王樹濤,李素萍,王未青,王志申,尤 宏 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

納米顆粒(NPs)是指至少在一個(gè)維度上的尺寸小于100nm的顆粒.由于NPs尺寸微小?比表面積巨大?與常規(guī)尺寸材料相比,具有更大的反應(yīng)活性,目前NPs的環(huán)境行為及其毒性效應(yīng)備受關(guān)注[1].污水處理廠是 NPs進(jìn)入自然水環(huán)境的重要途徑[1-3].2009年USEPA報(bào)告,84所污水處理廠污泥中納米氧化物的含量達(dá)到 8.55g/kg SS[4].中國2011年(139所)與2009年(107所)污水廠污泥中納米氧化物的濃度為 1.03g/kg SS,最大達(dá)到9.14g/kg SS[5-6].

進(jìn)入污水處理廠以后,NPs可通過活性污泥的吸附而從污水中去除[7].然而,被吸附的NPs可能對(duì)活性污泥微生物的活性具有抑制作用[8-9],尤其引起關(guān)注的是對(duì)活性污泥中功能微生物種群的影響[10].不同NPs對(duì)不同種微生物的影響不同,如 Adams 等[11]發(fā)現(xiàn) TiO2-NPs﹑SiO2-NPs 和Sigma-Aldrich (St.Louis,MO).取 2mL上述懸濁液用去離子水稀釋至 1L,作為儲(chǔ)備液,使用前超聲(250W,40Hz)分散,防止其團(tuán)聚.將 ZnO-NPs懸濁液滴在銅片上,晾干后,用透射電鏡(TEM)觀察其形態(tài)的團(tuán)聚性;將 ZnO-NPs懸濁液震蕩后,用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)分析其粒徑分布.由圖1可以看出,ZnO-NPs為球狀,且符合實(shí)驗(yàn)粒徑要求(1～100nm).ZnO-NPs能顯著抑制某些細(xì)菌的增長,其中以ZnO-NPs的抑制作用最明顯,500mg/L ZnO-NPs對(duì)枯草芽孢桿菌的生長抑制率達(dá) 90%,而對(duì)大腸桿菌的生長抑制率僅為 38%.Zheng等[12]研究發(fā)現(xiàn) 50mg/L ZnO-NPs在長期暴露(70d)時(shí)對(duì)氨單加氧酶和亞硝酸鹽氧化還原酶的活性有明顯抑制作用,而對(duì)外切聚磷酸酶、多聚磷酸鹽激酶的活性無明顯影響.Chen等[13]研究發(fā)現(xiàn)盡管Ag-NPs與ZnO-NPs對(duì)COD和的去除率影響不大(<5mg/L),但其對(duì)微生物群落影響十分顯著,使與底物降解相關(guān)的菌群減少,而使和生物吸附﹑生物膨脹等相關(guān)的菌群增加.

圖1 Nano-ZnO的TEM圖與DLS粒徑分布Fig. 1 Transmission electron microscope image(TEM) of ZnO-NPs and particle size distribution by dynamic light scattering(DSL)

另外,不同暴露時(shí)間對(duì)污泥性狀影響不同.Li等[14]研究發(fā)現(xiàn),短期暴露時(shí),TiO2-NPs對(duì)活性污泥去除N﹑P的能力未產(chǎn)生明顯影響,當(dāng)暴露時(shí)間延長到70d時(shí),活性污泥去除TN的能力受到明顯抑制.Zheng等[15]發(fā)現(xiàn),1mg/L SiO2-NPs在短期及長期暴露下對(duì)污泥活性及脫氮能力均無影響,但 50mg/L SiO2-NPs在長期(70d)暴露時(shí),TN去除率從 79.6%降到 51.6%.Chen等[16]研究發(fā)現(xiàn)1,50mg/L Al2O3-NPs短期暴露對(duì)活性污泥去除N﹑P的能力無明顯抑制作用,但隨暴露時(shí)間延長,50mg/L Al2O3-NPs使TN去除率從80.4%降到62.5%.

NPs除了抑制好氧活性污泥對(duì)N、P等的去除外,對(duì)厭氧消化過程也存在一定抑制作用.Mu等[17]發(fā)現(xiàn),Al2O3-NPs﹑TiO2-NPs﹑SiO2-NPs對(duì)污泥的厭氧消化存在抑制作用,其中ZnO-NPs對(duì)產(chǎn)甲烷量的抑制率可達(dá)到75.1%.此外,ZnO-NPs對(duì)厭氧顆粒污泥的EPS也會(huì)產(chǎn)生影響.

