城市生活垃圾填埋场渗滤液生化处理过程中重金属离子问题

几乎所有微生物的生长都离不开Fe、Mn、Co、Cu、Ni、Zn、Al和V等重金属元素。当这些重金属元素适量存在时，对微生物的生长具有作为酶催化剂、在氧化还原反应中传递电子（将ADP转化为ATP）以及调节生物渗透压等作用。当特定金属离子的含量达到一定浓度时，这种离子才能完成相应的生物作用。但是浓度高于一定界限时，金属离子将会产生毒性效应。某些金属离子没有已知或假定的生物功能，当存在于细胞中时，它们可能产生较大的毒性[16]，例如Cd、Cr、Hg、Pb和As等（图1）。
2.1重金属的有益作用
2.1.1微生物重要的化学组成成分
通过细胞化学组成分析可以看出重金属是微生物重要的微量营养元素。例如甲烷菌的化学组成中重金属含量如表3所示[17]。甲烷菌化学组成中有相对较高的铁、镍和钴元素。
表3甲烷菌的重金属离子含量（g/kg干细胞）

2.1.2微量金属对甲烷菌的激活作用
微量金属可能对多种微生物有激活作用，但研究较多的是对甲烷菌的激活作用。研究表明，对甲烷菌有激活作用的微量金属包括[18]：Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Mn、Mo、Se、W和B等，其中Fe、Co、Ni的需要量分别是0.02、0.004和0.003mg/gAC（aceticacid，乙酸）。缺少或限制其中任何一种微量金属，产甲烷过程都会受到抑制或完全停止。同时缺少微量金属也是厌氧处理出水挥发酸长期居高不下的原因之一。
Speece研究表明[18]，向厌氧反应器中投加Fe、Co、Ni有助于生物体对高浓度Na+（12000mg/L）的驯化。向反应器中直接投加Fe、Co、Ni时，对Na+（12000mg/L）的冲击剂量的驯化约15d，不投加这些微量金属，直到39d后仍没用甲烷产生。
2.1.3微生物的金属辅助因子
一些酶只依赖自身的蛋白质结构就能发挥活性，而另外一些酶还需要非蛋白质成分才能发挥作用。当这种非蛋白质部分是金属离子时，称为辅助因子。表4列出了各种金属离子（辅助因子）以及与它们有关的酶[19]。
表4金属辅助因子、它们激活的酶以及酶的功能

2.2重金属离子的毒性及抑制浓度
重金属离子达到一定浓度时会对微生物产生毒害作用，它们能够和细胞的蛋白质相结合，而使其变性或沉淀。有毒物质对微生物的毒害作用，有一个量的概念，有毒物质达到极限允许浓度才产生毒害。但是这些浓度也不是绝对的，通过逐渐的驯化，微生物可以承受更大的浓度。渗滤液中的金属离子如果含量很高也会形成沉淀物使生化反应器堵塞，或在生物膜表面结垢，影响去除效率。
2.2.1重金属离子对好氧菌毒性及抑制浓度
Paolo等[20]以氨吸收速率（AUR）和氧吸收速率（SOUR）作为衡量重金属对微生物毒性大小的标准，研究了重金属离子对活性污泥中异养菌和硝化菌的抑制作用。他们在试验中采用不同浓度的Cd2+、Cr6+、Cu2+、Pb2+与Zn2+溶液与活性污泥接触混合，在混合接触1h后，检查AUR和SOUR的变化。研究结果如下：Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+和Cr6+对异养菌产生50%抑制作用的浓度分别250、500、650、13500和150000μg/L；而对硝化菌产生50%抑制作用的浓度分别3800、750、225、16000和300000μg/L。可以看出与重金属接触时硝化菌不如好氧异养菌敏感。
Metcalf等[21]研究总结了重金属离子对异养微生物抑制作用的起始浓度：As50μg/L，Cd1000μg/L，总Cr10000μg/L，Cr6+1000μg/L，Cu1000μg/L，Pb100μg/L，Hg100μg/L，Ni1000μg/L，Zn1000μg/L。菌种驯化程度以及基质种类等试验条件的不同可能造成了研究结果较大的差异。
2.2.2重金属离子对厌氧菌的毒性及抑制浓度
废水厌氧处理中产生的S2-与CO2-3等阴离子，会与废水中的金属离子迅速地发生沉淀反应，使金属离子的浓度迅速下降，而pH值的适当提高，也有助于重金属离子的沉淀。重金属迁移到沉淀物中一方面可以降低重金属离子的毒性，另一方面可能导致某些重要的微量金属元素的浓度过低，影响微生物的活性。
总结有关重金属对甲烷菌毒性的研究结果得出结论[22]：对甲烷菌而言，重金属离子的IC50值一般在30～300mg/L，该浓度指的是加到溶液试样中的金属离子浓度。
王菊思等[23]的研究表明，对厌氧体系直接起抑制作用的是溶解态的金属离子，当几种重金属共存时所产生的毒性要比单独存在时大，亦即污泥对混合离子协同作用的承受能力要比任何单个离子的承受能力低。而维持厌氧体系正常运行的溶解态金属离子的浓度分别为：Zn2+<700μg/L，Cr3+<500μg/L，Cu2+<500μg/L，Ni2+<400μg/L，Cr6+<400μg/L，混合金属离子<500μg/L。
3渗滤液中重金属离子处理技术
渗滤液中的重金属含量通常很低，不会对生化处理产生大而持续的毒害作用。对富含重金属的垃圾，应考虑在入场前进行预处理。如果已经造成渗滤液重金属浓度过高的事实，或处理后排放水有很高的环境要求，应进行相应的处理使出水满足规定的标准。主要技术包括：微生物去除法、吸附法、混凝沉淀法和膜分离法等。
3.1微生物法去除技术
微生物法去除废水中重金属的主要机理之一：利用以硫酸盐还原菌（sulfatereducingbacteria，SRB）为主的厌氧微生物将高价的重金属离子还原，再利用SRB代谢产生的S2-与重金属离子生成硫化物沉淀。微生物去除重金属的作用机理还在于微生物表面通常带有负电荷，故对重金属有较强的吸附性。其次，微生物菌群本身还有较强的生物絮凝作用，使废水中的金属硫化物得以沉淀。