氧化鋅納米顆粒對污泥厭氧消化過程的影響研究

王樹濤,陳玲波,張真瑞,巫 川,姜 瑞,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 50090；.黑龍江省環境保護科學研究院,黑龍江 哈爾濱 50056)

氧化鋅納米顆粒對污泥厭氧消化過程的影響研究

王樹濤1*,陳玲波1,張真瑞1,巫 川1,姜 瑞2,尤 宏1(1.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；2.黑龍江省環境保護科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150056)

建立了污泥厭氧消化反應器,以氧化鋅納米顆粒(ZnO-NPs)為研究對象,研究了不同濃度ZnO-NPs(0,2,30,60,90,120,150mg/g-VSS)對污泥厭氧消化過程的影響,分析了可能存在的劑量-效應關系.低濃度(2mg/g-VSS)ZnO-NPs對污泥厭氧消化過程影響較小;較高濃度下,ZnO-NPs對污泥厭氧消化產氣效率、有機物降解效率和污泥減量效果等具有顯著影響,而對揮發酸產量及其組成無顯著影響.ZnO-NPs暴露濃度為30,60,90,120mg/g-VSS時,平均日產氣量直線下降,在120mg/g-VSS濃度后平均日產氣量為對照組的10%左右.ZnO-NPs對有機物降解效和污泥減量存在明顯抑制作用,且隨著ZnO-NPs濃度的升高,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值降低.ZnO-NPs濃度升高到120mg/g-VSS時,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值分別減少到對照組的3%、36.5%和74%.此外,當 ZnO-NPs暴露濃度從2mg/g-VSS升高到150mg/g-VSS 時,污泥減量率從23%左右下降至4.8%左右.

氧化鋅納米顆粒(ZnO-NPs)；生物毒性；污泥厭氧消化；污泥減量

隨著納米科技的發展,納米材料已廣泛應用于生活和工業多個領域[1],而這些含有納米材料的物質在使用和作為廢棄物處理時不可避免地會進入環境[2].由于納米顆粒(NPs)尺寸微小,比表面積巨大,具有更大的反應活性,其環境行為及其毒性效應備受關注[3].Brayner等[4]研究發現ZnO-NPs能誘導活性氧(ROS)的產生,而ROS的氧化作用可導致細菌細胞膜損壞和細胞質泄漏;Thill等[5]觀察到CeO2-NPs可在大腸桿菌表面吸附,認為CeO2-NPs能夠改變細胞膜的粘滯性,破壞特定離子泵,從而影響細胞與外界的物質交換,抑制細菌生長.

城市污水處理廠是環境中 NPs遷移的重要途徑.NPs進入污水生物處理系統后,很可能對各種微生物活性產生負面影響,進而影響污染物降解效率和生物系統穩定性.已有研究表明, 50mg/L Al2O3-NPs能明顯降低活性污泥中反硝化細菌的豐度[6],ZnO-NPs濃度達到20mg/L時,微生物脫氮作用受到嚴重抑制[7].Zheng等[8]研究發現ZnO-NPs釋放出的Zn2+能夠導致微生物體內ROS增加,Zn2+和ROS共同作用抑制了聚磷菌的活性,降低了聚磷酸鹽激酶及外切聚磷酸酶的數量,從而影響了系統的生物除磷效率.進入污水處理系統中的 NPs絕大多數最終將匯集到剩余污泥中[9].有調查顯示,ZnO-NPs、Ag-NPs和碳納米管(CNTs)在污泥中的濃度分別可以達到 57、5.86和0.147mg/kg[10-11].2011年(139所)與2009年(107所)中國的一些污水廠污泥中各種納米材料的總濃度為 1.03g/kg SS,最大達到 9.14g/kg

SS[12-13].

目前采用厭氧消化技術對剩余污泥進行處理是主要的手段.因此,研究剩余污泥中存在的NPs對污泥厭氧消化過程的影響對于保證污泥處理系統的穩定運行以及加強NPs污染物的排放控制具有重要意義.Mu等[14]研究發現在厭氧生物處理過程中 ZnO-NPs的濃度為 10和50mg/g-TSS時,對厭氧顆粒污泥的EPS和甲烷產量影響較小,但是當暴露濃度為大于 100mg/ g-TSS時,ZnO-NPs使EPS和甲烷產量減少,對甲烷化過程有嚴重的抑制作用.Jorge等[15]研究了幾種NPs對乙酸分解和產氫產甲烷過程的毒性效應,發現Cu0-NPs和ZnO-NPs對產甲烷過程有嚴重的抑制作用,主要是由于NPs侵蝕和解離釋放出來的有毒 Cu2+和 Zn2+.Yang等[16]發現,40mg/ LAg-NPs對甲烷產量無明顯影響,溶解氧是Ag- NPs氧化溶解的必要條件,厭氧條件下Ag-NPs不會釋放Ag+,因此不會抑制厭氧消化過程產甲烷菌活性,但Ag-NPs對微生物群落結構影響十分顯著,能夠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.