目前,從ZnO-NPs對(duì)活性污泥有機(jī)物降解性能、沉降性能、呼吸速率、微生物產(chǎn)物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的影響規(guī)律等反應(yīng)活性污泥活性的研究較少.基于此,本文從上述角度研究了ZnO-NPs對(duì)好氧活性污泥活性的影響.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 ZnO-NPs懸濁液 ZnO-NPs懸濁液(1.7g/L,<100nm,平均粒徑小于 35nm)購買自

1.1.2 污水水質(zhì) 采用人工配制的模擬污水,葡萄糖或蔗糖提供碳源,COD的濃度為 450～550mg/L;NH4Cl提供氮源,濃度為 30～50mg/L,其他營養(yǎng)元素濃度為: KH2PO430mg/L,CaCl210mg/L,MgSO450mg/L,進(jìn)水 pH 值保持在7.5～8.5,由 NaHCO3調(diào)節(jié).

1.1.3 SBR實(shí)驗(yàn)裝置 SBR反應(yīng)器有效反應(yīng)容積為 4.0L.單個(gè)運(yùn)行周期為 8h,各運(yùn)行階段時(shí)間為:進(jìn)水0.15h,攪拌曝氣5.6h,沉淀1.1h,排水0.15h,靜置 1h(由時(shí)間定時(shí)器控制).操作參數(shù)為:pH 7.5～8.5,溫 度 25～28℃,MLVSS/MLSS 0.75,SV 20%～30%.接種污泥取自哈爾濱太平污水廠二沉池污泥,然后用上述配水馴化培養(yǎng).反應(yīng)器正常運(yùn)行時(shí),出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).

1.2 分析方法

1.2.1 SMP及EPS提取與分析 采用熱提取法.取40mL曝氣階段的污泥混合液于50mL離心管離心(5000r,5min),將上清液用 0.45μm 醋酸纖維膜過濾即得溶解性有機(jī)物(SMP).然后將離心管底部污泥用蒸餾水補(bǔ)充到 40mL,并使其重新懸浮,在 80℃水浴鍋中加熱 30min后,再次離心(5000r,5min),將上清液用 0.45μm 醋酸纖維膜過濾即得EPS.SMP及EPS的產(chǎn)量以COD值來表示[18].多糖、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)分別采用苯酚-硫酸分光光度法,雙縮脲分光光度法、修正Lowry法分析.

1.2.2 活性污泥呼吸速率的測(cè)定 采用溶解氧儀(HACH 2400)測(cè)定.測(cè)定步驟為:自反應(yīng)器中取出1.5mL污泥稀釋到150mL并轉(zhuǎn)移至250mL錐形瓶內(nèi),將溶解氧儀電極插入此錐形瓶中并使錐形瓶密閉,置于磁力攪拌器上攪拌,每隔10s記錄一個(gè)DO值.以DO值對(duì)時(shí)間作圖,所得直線斜率即為呼吸速率[19].

1.2.3 其他常規(guī)指標(biāo)分析方法 COD:重鉻酸鉀法;SV:沉降法;MLSS:105℃干燥減重法;MLVSS:600℃灼燒減重法.

1.3 ZnO-NPs毒性接觸實(shí)驗(yàn)方法

啟動(dòng)反應(yīng)器并使其穩(wěn)定運(yùn)行.在加入 ZnONPs之前,分別測(cè)定SBR的COD去除率、SV、MLSS和MLVSS,曝氣階段的EPS、SMP產(chǎn)量及其各組分(多糖﹑蛋白質(zhì)﹑腐殖質(zhì))濃度,污泥的呼吸速率,作為對(duì)照.然后向上述模擬污水中加入ZnONPs作為SBR反應(yīng)器的進(jìn)水.ZnO-NPs濃度分別為10,20,50,100mg/L.每個(gè)指標(biāo)做3個(gè)平行.

2 結(jié)果與討論

2.1 ZnO-NPs對(duì)活性污泥沉降性及生物量的影響

由表1可知,ZnO-NPs會(huì)使污泥沉降性能變差,且 ZnO-NPs濃度越高,污泥沉降性越差.10,20,50,100mg/LZnO-NPs使污泥 SV值分別從30.0%, 30.0%, 30.0%,30.0%升到38.3%, 54.2%,65.0%, 66.0%.即活性污泥體積指數(shù)偏離正常值(20%～30%),同時(shí)伴有活性污泥膨脹發(fā)生.出現(xiàn)這種情況的原因可能是絲狀菌膨脹,此時(shí)污泥量減少,細(xì)菌吸附的大量有機(jī)物來不及代謝,在胞外積貯了大量高黏性物質(zhì),使表面附著物大量增加,很難沉淀壓縮,從而污泥沉降性變差.但是,Ni等[20]發(fā)現(xiàn),磁性NPs會(huì)使污泥的SVI值減小.出現(xiàn)這種差異的原因可能是FeCl3磁性NPs由于具有磁性,能相互吸引并聚集成團(tuán),導(dǎo)致污泥易于結(jié)成較大絮體,從而比較容易沉降.

