ZnO納米顆粒對SBR活性污泥活性的影響

王樹濤,李素萍,王未青,王志申,尤 宏 (哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

納米顆粒(NPs)是指至少在一個維度上的尺寸小于100nm的顆粒.由于NPs尺寸微小?比表面積巨大?與常規尺寸材料相比,具有更大的反應活性,目前NPs的環境行為及其毒性效應備受關注[1].污水處理廠是 NPs進入自然水環境的重要途徑[1-3].2009年USEPA報告,84所污水處理廠污泥中納米氧化物的含量達到 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,最大達到9.14g/kg SS[5-6].

進入污水處理廠以后,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可能對活性污泥微生物的活性具有抑制作用[8-9],尤其引起關注的是對活性污泥中功能微生物種群的影響[10].不同NPs對不同種微生物的影響不同,如 Adams 等[11]發現 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,作為儲備液,使用前超聲(250W,40Hz)分散,防止其團聚.將 ZnO-NPs懸濁液滴在銅片上,晾干后,用透射電鏡(TEM)觀察其形態的團聚性;將 ZnO-NPs懸濁液震蕩后,用動態光散射(DLS)分析其粒徑分布.由圖1可以看出,ZnO-NPs為球狀,且符合實驗粒徑要求(1～100nm).ZnO-NPs能顯著抑制某些細菌的增長,其中以ZnO-NPs的抑制作用最明顯,500mg/L ZnO-NPs對枯草芽孢桿菌的生長抑制率達 90%,而對大腸桿菌的生長抑制率僅為 38%.Zheng等[12]研究發現 50mg/L ZnO-NPs在長期暴露(70d)時對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]研究發現盡管Ag-NPs與ZnO-NPs對COD和的去除率影響不大(<5mg/L),但其對微生物群落影響十分顯著,使與底物降解相關的菌群減少,而使和生物吸附﹑生物膨脹等相關的菌群增加.

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,不同暴露時間對污泥性狀影響不同.Li等[14]研究發現,短期暴露時,TiO2-NPs對活性污泥去除N﹑P的能力未產生明顯影響,當暴露時間延長到70d時,活性污泥去除TN的能力受到明顯抑制.Zheng等[15]發現,1mg/L SiO2-NPs在短期及長期暴露下對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,TN去除率從 79.6%降到 51.6%.Chen等[16]研究發現1,50mg/L Al2O3-NPs短期暴露對活性污泥去除N﹑P的能力無明顯抑制作用,但隨暴露時間延長,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N、P等的去除外,對厭氧消化過程也存在一定抑制作用.Mu等[17]發現,Al2O3-NPs﹑TiO2-NPs﹑SiO2-NPs對污泥的厭氧消化存在抑制作用,其中ZnO-NPs對產甲烷量的抑制率可達到75.1%.此外,ZnO-NPs對厭氧顆粒污泥的EPS也會產生影響.

目前,從ZnO-NPs對活性污泥有機物降解性能、沉降性能、呼吸速率、微生物產物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的影響規律等反應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 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,其他營養元素濃度為: KH2PO430mg/L,CaCl210mg/L,MgSO450mg/L,進水 pH 值保持在7.5～8.5,由 NaHCO3調節.

1.1.3 SBR實驗裝置 SBR反應器有效反應容積為 4.0L.單個運行周期為 8h,各運行階段時間為:進水0.15h,攪拌曝氣5.6h,沉淀1.1h,排水0.15h,靜置 1h(由時間定時器控制).操作參數為: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.反應器正常運行時,出水各項指標達到國家一級B標準.

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物(SMP).然后將離心管底部污泥用蒸餾水補充到 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的產量以COD值來表示[18].多糖、蛋白質、腐殖質分別采用苯酚-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定 采用溶解氧儀(HACH 2400)測定.測定步驟為:自反應器中取出1.5mL污泥稀釋到150mL并轉移至250mL錐形瓶內,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DO值.以DO值對時間作圖,所得直線斜率即為呼吸速率[19].

1.2.3 其他常規指標分析方法 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毒性接觸實驗方法

啟動反應器并使其穩定運行.在加入 ZnONPs之前,分別測定SBR的COD去除率、SV、MLSS和MLVSS,曝氣階段的EPS、SMP產量及其各組分(多糖﹑蛋白質﹑腐殖質)濃度,污泥的呼吸速率,作為對照.然后向上述模擬污水中加入ZnONPs作為SBR反應器的進水.ZnO-NPs濃度分別為10,20,50,100mg/L.每個指標做3個平行.

2 結果與討論

2.1 ZnO-NPs對活性污泥沉降性及生物量的影響

由表1可知,ZnO-NPs會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偏離正常值(20%～30%),同時伴有活性污泥膨脹發生.出現這種情況的原因可能是絲狀菌膨脹,此時污泥量減少,細菌吸附的大量有機物來不及代謝,在胞外積貯了大量高黏性物質,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]發現,磁性NPs會使污泥的SVI值減小.出現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,導致污泥易于結成較大絮體,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(10mg/L) ZnO-NPs沒有使MLVSS/MLSS發生明顯變化.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產量下降是一致的(圖2和表3).

