周婷婷 宋曉梅 鄭煜銘 苑志華#

(1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，中國科學(xué)院城市污染物轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

納米銀是指粒徑在1～100 nm的銀單質(zhì)，因其具有優(yōu)良的抗菌性能，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化妝品和食品包裝等領(lǐng)域[1],[2]232。然而，隨著納米銀使用量的增加，它對(duì)自然環(huán)境的不利影響也逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，納米銀不僅可以改變河流、湖泊等自然水體中微生物的種群結(jié)構(gòu)，而且能夠在食物鏈中富集[3-5]。KAEGI等[6]研究發(fā)現(xiàn)城市污水處理廠是納米銀進(jìn)入自然水體前的重要“中轉(zhuǎn)站”，在控制納米銀的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面具有重要作用。然而，有研究發(fā)現(xiàn)，具有殺菌性能的納米銀可以抑制污水生物處理系統(tǒng)中硝化細(xì)菌、聚磷菌等微生物的活性，進(jìn)而給污水處理廠的運(yùn)行帶來不利影響[7]84,[8]2,[9]。

研究表明，納米銀對(duì)污水生物處理的影響程度不僅與納米材料本身特征有關(guān)，也與污水、污泥和微生物種群結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7]84,[8]2,[10]。在我國的城市污水處理廠中，重金屬是存在于污水和污泥中的一大類污染物[11]319,[12]2456。有研究表明，納米銀與重金屬共存時(shí)，可以明顯改變砷、鎘和銅對(duì)水蚤的生物毒性和生物累積性，并影響鉛、鋅和銀在底泥中的環(huán)境轉(zhuǎn)化[13-14]。張傳玲等[15]也發(fā)現(xiàn)，納米銀與鎘共存可以對(duì)植物根系造成復(fù)合影響，與二者單獨(dú)存在時(shí)所具有的毒性存在較大差異。這些研究均揭示了納米銀和重金屬在環(huán)境中共存時(shí)產(chǎn)生的相互影響。城市污水處理廠中，六價(jià)鉻(Cr(Ⅵ))是主要存在的重金屬之一[12]2457,[16]。有研究發(fā)現(xiàn)污水中的總鉻為0.1～1.2 mg/L，而污泥是Cr(Ⅵ)進(jìn)入污水處理廠后的主要載體，污泥中總鉻為10.6～639.0 mg/kg[11]319,[12]2457,[17]。Cr(Ⅵ)在一定條件下具有強(qiáng)氧化性，能夠降低污水生物脫氮除磷的效率，對(duì)污水生物處理產(chǎn)生不利影響。在納米銀與Cr(Ⅵ)共存的狀態(tài)下，二者的毒性和環(huán)境行為可能會(huì)相互影響，進(jìn)而給污水生物處理和自然環(huán)境帶來不同于其單獨(dú)存在時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，但是，這方面的研究相對(duì)較少。因此，本研究將納米銀和Cr(Ⅵ)共同暴露于污水生物處理系統(tǒng)，研究它們對(duì)生物去除有機(jī)物、總磷(TP)和氨氮的影響，考察污泥粒徑的變化，以及二者進(jìn)入污水生物處理系統(tǒng)后的流向，揭示納米銀和Cr(Ⅵ)的復(fù)合毒性效應(yīng)，以期為納米銀和Cr(Ⅵ)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 方 法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制成的序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)。反應(yīng)器為直徑14.0 cm、高42.5 cm的圓柱體，有效體積為5.0 L，采取頂部進(jìn)水和底部空氣曝氣的運(yùn)行方式，每個(gè)循環(huán)為8.0 h，包括：厭氧2.5 h、曝氣4.0 h、沉淀1.0 h、排水10 min、空置20 min，每次排水3.0 L。反應(yīng)器的初始污泥混合液懸浮固體(MLSS)為3 800 mg/L，污泥齡為25 d，溫度為(24±3) ℃。

1.2 納米銀的制備

按照文獻(xiàn)[9]中的方法，采用硼氫化鈉還原硝酸銀，并用聚乙烯醇作為分散劑，制備出粒徑為(14±3) nm的納米銀顆粒。為了使納米銀在加入反應(yīng)器前保持穩(wěn)定，配制不同濃度的納米銀溶液，放置于低溫箱(≤4 ℃)中。