MLVSS表示活性污泥的活性組分,正常情況下,活性污泥MLVSS/MLSS值在0.75左右.從表2可看出,低濃度時(shí)(10mg/L) ZnO-NPs沒有使MLVSS/MLSS發(fā)生明顯變化.而 20,50,100mg/L ZnO-NPs使 MLVSS/MLSS值分別降低 0.06,0.11,0.16,且暴露濃度越高,偏離正常值(0.75)越明顯,表明增大ZnO-NPs濃度使活性污泥活性組分減少,即降低了活性污泥的活性.這與 COD 去除率、EPS產(chǎn)量下降是一致的(圖2和表3).

表1 ZnO-NPs對(duì)污泥沉降性的影響Table 1 Impact of ZnO-NPs on SV of activated sludge

表2 ZnO-NPs對(duì)MLVSS/MLSS的影響Table 2 Impact of ZnO-NPs on MLVSS/MLSS ratio

2.2 ZnO-NPs對(duì)EPS及SMP的影響

EPS是活性污泥的重要組成部分,在微生物抵抗環(huán)境壓力等方面起到重要作用[20],因此考察了ZnO-NPs對(duì)EPS的影響,由表3可知,ZnO-NPs濃度為10,20,50,100mg/L時(shí),EPS的產(chǎn)量分別降低了20.3%, 29.0%, 49.9%, 65.4%,可見,ZnO-NPs能夠明顯抑制活性污泥EPS的產(chǎn)生.EPS主要來源于污泥代謝環(huán)境基質(zhì)和細(xì)胞本身的新陳代謝和自溶.可見,ZnO-NPs能夠抑制微生物新陳代謝和降解環(huán)境基質(zhì)的能力,且濃度越高,抑制越強(qiáng).

表3 EPS產(chǎn)量及各組分含量Table 3 Yield and components of EPS

進(jìn)一步分析表明,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS中糖、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)含量降低,而 10,20mg/L則使各組分含量升高.Ni[20]等研究ZnO-NPs對(duì)厭氧顆粒污泥(AGS)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),100, 200mg/g-TSS會(huì)使EPS中蛋白質(zhì)、脂肪、腐殖質(zhì)含量減少,而對(duì)多糖含量影響不大.這可能是由于 EPS中酰氨基、羥基等官能團(tuán)發(fā)生較大變化,并導(dǎo)致EPS中蛋白質(zhì)、脂肪及腐殖質(zhì)的含量變化[17].

表4 SMP產(chǎn)量及各組分含量Table 4 Yield and components of SMP

從表 4可看出,10,20,50,100mg/L ZnO-NPs使 SMP產(chǎn)量分別升高了 23.6%,48.9%,102.6%,203.0%, Mei等[21]在研究ZnO-NPs對(duì)MBR的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn),SMP產(chǎn)量隨 ZnO-NPs的濃度與暴露時(shí)間的增加而增加.由Laspidou等[22]提出的統(tǒng)一理論假設(shè)可知,SMP按其產(chǎn)生途徑可分為與基質(zhì)降解相關(guān)聯(lián)的微生物產(chǎn)物(UAP)和與微生物內(nèi)源呼吸相關(guān)聯(lián)的微生物產(chǎn)物(BAP).UAP與基質(zhì)降解﹑微生物代謝和細(xì)胞生長相關(guān),BAP與細(xì)胞內(nèi)源呼吸如細(xì)胞裂解、細(xì)胞凋亡有關(guān)[18].從EPS產(chǎn)量增加與表5中呼吸速率的下降可看出,微生物新陳代謝與基質(zhì)降解能力受到抑制,則UAP產(chǎn)量會(huì)降低.EPS可以水解產(chǎn)生 BAP[22],因此 SMP產(chǎn)量的增加可能來源于 BAP.另一方面,SMP是可生物降解的,微生物活性的降低可能會(huì)影響SMP的生物降解,這可能是SMP產(chǎn)量增加的另一原因.

此外,20,50,100mg/LZnO-NPs使 SMP中糖含量升高,而 10mg/L則會(huì)使糖含量降低;50,100mg/L ZnO-NPs會(huì)使SMP中蛋白質(zhì)﹑腐殖質(zhì)含量升高,而10,20mg/L則會(huì)使蛋白質(zhì)﹑腐殖質(zhì)含量降低(圖3).這可能是由于SMP中酰胺基﹑羥基等官能團(tuán)發(fā)生較大變化,并導(dǎo)致 SMP中蛋白質(zhì)﹑脂肪及腐殖質(zhì)的含量變化[17].

