ZnO納米材料對污泥厭氧發酵產氫的影響及其機理研究*

程書波 張永美

(1.河南理工大學安全與應急管理研究中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學應急管理學院，河南 焦作 454000)

ZnO納米材料對污泥厭氧發酵產氫的影響及其機理研究*

程書波1，2張永美1，2

(1.河南理工大學安全與應急管理研究中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學應急管理學院，河南 焦作 454000)

在序批式反應器中探究了ZnO納米材料(ZnONP)對污泥厭氧發酵產氫的影響及其影響機理。結果表明：與空白組相比，5mg/LZnONP對污泥厭氧發酵產氫影響不明顯，而120mg/LZnONP能抑制污泥厭氧發酵產氫，并且氫氣產量是空白組的23.4%；高濃度ZnONP能抑制溶解性蛋白質和多糖的溶出，并能嚴重抑制蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和氫化酶活。

ZnO納米材料 厭氧發酵 產氫 剩余污泥

生物脫氮除磷技術由于能有效去除水體中的氮磷元素而遏制了水體富營養化，進而被廣泛應用于污水處理廠[1]。但該技術有一個缺點，即產生大量的剩余污泥[2]。剩余污泥中含有大量的重金屬、有機污染物及病原體等，若得不到有效地處理與處置會造成環境的二次污染。另一方面，隨著石油等能源物質的消耗會造成溫室效應，而氫氣燃燒產物只有水而被認定為理想的能源物質[3]。近年來，因為利用剩余污泥厭氧發酵產氫一方面可實現剩余污泥的處理與處置，另一方面能回收能源物質氫氣[4]，所以該技術逐步得到有關學者的關注。

隨著納米技術的不斷發展，納米材料也被應用在涂料、催化劑等工業產品中，ZnO納米材料(ZnO NP)由于其特有的屬性而被廣泛的重視[5]。含有ZnO NP的物質在使用過程會造成大量ZnO NP的釋放，最終隨水體進入污水處理廠，進而干擾生物脫氮除磷和污泥的厭氧處理[6]。MU等[7]報道，ZnO NP能降低產甲烷關鍵酶F420的酶活，進而導致甲烷產量下降。污泥厭氧發酵產氫與厭氧產甲烷是不同的生化反應，其參與的功能菌種也不同，然而ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響至今尚未報道。本研究重點探究了ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響，并進一步探究了ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響機理。

1 材料與方法

1.1 ZnO NP與污泥

ZnO NP購買于當地某生物制藥公司，其基本粒徑為120 nm。

剩余污泥取自當地污水處理廠的二沉池，取回后在實驗室經過1 mm×1 mm的濾篩后靜置24 h，去掉上清液備用。基本性質如下：pH 6.8，總懸浮固體(TSS)12 600 mg/L，揮發性懸浮固體(VSS)10 240 mg/L，溶解性COD(SCOD)120 mg/L，總COD 13 520 mg/L，總蛋白質(以COD量計)8 240 mg/L，總糖(以COD量計)1 350 mg/L。

1.2 ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響

本實驗在5個序批式反應器中進行，每個反應器中污泥量為800 mL。為探究ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響，反應器中的產甲烷菌活性應被抑制，因此通過嚴格控制pH=10.0來抑制產甲烷菌的活性。不同劑量的ZnO NP投加至反應器中使得ZnO NP質量濃度分別為0、5、30、60、120 mg/L。本實驗沒有額外接種物質的添加，因此剩余污泥既起到接種物的作用又起到發酵基質的作用。最后，向反應器中充入5 min高純氮氣排掉反應器中內部空氣，然后密封，放置在轉速為120 r/min的搖床上，搖床的溫度控制在35 ℃。

1.3 測定方法

pH采用PHS-3E雷磁pH計測定。COD根據《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定。總蛋白質采用凱氏定氮法[8]測定。溶解性蛋白質采用福林酚法[9]測定。總糖采用蒽酮比色法[10]測定。溶解性多糖采用苯酚-硫酸法[11]測定。VSS、TSS、SCOD根據文獻[12、13]測定。氫氣和揮發性脂肪酸(VFA，主要包含乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸)采用氣相色譜法[14]測定。氣相色譜配有熱檢測器、不銹鋼填充柱，進樣口、填充柱和檢測器的溫度分別控制在40、40、80 ℃，氮氣作為載氣，且流速為30 mL/min。

2 結果與討論

2.1 ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響

由圖1可知，空白組(0 mg/L)中氫氣產量呈現先上升后維持不變的趨勢，148 h時氫氣產量穩定為26.5 mL/g。這主要是強堿性環境能抑制產甲烷菌的活性，進而減少氫氣的消耗。當ZnO NP質量濃度為5 mg/L時，氫氣最大產量為25.8 mL/g，與空白組相差不明顯；當ZnO NP質量濃度為30 mg/L時，氫氣產量受到嚴重的抑制，最大產量為14.9 mL/g，是空白組的56.2%；進一步提高ZnO NP濃度，氫氣最大產量也進一步被抑制，當ZnO NP質量濃度為120 mg/L時，氫氣最大產量僅為6.2 mL/g，是空白組的23.4%。表明低濃度的ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫影響不明顯，而高濃度的ZnO NP卻能嚴重抑制污泥厭氧發酵產氫。