1.3 污泥接種與進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)接種污泥來源于生活污水處理廠的二沉池。污泥取回后，用紗布過濾掉大顆粒物和雜質(zhì)，并按照設(shè)定濃度將污泥加入到反應(yīng)器中。使用人工配制廢水馴化污泥2個(gè)月。待反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，開展納米銀和Cr(Ⅵ)的暴露研究。按照文獻(xiàn)[18]中的配方進(jìn)行人工配水，化學(xué)需氧量(COD)、氨氮和TP分別為(375±8)、(57±2)、(13.0±0.6) mg/L。

1.4 檢測方法

pH和溶解氧采用多功能水質(zhì)分析儀(WTW Multi342)檢測，COD、TP和氨氮采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(5B-3B(V8))檢測，污泥粒徑采用粒度分析儀(馬爾文MS2000)分析， MLSS采用《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)的重量法檢測。

出水和污泥混合液中總銀和總鉻采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜 (ICP-OES) 儀(PerkinElmer Optima 7000 DV))檢測，步驟：取適量循環(huán)結(jié)束后的出水或污泥混合液，加2.0 mL濃硝酸，80 ℃加熱20 min，再加1.0 mL硝酸和1.5 mL過氧化氫(體積分?jǐn)?shù)30%)，在160～200 ℃下消解到0.5 mL左右，用去離子水定容；使用0.45 μm針式濾頭過濾，檢測濾液中總銀和總鉻的含量。出水中溶解態(tài)銀的含量檢測步驟：取適量循環(huán)結(jié)束后的出水，經(jīng)過0.45 μm針式濾頭過濾后，使用超濾膜裝置(Amicon)在5 000 r/min下離心過濾，檢測濾液中溶解態(tài)銀的含量。

1.5 暴露濃度和周期

設(shè)置4個(gè)相同的反應(yīng)器，1號(hào)反應(yīng)器為空白對(duì)照組，2號(hào)反應(yīng)器暴露Cr(Ⅵ)，3號(hào)反應(yīng)器暴露0.1 mg/L納米銀與Cr(Ⅵ)，4號(hào)反應(yīng)器暴露1.0 mg/L納米銀與Cr(Ⅵ)(見表1)。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，納米銀在3、4號(hào)反應(yīng)器的使用量分別為0.1、1.0 mg/L；Cr(Ⅵ)在2、3、4號(hào)反應(yīng)器的使用量相同，1～50、51～100、101～120、121～140 d依次為1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L，暴露周期分別為50、50、20、20 d。

表1 納米銀和Cr(Ⅵ)的暴露質(zhì)量濃度和暴露周期Table 1 Exposure mass concentrations and periods of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ)

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)有機(jī)物去除的影響

由圖1可見，4個(gè)反應(yīng)器出水COD沒有出現(xiàn)明顯的趨勢性變化，空白對(duì)照組的出水中COD平均質(zhì)量濃度為8.8 mg/L，而單獨(dú)暴露Cr(Ⅵ)的反應(yīng)器出水中COD平均質(zhì)量濃度為11.6 mg/L，由此可見，1.0～20.0 mg/L的Cr(Ⅵ)對(duì)有機(jī)物去除有顯著的不利影響(P<0.01)。

圖1 納米銀和Cr(Ⅵ)對(duì)有機(jī)物去除的影響Fig.1 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of organic matter

在Cr(Ⅵ)和0.1 mg/L納米銀的作用下，出水COD平均值為11.5 mg/L，與單獨(dú)暴露Cr(Ⅵ)沒有顯著差別(P>0.05)，這說明0.1 mg/L納米銀的加入沒有引起Cr(Ⅵ)毒性的增強(qiáng)，而暴露Cr(Ⅵ)和1.0 mg/L納米銀后，出水中COD平均質(zhì)量濃度顯著增加，達(dá)到14.8 mg/L(P<0.01)。因此，1.0 mg/L納米銀的暴露，對(duì)COD的去除有顯著的不利影響。但是，從圖1可以看出，暴露后期(100 d后)，COD逐漸降低到單獨(dú)暴露Cr(Ⅵ)的狀態(tài)。這反映了納米銀沒有引起出水中COD出現(xiàn)明顯的趨勢性變化。這說明，≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和≤1.0 mg/L納米銀對(duì)生物去除污水中有機(jī)物并沒有產(chǎn)生明顯的趨勢性影響。文獻(xiàn)[17]和[19]報(bào)道，當(dāng)Cr(Ⅵ)小于40.0 mg/L時(shí)，對(duì)好氧和厭氧生物處理有機(jī)物不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，而1.0 mg/L納米銀可以引起COD去除率輕微降低，這與本研究的結(jié)果基本一致。因此，綜合來看，Cr(Ⅵ)和納米銀共同暴露沒有對(duì)污水生物去除有機(jī)物產(chǎn)生明顯的毒性增強(qiáng)效應(yīng)。

