降和絮凝性能，而且由于铝盐便宜、来源广泛，常常被用作强化化学除磷的药剂。鉴于铝盐在生产、生活中的大量应用，以及随着检测技术的进步和人们对生命安全的重视，越来越多的专家学者开始关注铝盐的环境行为。本文综述了环境中铝盐的来源和在废水生化处理过程中的耦合作用，以期为铝盐在废水处理领域的深入研究提供参考。
关键词：铝盐；污水；污水处理工艺
1 环境中铝盐的来源
环境中铝盐的来源之一是七十年代以前，由于科学技术的发展限制，人们尚未意识到铝和铝盐的危害，它们一度被认为是不能被人体吸收并且很安全的物质，基于此，它们在食品添加剂、药物、水处理混凝剂及各种容器、炊具等方面被大量利用。另一重要来源是，随着污水处理技术要求的提高，铝盐由于拥有着优良的絮凝性能被广泛应用于水处理过程中，铝盐类絮凝剂的普遍使用，使得部分会残留在水中造成水体环境中铝含量超标。此外，环境中铝盐
reactor technology的另一来源是铝矿资源的开采、冶炼，以及相关产品生产和加工过程的废水排放、废弃物迁移等。一些工业的生产废水中也存在大量的铝，如有冶金、化工制药、合成橡胶和油漆工业等，这些高浓度铝废水的排放，也会对环境造成严重的污染[1-3]。
2 铝盐对微生物的生理作用
铝可以和多种酶蛋白结合，改变蛋白质结构并对功能产生影响。赵春禄等[4]探讨了铝盐类絮凝剂对活性污泥中微生物活性的影响。结果表明，絮凝剂投加量较高时，游离态的铝对活性污泥的影响高于聚合态的铝；活性污泥浓度不断的提高，其对铝盐絮凝剂的耐受力不断的增强，说明活性污泥对铝絮凝剂有一定的适应性，铝盐类絮凝剂对活性污泥的影响是非急性的，且可逆的。徐亚同等[5]研究了铝离子对废水生化处理的影响，他们发现，当铝的投加量为5mg/L时，活性污泥系统会产生协同效应，此时，铝离子对活性污泥微生物无负面影响，并且其化学絮凝作用对废水中有机污染物具有一定的去除效果。这种协同作用，使得总去除率有所提高。然而，协同作用有阈值，当投加量大于25mg/L时，铝会对活性污泥里的微生物产生毒性影响，系统去除率下降。但是，经过驯化培养后，微生物能合成新的酶来适应金属阳离子，使其增强对金属阳离子毒性的适应性，从而适应一定金属离子浓度的环境。
铝能与细胞膜上的磷脂中带负电荷的磷酸集团结合从而导致细胞膜流动性降低并抑制膜对阳离子的运输作用[6]。铝还能够干扰镁、钙、铁等金属离子在细胞内的代谢，使得这些离子在生物体内的稳态失衡，对生物膜的正常生长不利。铝不同的化学形态对水生动物有着不同的毒害作用，铝与氢氧化物、腐植酸、硫酸盐和可溶性有机物形成络合态化合物，一定程度上，能诱导细胞的程序性死亡[7]。
3 铝盐对废水生化处理的研究现状
综上所述可知，由于铝盐在生产、生活中的大量应用，以及随着检测技术的进步和人们对生命安全的重视，越来越多的专家学者开始关注铝离子的环境行为[8]。废水水生化处理过程中，铝盐是应用最为广泛的絮凝剂之一，它可以中和污泥的表面电荷、增强污泥的沉降和絮凝性能[9-11]，而且由于铝盐便宜、来源广泛，常常被用作强化化学除磷的药剂，因此，不可避免的水环境中会存在余铝偏多的现象，这必然会对整个水循环系统和环境系统造成不良的影响。
近年来，国内外学者对污水处理工艺的研究不绝如缕，创新点层出不穷，比如在絮凝剂种类方面，有学者[12]在实验中采用聚合氯化铝（PAC）和硫酸铝（AS）作为絮凝剂，研究在启
动阶段（10~16 d）短期分别投加PAC和AS来促进好氧颗粒形成的效果并对好氧颗粒产生的影响。结果表明，PAC和AS均通过改善污泥的理化性质促进了污泥的造粒，同时反应器的污染物去除性能也得到了提高。其中，在胞外聚合物（EPS）方面，PAC的投加主要刺激松散结合的EPS（LB-EPS）的产生，而AS的投加主要刺激更为紧密结合的EPS（TB-EPS）的分泌。元素分析表明，PAC水解聚合铝主要作用于微生物团聚体的表面，通过离子交换和水力剪切作用逐渐消除颗粒中附着的铝。相反，AS中的铝则水解成单体和寡聚体Al，从而扩散到微生物聚集体内部，最终在颗粒中形成“Al核”。也有学者[13]研究硅聚铁和含硅聚铝的混凝剂在SBR反应器中与微生物在污染物去除过程中的协同作用。结果表明，两种混凝剂都可以提高CODcr和TP的去除效果，但在CODcr去除过程中无明显的生物协同作用，而对于TP的去除则都表现出了一定的协同作用，含硅聚铁比含硅聚铝的协同作用更加明显，除磷效果更好。