表1 ZnO-NPs對污泥沉降性的影響Table 1 Impact of ZnO-NPs on SV of activated sludge

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

2.2 ZnO-NPs對EPS及SMP的影響

EPS是活性污泥的重要組成部分,在微生物抵抗環境壓力等方面起到重要作用[20],因此考察了ZnO-NPs對EPS的影響,由表3可知,ZnO-NPs濃度為10,20,50,100mg/L時,EPS的產量分別降低了20.3%, 29.0%, 49.9%, 65.4%,可見,ZnO-NPs能夠明顯抑制活性污泥EPS的產生.EPS主要來源于污泥代謝環境基質和細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境基質的能力,且濃度越高,抑制越強.

表3 EPS產量及各組分含量Table 3 Yield and components of EPS

進一步分析表明,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS中糖、蛋白質、腐殖質含量降低,而 10,20mg/L則使各組分含量升高.Ni[20]等研究ZnO-NPs對厭氧顆粒污泥(AGS)的影響時發現,100, 200mg/g-TSS會使EPS中蛋白質、脂肪、腐殖質含量減少,而對多糖含量影響不大.這可能是由于 EPS中酰氨基、羥基等官能團發生較大變化,并導致EPS中蛋白質、脂肪及腐殖質的含量變化[17].

表4 SMP產量及各組分含量Table 4 Yield and components of SMP

從表 4可看出,10,20,50,100mg/L ZnO-NPs使 SMP產量分別升高了 23.6%,48.9%,102.6%,203.0%, Mei等[21]在研究ZnO-NPs對MBR的影響時也發現,SMP產量隨 ZnO-NPs的濃度與暴露時間的增加而增加.由Laspidou等[22]提出的統一理論假設可知,SMP按其產生途徑可分為與基質降解相關聯的微生物產物(UAP)和與微生物內源呼吸相關聯的微生物產物(BAP).UAP與基質降解﹑微生物代謝和細胞生長相關,BAP與細胞內源呼吸如細胞裂解、細胞凋亡有關[18].從EPS產量增加與表5中呼吸速率的下降可看出,微生物新陳代謝與基質降解能力受到抑制,則UAP產量會降低.EPS可以水解產生 BAP[22],因此 SMP產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影響SMP的生物降解,這可能是SMP產量增加的另一原因.

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

2.3 ZnO-NPs對活性污泥呼吸速率的影響

如表5所示,ZnO-NPs對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,呼吸抑制率為22.4%,當濃度增加到 100mg/L時,呼吸抑制率達到80.3%,但抑制作用不隨著ZnO-NPs濃度的增加而等比例增加.呼吸速率是評價污泥代謝活性的重要指標,在污泥體系受到毒物沖擊時呼吸速率會有所下降.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產量下降﹑SMP產量升高等是一致的.類似地,Liu等[23]研究發現,較高濃度的ZnO-NPs會對污泥的耗氧速率(OUR)有較大影響,800mg/L ZnO-NPs對活性污泥 OUR的抑制率達 80%.而本研究中100mg/LZnO-NPs對活性污泥呼吸速率的抑制率最高可達80%.

表5 ZnO-NPs對呼吸速率的影響Table 5 Impact of ZnO-NPs on respiratory rate

2.4 ZnO-NPs對有機物降解的影響

圖2 ZnO -NPs對有機物降解的影響Fig.2 Impact of ZnO-NPs on organic matter degradation

由圖 2可以看出,隨著接觸時間的延長,ZnO-NPs對有機物去除效率的影響逐漸增強.但ZnO-NPs濃度較低時(10mg/L),延長接觸時間,ZnO-NPs 對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,可認為10mg/L ZnO-NPs對SBR去除有機物無明顯影響.這可能由于活性污泥中微生物在少量的毒性物質刺激下會產生抗性,甚至會使生物量略有增加,從而使污泥活性沒有發生明顯變化,表1中MLVSS/MLSS值從0.74增加到 0.76也可說明這一點.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濃度會增強其對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.這可能由于ZnO-NPs濃度過高導致微生物細胞死亡,菌膠團破壞,進而影響活性污泥的正常功能.類似地,Mei等[21]研究發現ZnO-NPs會抑制MBR對NaAc的降解,濃度越大,抑制作用越強,加NPs之前基質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對有機物降解效率、EPS、SMP的影響規律是一致的.濃度高時,不僅生物代謝受到抑制,且生物量減少,導致 COD 去除率明顯下降;而濃度低(10mg/L)時,雖然微生物新陳代謝受到一定抑制,但此時生物量可能略有增加(表1),使污泥活性總體降解效能未發生明顯變化,即 COD去除率未受到較明顯影響.

3 結論

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EPS和SMP的產量及組成具有一定影響.10mg/L ZnO-NPs使污泥EPS產量降低20.3%,SMP產量增加203.03%,呼吸速率抑制22.4%.

3.3 較高濃度的 ZnO-NPs對活性污泥活性具有明顯影響.20,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS產量分別降低 29.0%,50.0%,65.4%,使 SMP產量分別升高 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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