注：氫氣產量以單位VSS量計。圖1 ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響Fig.1 Effect of ZnO NP on the production of hydrogen from anaerobic fermentation of sludge

2.2 ZnO NP抑制污泥厭氧發酵產氫的機理

在機理研究中，本研究重點研究了0、5、120 mg/L的ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響。由圖2可知， 5mg/L ZnO NP作用下污泥外觀與空白組相差不明顯，然而當ZnO NP質量濃度提高到120 mg/L時，污泥表面被嚴重破壞。

圖2 不同ZnO NP質量濃度下污泥的電子掃描圖Fig.2 Scanning electron micrographs imaging of sludge exposed to different mass concentrations of ZnO NP

污泥厭氧發酵產氫是生物作用，厭氧微生物要想利用污泥內的有機質首先要實現胞內物質的釋放[15]。由圖3可見，溶解性蛋白質和多糖均隨著時間而呈現上升的趨勢。與空白組相比，5 mg/L ZnO NP作用下溶解性蛋白質和多糖相差均不明顯；當ZnO NP質量濃度為120 mg/L時，溶解性蛋白質和多糖嚴重被抑制，24 h時分別為89、26 mg/L，分別是空白組的53%和50%。溶解性物質的釋放是后續產氫的發酵基質，高濃度ZnO NP能嚴重抑制溶解性物質的釋放，這也是導致高濃度ZnO NP抑制污泥厭氧發酵產氫的原因之一。

圖3 ZnO NP對溶解性蛋白質和多糖的影響Fig.3 Effect of ZnO NP on soluble protein and carbohydrate

生物產氫主要發生在酸化階段，酸化類型也會影響氫氣產量。由圖4可見，乙酸和丙酸濃度最大，隨后是異丁酸。在之前報道中，乙酸和丁酸含量較大有助于氫氣產生，而丙酸的生成不易于氫氣的生成[16-17]。空白組中丙酸占21%，而120 mg/L ZnO NP作用下則升高到28%，丙酸含量的提高能抑制產氫微生物的活性。

注：VFA各組分質量濃度以單位VSS量產生的COD量計。圖4 ZnO NP對VFA各組分質量濃度的影響(氫氣最大產量時)Fig.4 Effect of ZnO NP on individual VFA mass concentrations (maximum hydrogen yield)

污泥厭氧發酵產氫是一種生化反應，這其中有關鍵酶的調控。本研究中pH控制在10.0，產甲烷菌活性被嚴重抑制，因此重點測試了水解和產氫酶活。蛋白酶和α-葡萄糖苷酶分別對蛋白質和多糖的分解起主要作用[18-19]。氫化酶是生物產氫過程中的關鍵酶。由圖5可見，5 mg/L ZnO NP作用下蛋白質、α-葡萄糖苷酶及氫化酶的相對酶活與空白組相差均不明顯；當ZnO NP質量濃度升高到120 mg/L時，蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和氫化酶的相對酶活分別是空白組的56%、48%、49%，說明高濃度ZnO NP嚴重抑制了水解和產氫關鍵酶活。這也與高濃度ZnO NP作用下溶解性蛋白質及多糖含量顯著小于空白組相對應。

圖5 ZnO NP對關鍵酶活的影響(氫氣最大產量時)Fig.5 Effect of ZnO NP on the activities of key enzymes responsible (maximum hydrogen yield)

此外，同樣探究了ZnO NP對產酸關鍵酶的影響，乙酸激酶與乙酸的形成有密切關系，而草酰乙酸轉羧化酶與丙酸的形成有密切關系。由圖5可知，5 mg/L ZnO NP對乙酸激酶和草酰乙酸轉羧化酶的影響不大，而120 mg/L ZnO NP則具有嚴重的抑制作用，也與圖4結果一致。

3 結 論

氫氣產量與ZnO NP濃度相關，即低濃度ZnO NP對污泥厭氧發酵產氫的影響不明顯，而120 mg/L ZnO NP作用下污泥的氫氣產量僅為空白組的23.4%。低濃度ZnO NP對污泥的水解、產酸和產氫關鍵酶活影響不明顯，而高濃度ZnO NP卻能抑制污泥中溶解性蛋白質和多糖的溶出，并嚴重抑制了污泥厭氧發酵產氫。

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ResearchontheeffectandmechanismofnewpollutantZnOnanophaseonhydrogenproductionfromanaerobicfermentationofsludge

CHENGShubo1，2，ZHANGYongmei1，2.

(1.SafetyandEmergencyResearchCenter，HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454000；2.EmergencyManagementSchool，HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454000)

The impact of ZnO nanophase (ZnO NP) on hydrogen production from anaerobic fermentation of waste activated sludge in sequencing batch reactor was explored. Experimental results showed 5 mg/L ZnO NP caused insignificant influence on hydrogen production as compared with that in blank，however，120 mg/L ZnO NP seriously inhibited hydrogen production from sludge fermentation，and the hydrogen production was 23.4% of that in blank. High levels of ZnO NP inhibited the release of soluble protein and carbohydrate and seriously inhibited the activities of protease，α-glucosidase and hydrogenase.

ZnO nanophase； anaerobic fermentation; hydrogen production; waste activated sludge

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.002

程書波，男，1979年生，博士，副教授，研究方向為固廢資源化處理、水污染控制工程。

*國家自然科學基金資助項目(No.41101460)。

2016-07-13)