納米氧化鋅作為應用最廣泛的 3大納米材料(納米二氧化鈦、納米銀和納米氧化鋅)之一,具有良好的抗菌性,對多種微生物具有一定的毒性作用[17].雖然 ZnO-NPs對污泥厭氧消化的影響已有報道,但缺乏系統研究.本文選取 ZnONPs為納米材料的典型代表,建立污泥厭氧消化反應系統,研究了系統的產氣量、揮發酸、有機物降解效率、污泥減量效果等,以揭示ZnO-NPs對厭氧消化過程的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用污泥取自哈爾濱信義污水處理廠二沉池污泥.污泥在冰柜中維持 4℃條件保存,靜置沉淀 24h,將靜置的污泥上層清液吸出.吸出清液后的污泥使用40目的篩子對污泥進行過濾,除去污泥中粒徑較大的雜質用于后續實驗.在自行設計的有效容積為8L的厭氧消化反應器中培養和馴化厭氧消化污泥,培養條件為(55±0.5)℃,pH為7±0.5,避光培養.

1.2 儀器和試劑

儀器:掃描電子顯微鏡( SEM,Philips XL30, FEI Company),氣相色譜儀(安捷倫),COD消解儀,馬弗爐.

試劑:ZnO-NPs分散液(CAS no.: 1314-13-2,＜100nm,Sigma公司).其他試劑均為分析純.

1.3 實驗方法

1.3.1 NPs在污泥中的形貌分析 對污泥進行掃描電鏡分析以觀測污泥加入ZnO-NPs前后的形態變化,預處理方法為[18]:(1)取樣:取 50mL污泥混合液,在5000r/min離心3min,用pH為6.8的磷酸鹽緩沖液(PBS)對下部成分進行清洗;(2)固定:用 pH=6.8的 2.5%的戊二醛淹沒顆粒,于4℃條件下固定2h;(3)沖洗:用0.1mol/L的pH 6.8的磷酸鹽緩沖液沖洗 3次,每次 10min;(4)脫水:污泥樣品分別用30%、50%、70%、80%,90%的乙醇脫水,每次10min;然后用100%的乙醇脫水3次,每次 15min;(5)置換:先用乙醇:乙酸異戊酯=1:1的溶液置換 15min,再用乙酸異戊酯置換15min;(6)干燥:將處理后樣品置于低溫干燥機中烘干;(7)噴金:在樣品表面噴上一層 1500nm的金膜.(8)觀察:將噴金后的樣品置于SEM下進行觀察.由圖1可以看出大部分的ZnO-NPs吸附在污泥顆粒的表面.

圖1 投加120mg/g-VSS ZnO-NPs的掃描電鏡分析(SEM)圖(A)和能譜分析(EDS)圖(B)Fig.1 SEM image (A) and EDS analysis (B) of sludge in the reactors exposed to ZnO-NPs, The dosage of nanoparticles was 120mg/g-VSS

1.3.2 污泥厭氧消化毒性實驗 主要研究了不同濃度ZnO-NPs對厭氧消化過程包括水解、酸化、產甲烷的影響,厭氧發酵時間為期 20d.厭氧消化實驗在反應瓶中進行,每個反應瓶的體積為500mL,污泥體積為400mL.實驗開始前檢查裝置的密封性能,然后向反應瓶中充入氮氣 5min,以去除瓶中的氧氣,密封后放入55℃水浴鍋中進行厭氧消化反應.實驗裝置如圖2所示,厭氧消化瓶污泥每天早晚磁力攪拌各1次.啟動厭氧消化反應器并使其穩定運行.在加入 ZnO-NPs之前,分別測定反應器的有機物去除率、TSS和VSS作為對照.每個指標做3個平行.

圖2 厭氧消化反應實驗裝置Fig.2 Experimental setup and schematic of anaerobic digestion system

1.3.3 污泥指標的測定

表1 實驗污泥的各項指標

1.4 數據統計分析

實驗結果均以“平均值±標準誤差”即(mean±SD)表示.采用SPSS18.0軟件進行統計分析,多組間比較采用方差齊性檢驗和單因素方差分析.進一步進行組間兩兩比較時,采用 LSD檢驗,以P＜0.05表示差異顯著.