2.2 對(duì)氨氮去除的影響

由圖2可見，空白對(duì)照組出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.3 mg/L，沒有出現(xiàn)明顯波動(dòng)。在暴露1.0 mg/L Cr(Ⅵ)后，出水中氨氮迅速上升，9 d后質(zhì)量濃度達(dá)到34.9 mg/L，說明Cr(Ⅵ)對(duì)氨氮去除產(chǎn)生了較強(qiáng)抑制(P<0.01)。從圖2也可以看出，加入0.1、1.0 mg/L納米銀前后，出水中氨氮的變化趨勢較為接近，即≤1.0 mg/L的納米銀并未影響Cr(Ⅵ)對(duì)氨氮去除的抑制作用(P>0.05)。Cr(Ⅵ)對(duì)污水生物處理氨氮具有顯著的抑制作用，主要是因?yàn)镃r(Ⅵ)可以導(dǎo)致氨氧化的功能表達(dá)基因(amoA)快速減少，進(jìn)而抑制氨氧化細(xì)菌(AOB)的活性[20-21]。納米銀對(duì)污水生物處理系統(tǒng)中氨氮去除的影響較小，1.0 mg/L納米銀單獨(dú)暴露時(shí)，氨氮去除沒有受到影響[7]89。從圖2可以看出，與Cr(Ⅵ)單獨(dú)暴露相比，Cr(Ⅵ)和納米銀共同暴露并未明顯改變氨氮的去除效率。

圖2 納米銀和Cr(Ⅵ)對(duì)氨氮去除的影響Fig.2 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of ammonia nitrogen

2.3 對(duì)TP去除的影響

從圖3可以看出，空白對(duì)照組出水中TP在0.1～5.0 mg/L波動(dòng)。在最初暴露的20 d內(nèi)，1.0 mg/L Cr(Ⅵ)引起出水中TP快速升高后又使其恢復(fù)到暴露前的水平，這說明磷循環(huán)相關(guān)的微生物對(duì)1.0 mg/L Cr(Ⅵ)有一定的適應(yīng)能力。暴露0.1 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)后，出水中TP的變化與單獨(dú)暴露Cr(Ⅵ)沒有顯著差異(P>0.05)。暴露1.0 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)后，出水中TP最高值大于單獨(dú)暴露Cr(Ⅵ)的水平，但是經(jīng)過20 d暴露后，TP又恢復(fù)到正常水平。當(dāng)加入的Cr(Ⅵ)達(dá)到5.0 mg/L時(shí)，出水中TP再次升高，并快速恢復(fù)正常。這說明納米銀和Cr(Ⅵ)在短期內(nèi)對(duì)聚磷菌有一定的沖擊作用，但是其活性能夠快速恢復(fù)。圖3也反映出≤1.0 mg/L納米銀與≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)共同暴露，對(duì)生物除磷并沒有產(chǎn)生顯著的復(fù)合毒性效應(yīng)(P>0.05)；當(dāng)Cr(Ⅵ)達(dá)到20.0 mg/L時(shí)，共同暴露使得出水TP急劇上升，但單獨(dú)暴露20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時(shí)，在12 d后出水中TP含量才快速升高，這說明當(dāng)Cr(Ⅵ)達(dá)到20.0 mg/L時(shí)，納米銀的暴露加速了Cr(Ⅵ)對(duì)除磷的不利影響。文獻(xiàn)[7]和[19]研究均發(fā)現(xiàn)0.1 mg/L納米銀對(duì)污水生物除磷沒有影響，但是1.0 mg/L納米銀可以降低污水生物除磷的效率，與本研究略有不同。文獻(xiàn)[9]、[17]、[22]、[23]研究表明，污染物暴露對(duì)污水生物除磷的影響主要是通過抑制污泥中與磷代謝有關(guān)的聚磷菌活性，導(dǎo)致其厭氧釋磷和好氧吸磷的能力減弱來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 納米銀和Cr(Ⅵ)對(duì)TP去除的影響Fig.3 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of TP