2.3 ZnO-NPs對(duì)活性污泥呼吸速率的影響

如表5所示,ZnO-NPs對(duì)活性污泥呼吸速率具有明顯抑制作用,且濃度越高,抑制作用越明顯.ZnO-NPs濃度為 10mg/L時(shí),呼吸抑制率為22.4%,當(dāng)濃度增加到 100mg/L時(shí),呼吸抑制率達(dá)到80.3%,但抑制作用不隨著ZnO-NPs濃度的增加而等比例增加.呼吸速率是評(píng)價(jià)污泥代謝活性的重要指標(biāo),在污泥體系受到毒物沖擊時(shí)呼吸速率會(huì)有所下降.因此,ZnO-NPs抑制活性污泥呼吸速率表明其抑制污泥代謝活性.這與EPS產(chǎn)量下降﹑SMP產(chǎn)量升高等是一致的.類似地,Liu等[23]研究發(fā)現(xiàn),較高濃度的ZnO-NPs會(huì)對(duì)污泥的耗氧速率(OUR)有較大影響,800mg/L ZnO-NPs對(duì)活性污泥 OUR的抑制率達(dá) 80%.而本研究中100mg/LZnO-NPs對(duì)活性污泥呼吸速率的抑制率最高可達(dá)80%.

表5 ZnO-NPs對(duì)呼吸速率的影響Table 5 Impact of ZnO-NPs on respiratory rate

2.4 ZnO-NPs對(duì)有機(jī)物降解的影響

圖2 ZnO -NPs對(duì)有機(jī)物降解的影響Fig.2 Impact of ZnO-NPs on organic matter degradation

由圖 2可以看出,隨著接觸時(shí)間的延長,ZnO-NPs對(duì)有機(jī)物去除效率的影響逐漸增強(qiáng).但ZnO-NPs濃度較低時(shí)(10mg/L),延長接觸時(shí)間,ZnO-NPs 對(duì)COD去除率沒有明顯影響,去除率僅僅從88.97%降到83.79%,接觸5d后出水COD仍小于60mg/L,可認(rèn)為10mg/L ZnO-NPs對(duì)SBR去除有機(jī)物無明顯影響.這可能由于活性污泥中微生物在少量的毒性物質(zhì)刺激下會(huì)產(chǎn)生抗性,甚至?xí)股锪柯杂性黾?從而使污泥活性沒有發(fā)生明顯變化,表1中MLVSS/MLSS值從0.74增加到 0.76也可說明這一點(diǎn).然而,20,50,100mg/L ZnO-NPs使 COD去除率分別從 83.3%,86.7%,91.0%降到 75.3%,67.2%,63.3%,即分別下降了8.0%,19.5%,27.7%.此外,接觸5d后,出水COD均大于 60mg/L,表明增大 ZnO-NPs濃度會(huì)增強(qiáng)其對(duì)好氧活性污泥活性的抑制作用,且隨濃度增大,抑制作用增強(qiáng).這可能由于ZnO-NPs濃度過高導(dǎo)致微生物細(xì)胞死亡,菌膠團(tuán)破壞,進(jìn)而影響活性污泥的正常功能.類似地,Mei等[21]研究發(fā)現(xiàn)ZnO-NPs會(huì)抑制MBR對(duì)NaAc的降解,濃度越大,抑制作用越強(qiáng),加NPs之前基質(zhì)4h可完全降解,而加入13.6mg/L ZnO-NPs后則需6h.

整體上看,不同濃度的ZnO-NPs對(duì)有機(jī)物降解效率、EPS、SMP的影響規(guī)律是一致的.濃度高時(shí),不僅生物代謝受到抑制,且生物量減少,導(dǎo)致 COD 去除率明顯下降;而濃度低(10mg/L)時(shí),雖然微生物新陳代謝受到一定抑制,但此時(shí)生物量可能略有增加(表1),使污泥活性總體降解效能未發(fā)生明顯變化,即 COD去除率未受到較明顯影響.

3 結(jié)論

3.1 ZnO-NPs能夠使好氧活性污泥沉降性能降低,10,20,50,100mg/L ZnO-NPs使污泥沉降性能分別降低8.3%,24.2%,35.0%,36.0%.

3.2 低濃度ZnO-NPs對(duì)EPS和SMP的產(chǎn)量及組成具有一定影響.10mg/L ZnO-NPs使污泥EPS產(chǎn)量降低20.3%,SMP產(chǎn)量增加203.03%,呼吸速率抑制22.4%.

3.3 較高濃度的 ZnO-NPs對(duì)活性污泥活性具有明顯影響.20,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS產(chǎn)量分別降低 29.0%,50.0%,65.4%,使 SMP產(chǎn)量分別升高 48.9%,102.6%,203.0%,使 MLVSS/MLSS值分別降0.06,0.11,0.16,使COD去除率分別降低8.0%,19.5%,27.7%.20,50,100mg/L ZnO-NPs污泥效能受到明顯抑制,可認(rèn)為20,50,100mg/L ZnONPs能夠抑制污泥代謝,降低活性污泥生物量,顯著抑制活性污泥活性.

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