2 結果與討論

2.1 ZnO-NPs對污泥厭氧消化產氣量的影響

由圖 3(A)可知,ZnO-NPs暴露濃度為 2mg/ g-VSS時,對日產氣量變化影響較小,而后隨著ZnO-NPs暴露濃度的升高,厭氧消化系統的日產氣量逐漸減少.由圖3(B)可知,當ZnO-NPs暴露濃度為2mg/g-VSS時,總產氣量降低1.9%;而當ZnO-NPs暴露濃度從2mg/g-VSS升高到120mg/ g-VSS時,相對日產氣量直線下降至對照組的10%左右,而且可以看出在2～120mg/g-VSS濃度范圍內存在顯著的劑量-毒性正相關性.與對照相比,不同暴露濃度下厭氧消化系統的產氣量差異顯著(P＜0.05).

圖3 不同濃度ZnO-NPs對污泥厭氧消化日產氣量(A)、總產氣量的和相對產氣量(B)的影響Fig.3 Changes in daily biogas production ( A) ,Total biogas production and Relative biogas production ( B) of sludge anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

分析可知,隨著 ZnO-NPs暴露濃度的升高, ZnO-NPs對產氣量具有明顯影響.ZnO-NPs能夠溶于水,并釋放出游離的 Zn2+和生成鋅的氫氧化物.溶出 Zn2+會對一些污水的生物處理過程產生影響,并對細胞的生長產生毒性作用;鋅的氫氧化物是中性和堿性條件下鋅的主要存在形態,其對水生生物有高毒性[19].Mu等[20]研究發現,1mg/g-TSS ZnO-NPs不會對產甲烷過程產生影響,而30和150mg/g-TSS下表現出抑制作用,且毒性隨濃度的增大而加,且ZnO-NPs對產氣量的影響主要是來自于溶出Zn2+的釋放.

2.2 ZnO-NPs對揮發酸生成的影響

揮發酸主要指乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸,是厭氧消化過程的重要中間產物,檢測揮發酸的產量可以更好的了解有機質的降解進程[21].不同濃度的ZnO-NPs暴露3d后,分別測定不同種類揮發酸的濃度,結果如圖 3所示.由圖 3可知,不同濃度 ZnO-NPs暴露下,總揮發酸的濃度在1860～1990mg-COD/L之間.不同種類揮發酸在不同濃度 ZnO-NPs暴露下濃度無顯著差異(P＞0.05),由此可知,ZnO-NPs對污泥消化過程中水解酸化階段的影響較小,這與Mu等[20]的研究結果一致.同時,有關研究表明,產酸菌對金屬毒性的敏感程度低于產甲烷菌.因此,較高濃度(＞2mg/g-VSS)暴露情況下,ZnO-NPs可能主要影響了乙酸到甲烷的生物轉化過程.

圖4 不同濃度ZnO-NPs對污泥厭氧消化揮發酸產生量的影響Fig.4 the concentrations of volatile fatty acids(VFAs) products with time of 3d under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

2.3 ZnO-NPs對厭氧消化過程中有機物降解的影響

VSS/TSS值反映了污泥中揮發性有機物所占的比例,而有機物的多少直接關系到消化反應的進行,有機物多表示該樣品的可生化性強. R(VSS/TSS)表示是 VSS/TSS值的減少量,即消化反應中有機物的減少量,反映了有機物的去除效果.因此以 R(VSS/TSS)作為評價指標來判斷厭氧消化反應的程度,R(VSS/TSS)值越大說明有機物被降解的越多,厭氧消化反應進行的越完全.

R(VSS/TSS)的定義為:

式中:(VSS/TSS)0表示未經處理的原污泥樣品的VSS/TSS值.

圖5 ZnO-NPs對污泥厭氧消化過程中有機物降解效率(A)和有機物減少量(B)的影響Fig.5 Organic matter degradation efficiency(A), R(VSS/TSS)( B) of sludge in anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

由圖5(A)可以看出,隨著ZnO-NPs濃度的升高,有機物降解效率逐漸減少.當 ZnO-NPs濃度較低(2mg/g-VSS)時,對 COD去除率影響較小,SCOD去除率和TCOD去除率均為對照組的95%左右;而后隨著ZnO-NPs濃度的升高,SCOD去除率和TCOD去除率減小,在ZnO-NPs濃度達到 120mg/g-VSS后達到穩定,SCOD去除率和TCOD去除率分別減少到對照組的3%和36.5%.從整體來看,對照組與所有 ZnO-NPs 暴露組有顯著差異(P＜0.05).由圖 5(B)可知,對照組R(VSS/TSS)值最高,達到23.01%,而后隨著ZnO-NPs暴露濃度的升高,R(VSS/TSS)值減小,在 ZnO-NPs濃度為120mg/g-VSS后,達到穩定,約為17%.對照組與所有 ZnO-NPs暴露組均有顯著差異(P＜0.05).

由以上結果推測高濃度的ZnO-NPs可能導致部分微生物死亡,進而影響厭氧消化的效率.類似地,Mei 等[22]研究發現ZnO-NPs會抑制MBR對NaAc的降解,暴露濃度越大抑制作用越強,加ZnO-NPs之前基質 4h可完全降解,而加入13.6mg/L ZnO-NPs后則需6h.