2.4 對(duì)污泥粒徑的影響

從圖4可以看出，空白對(duì)照組污泥粒徑隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而逐漸增加，當(dāng)加入1.0～20.0 mg/L Cr(Ⅵ)后，污泥粒徑與未加入Cr(Ⅵ)的污泥粒徑相比，其變化趨勢沒有發(fā)生明顯改變，這說明≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)對(duì)污泥粒徑?jīng)]有顯著影響(P>0.05)。

圖4 納米銀和Cr(Ⅵ)對(duì)污泥粒徑的影響Fig.4 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the sludge particle size

≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和0.1 mg/L納米銀共同暴露未對(duì)污泥粒徑的變化趨勢產(chǎn)生顯著的復(fù)合影響(P>0.05)；≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和1.0 mg/L納米銀共同暴露時(shí)，污泥粒徑的變化趨勢在最初階段沒有明顯改變，但在暴露67 d后，污泥粒徑增加趨勢開始變緩，這說明1.0 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)短期共同暴露(>67 d)對(duì)污泥粒徑?jīng)]有影響，但是長期共同暴露(≥67 d)會(huì)降低污泥粒徑的增長速率，當(dāng)加入的Cr(Ⅵ)達(dá)到10.0 mg/L時(shí)，污泥粒徑增長受到抑制，其原因可能是Cr(Ⅵ)和納米銀進(jìn)入污水生物處理系統(tǒng)后，容易被污泥吸附，進(jìn)而累積到污泥中，隨著污泥富集的污染物增多，污泥受到的影響也越大，最終導(dǎo)致活性污泥胞外多聚物(EPS)減少，污泥絮體解體[7]89,[24]902,[25-26]。因此，Cr(Ⅵ)(≥10.0 mg/L)和納米銀(1.0 mg/L)可以對(duì)污泥粒徑產(chǎn)生復(fù)合影響。

2.5 納米銀和Cr(Ⅵ)經(jīng)過污水生物處理后的流向

圖5反映出經(jīng)過污水生物處理后，納米銀和Cr(Ⅵ)在出水和污泥混合液中的分布情況。從圖5(a)可以看出，在Cr(Ⅵ)為1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的4個(gè)階段內(nèi)，暴露0.1、1.0 mg/L納米銀的反應(yīng)器出水中總銀在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有出現(xiàn)趨勢性變化。同時(shí)，出水中溶解態(tài)銀都低于檢測限(3.0 μg/L)。因此，沒有出現(xiàn)納米銀被Cr(Ⅵ)氧化成銀離子的現(xiàn)象。從圖5(b)可以看出，當(dāng)納米銀為0.1 mg/L時(shí)，銀在污泥混合液中沒有出現(xiàn)累積，但是當(dāng)達(dá)到1.0 mg/L時(shí)，銀在污泥混合液中出現(xiàn)累積，這與文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)果一致。使用1.0 mg/L納米銀的反應(yīng)器中，當(dāng)暴露140 d時(shí)，污泥混合液中總銀達(dá)到16.3 mg/L，銀在污泥混合液中出現(xiàn)趨勢性累積。原因可能是納米銀受到水質(zhì)和污泥的影響，能夠快速團(tuán)聚并被污泥吸附，最終富集到污泥中[24]905。

從圖5(c)和圖5(d)可以看出，當(dāng)Cr(Ⅵ)≤10.0 mg/L時(shí)，出水中總鉻保持相對(duì)穩(wěn)定，但是當(dāng)Cr(Ⅵ)達(dá)到20.0 mg/L時(shí)，出水中總鉻急劇增加，并在20 d后達(dá)到14.6 mg/L；同時(shí)，污泥混合液中的總鉻在整個(gè)試驗(yàn)階段一直持續(xù)增加，這說明Cr(Ⅵ)主要富集到污泥中。文獻(xiàn)[25]研究發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅵ)的去除和污水中的糖類物質(zhì)密切相關(guān)，且SBR和砂濾池可以去除95%的總鉻。因此，當(dāng)污水中含有≤1.0 mg/L納米銀和≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)時(shí)，銀和鉻主要賦存在污泥中；當(dāng)污水中含有20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時(shí)，不僅會(huì)引起鉻在污泥中富集，而且會(huì)使出水中的總鉻增加；但是，20.0 mg/L Cr(Ⅵ)沒有引起出水中總銀的升高。

圖5 納米銀和Cr(Ⅵ)經(jīng)過污水生物處理后的流向Fig.5 Fate of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) after sewage biological treatment