在EPS形成和分泌量方面，Huang等[14]在生物膜-膜絮凝反应器中研究提高营养盐同时去除率和减少膜污染的方法时发现，累积的Al使胞外聚合物（EPS）分泌量增加1.9%~35.4%，生物膜生物量增加12.4%~26.1%[14]。而Yu等[15]通过对比实验研究了污泥中EPS的特性及其对生物絮凝性的影响，结果表明，污泥中TB-EPS对高岭土悬浊液的生物絮凝性优于其他E
PS组分，这是因为其包含了大分子（330~1200 kDa）物质和三价金属阳离子（Fe3+和Al3+）；进一步研究表明，TB-EPS馏分通过桥接和网捕絮凝作用引起颗粒聚集，这也揭示了在活性污泥系统中，铝离子主要刺激TB-EPS的分泌。其中在探究铝离子与EPS作用机理方面，刘静等[16]利用三维荧光光谱（Three dimensional fluorescence spectrum，EEM）和傅立叶红外光谱（FT-IR）研究了藻菌生物膜胞外聚合物（EPS）和铝离子的相互作用机理，其结果表明铝离子与生物膜EPS中的蛋白物质有较强的配位作用，而且pH值对Al3+-EPS体系的配位作用也有显著的影响；由FTIR光谱分析得知EPS中的N-H和C=O等基团与Al3+产生的配位作用强。
在铝离子浓度方面，Zhang等人[17]在采用厌氧/缺氧/好氧（A2O）工艺研究了Al3+对污染物去除效率、生物絮凝和污泥微观结构的影响。结果表明：低浓度的Al3+可以提高污染物的去除效率，增加污泥的粒径。但高浓度的Al3+阻碍了微生物絮凝，降低了污染物的去除效率。当Al3+添加量为10 mg/L时，CODcr、TN和NH4+-N分别增加了3%、16%和27%，达到68%、60%和87%。杨涛等[18]采用序批式生物膜反应器（SBBR），研究在反应器中投加氯化铝，化学协同生物除磷过程中铝离子对污泥胞外聚合物（EPS）、脱氢酶活性（DHA）及营养物质处理效果的影响。研究结果表明，当氯化铝投加量少于0.1 mmol/L时，铝离子对微
生物的活性有明显的促进作用，这是因为铝离子能够促进EPS中蛋白质（PN）和多糖（PS）的分泌；当氯化铝的投加量大于0.1 mmol/L时，其对微生物的活性有明显的抑制作用，这是因为此浓度的铝离子只促进PS的分泌，而对EPS的总量却没有影响。此外，铝离子会改善污泥的沉降性能，降低污泥的SVI值。当氯化铝的投加量为0.5 mmol/L时，TP的去除效果最好，去除率为92.7%，比对照组提高了10.2%，出水浓度仅为0.44 mg/L，达到排放标准。Park等人[11]采用小型活性污泥系统，研究了絮凝剂铝对活性污泥性能和去除17-α乙炔基中间体（EE2）的影响。结果表明，高浓度的含铝的活性污泥具有较好的沉降性能和出水水质，对EE2的去除效果较好。出水中EE2的浓度显示出与出水悬浮固体、大颗粒和胶体聚合物(蛋白质+多糖)的相关性。活性污泥的生物絮凝中，铝盐起着至关重要的作用，絮凝效果影响着废水处理系统中干扰物（EDCs）的去除。Liu等人[19]采用序批式反应器（SBR），通过嵌入明矾污泥为基础的人工湿地（AlCW），将其升级为绿生物吸附反应器（GBR），研究了其污泥动态变化规律。评价了废水中铝（Al3+）的含量及其对生物的影响。结果表明，出水中Al3+的残留量处于可接受水平（＜0.2 mg/L）。AlCW及其渗滤液中的Al3+对异养生物和硝化菌的活性没有造成负面影响，而聚磷菌的活性则被完全抑制。此外，铝的氢氧化物和天然有机物通过与胞外聚合物（EPS）的络合作用促进活性污泥的絮凝。
在处理效能方面，Park等[20]对从七个污水处理厂（WWTPs）收集的废水样本进行了表征，以评估阳离子对活性污泥工艺的影响。研究的阳离子包括钠（Na+）、钾、铵、钙、镁、铝和铁。在选定的阳离子中，重点研究Al和Fe，数据表明，进水中较高的Na+浓度会导致污泥脱水和出水的性能较差。然而，当絮体中有足够的Al和Fe时，Na+的负面作用会被抵消。与铝相关的数据进一步表明，铝可以清除活性污泥中的有机化合物，并使其与絮凝体结合，从而改善活性污泥的出水水质。
4 总结与展望
铝盐絮凝剂具有絮凝能力强、处理效果好且价格低廉的特性，无论是传统污水处理工艺，还是新型污水处理工艺，铝盐在工艺中发挥了不替代的作用。但大多处理工艺未探讨出水铝浓度超标的问题，且缺乏对机制的深入研究，今后应在出水铝浓度超标和机理探究方面做出更多的研究。
参考文献
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