2.4 ZnO-NPs對污泥減量效果的影響

圖6 ZnO-NPs對污泥厭氧消化系統污泥減量率的影響Fig.6 Reduction of sludge during sludge anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

由于發酵時間的限制,厭氧消化過程只能分解部分有機組分.有機物的降解效率和 VSS的減少量通常作為一個重要參數來評價污泥厭氧消化的效果[23].從圖 6可以看出,厭氧消化反應前VSS的含量為11.52g/L,發酵20d結束后,對于ZnO-NPs投加量為0、2、30、60、90、120和150mg/g-VSS濃度的暴露組VSS含量分別降低到 8.45、8.78、8.77、8.95、9.28、9.95和10.95g/L .隨著ZnO-NPs濃度的升高,污泥減量率逐級減小,2和30mg/g-VSS的ZnO-NPs濃度污泥減量率在在23%左右,當ZnO-NPs濃度在 30～ 150mg/g-VSS時,污泥減量率隨濃度下降較快,而當ZnO-NPs的濃度為150mg/g-VSS時,污泥減量下降至 4.8%左右,污泥減量效果下降.對照組與所有 ZnO-NPs暴露組有顯著差異(P＜0.05).

3 結論

3.1 ZnO-NPs能使污泥厭氧消化過程的產氣量減少并且暴露濃度與產氣量變化呈一定的量劑-抑制效應關系;

3.2 不同濃度 ZnO-NPs暴露下,總揮發酸的濃度在1860～1990mg-COD/L之間,且ZnO-NPs在不同暴露濃度下,不同種類揮發酸濃度無顯著差異(P＞0.05);較高暴露濃度情況下,ZnO-NPs可能主要影響乙酸到甲烷的生物轉化過程;

3.3 ZnO-NPs對有機物降解效率和污泥減量率存在明顯抑制作用,且隨著 ZnO-NPs濃度的升高,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值降低,在ZnO-NPs濃度升高到120mg/g-VSS時達到最大,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值分別減少到對照組的3%、36.5%和74%.污泥減量率隨著 ZnO-NPs濃度的升高逐級減小,2, 30mg/g-VSS的 ZnO-NPs濃度污泥減量率在23%左右,當ZnO-NPs 濃度在30～150mg/g-VSS時,污泥減量率隨濃度下降較快,而當 ZnO-NPs濃度為 150mg/g-VSS時,污泥減量率下降至4.8%左右.

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Effect of Zinc oxide nanoparticles on anaerobic digestion of excess activated sludge.

WANG Shu-tao1*, CHEN Ling-bo1, ZHANG Zhen-rui1, WU Chuan1, JIANG Rui2, YOU Hong1
(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.Heilongjiang Research Academy of Environmental Sciences, Harbin 150056, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：174～180

The impact of Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) (0, 2, 30, 60, 90, 120 and 150mg/g-VSS) on the anaerobic digestion of excess activated sludge was investigated and the possible dose-effect relationship was achieved. Results indicated that less adverse effects of ZnO-NPs were found on anaerobic digestion of excess activated sludge at the low exposure concentration (2mg/g-VSS). However, significant effects were observed on the anaerobic digestion including biogas production, degradation efficiency of organics as well as reduction rate of sludge, but no significant effects was found on the volatile fatty acids (VFAs). The average daily gas production plummeted when the exposure concentration of ZnO-NPs was increased from 30mg/g-VSS to 120mg/g-VSS, but no obvious decrease of daily gas production was observed as the concentration was increased from 120mg/g-VSS to 150mg/g-VSS. In additon, ZnO-NPs could significantly inhibit the degradation efficiency of organic matter and the sludge reduction rate, and with the increasing of ZnO-NPs concentration from 30mg/g-VSS to 120mg/g-VSS, soluble chemical oxygen demand (SCOD) removal rate, total chemical oxygen demand (TCOD) removal rate and R(VSS/TSS)value was decreased to 3%, 36.5% and 74% of the control. Sludge reduction rate was reduced from 23% to 4.8% of the control when the ZnO-NPs concentration increased from 2mg/g-VSS to 150mg/g-VSS. The results help evaluating the inhibitory effects of nanoparticles on anaerobic digestion process.

Zinc oxide nanoparticles；biological toxicity；nludge anaerobic digestion；sludge reduction

X703

A

1000-6923(2017)01-0174-07

王樹濤(1975-),男,黑龍江哈爾濱人,博士,講師,主要研究方向為環境毒理學和催化氧化法污水深度處理理論與技術.

2016-05-14

教育部留學回國科研啟動基金;哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室開放基金(QA201608)

* 責任作者, 講師, wshutao@hit.edu.cn