2.6 納米銀和Cr(Ⅵ)形成復(fù)合效應(yīng)的原因

(1)

(2)

Ag++e-→Ag0,E0=0.80 V

(3)

(4)

圖3反映出當(dāng)Cr(Ⅵ)達(dá)到20.0 mg/L時(shí)，納米銀和Cr(Ⅵ)對(duì)污水生物除磷產(chǎn)生了一定的復(fù)合影響，結(jié)合此階段反應(yīng)器出水中總鉻升高以及污泥混合液中總銀和總鉻升高的現(xiàn)象，其產(chǎn)生復(fù)合作用的原因可能為暴露過多的Cr(Ⅵ)使污泥的吸附能力達(dá)到飽和，進(jìn)而影響到污泥吸附納米銀和促進(jìn)納米銀團(tuán)聚的能力，這會(huì)導(dǎo)致污泥混合液中存在更多分散狀態(tài)的納米銀；納米銀產(chǎn)生的納米效應(yīng)會(huì)影響到聚磷菌的活性，進(jìn)而降低污水生物除磷效率[7]86。隨著污泥混合液中總鉻進(jìn)一步升高，它對(duì)聚磷菌的活性也產(chǎn)生了抑制，進(jìn)而影響到除磷效率。因此，在污泥吸附飽和的情況下，納米銀和Cr(Ⅵ)的復(fù)合毒性對(duì)污水生物除磷有一定的影響。

2.7 對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的啟示

隨著納米銀使用量的增加，其釋放量也不可避免地逐漸增加。因此，納米銀進(jìn)入水體、土壤和人工設(shè)施(如污水處理廠、垃圾填埋場)等環(huán)境后的風(fēng)險(xiǎn)也引起了重視[2]235。文獻(xiàn)[13]、[14]、[15]研究表明納米銀不僅會(huì)直接危害環(huán)境安全，還可以和重金屬(如As(Ⅴ)、鎘、銅、鉛、鋅和汞等)產(chǎn)生復(fù)合作用，間接產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由于Cr(Ⅵ)在特定條件下具有強(qiáng)氧化性，它遇到納米銀后所造成的生態(tài)影響可能會(huì)與其單獨(dú)存在時(shí)有很大不同。從本研究結(jié)果來看，納米銀和Cr(Ⅵ)共同暴露于污水生物處理系統(tǒng)時(shí)，僅在暴露后期對(duì)除磷和污泥粒徑有復(fù)合影響，對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除沒有產(chǎn)生明顯的復(fù)合影響，這主要與該反應(yīng)器中污泥混合液的pH呈弱堿性有關(guān)，這種條件下Cr(Ⅵ)不具有強(qiáng)氧化性，無法對(duì)納米銀顆粒的化學(xué)轉(zhuǎn)化造成有效影響。但是，環(huán)境(如水體、底泥、土壤和污水處理廠等)中Cr(Ⅵ)的賦存條件和地球化學(xué)轉(zhuǎn)化特征都較為復(fù)雜，不僅存在著偏酸性的賦存環(huán)境，更是有Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的自然轉(zhuǎn)化[33-34]，這種情況下，納米銀和Cr(Ⅵ)的復(fù)合毒性將會(huì)更加復(fù)雜。綜合來看，當(dāng)前污水處理廠進(jìn)水中納米銀和Cr(Ⅵ)都較低(<1.0 mg/L)[35-36]，再結(jié)合其進(jìn)水pH大致為7～8的情況，可以看出二者目前對(duì)污水生物處理帶來的復(fù)合毒性效應(yīng)較小。

3 結(jié) 論

(1) ≤1.0 mg/L納米銀和20.0 mg/L Cr(Ⅵ)在試驗(yàn)條件下共同暴露沒有對(duì)污水生物去除有機(jī)物和氨氮產(chǎn)生復(fù)合毒性，但是對(duì)污水生物除磷產(chǎn)生了一定的復(fù)合影響，降低了污水除磷效率，而1.0 mg/L納米銀和20.0 mg/L Cr(Ⅵ)則對(duì)污泥粒徑產(chǎn)生了一定的復(fù)合影響并減緩了污泥粒徑增長速率，二者共同暴露所引起的復(fù)合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)忽視。

(2) 污水中含有≤1.0 mg/L納米銀和≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)時(shí)，銀和鉻主要賦存在污泥中；污水中含有20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時(shí)，鉻不僅會(huì)富集到污泥中，還會(huì)增加出水中總鉻的含量。