ZnO NPs對EBPR系統影響的研究進展

張孝寧，施延君，李 琦，唐 芳，胡亞琴，黃曉宇

(1.浙江省工業環保設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.杭州余杭經濟技術開發區產業服務中心，浙江 杭州 311199；3.浙江裕騰百諾環保科技股份有限公司，浙江 杭州 311199)

0 引言

納米材料在工業生產和日常生活用品(如半導體和化妝品)中的廣泛應用，使其無可避免地進入到了市政污水中，進而進入污水處理廠。很多納米顆粒具有抗菌性(比如ZnO NPs、Ag NPs、TiO2NPs)，因此納米顆粒可能會給污水處理廠的正常運行造成沖擊。ZnO NPs是應用最廣泛的納米材料之一，其大規模的使用也增加了其進入生態環境的可能性。隨著納米毒理學的開展，其生物毒性受到人們的廣泛關注。

隨著工農業發展和人民生活水平的提高，我國磷污染物的排放量急劇增加。由于磷的過量排放而引起的水體富營養化對農業、漁業、旅游業等諸多行業已產生嚴重危害，也對飲水衛生和食品安全構成了巨大的威脅。據2018年《中國生態環境狀況公報》所述，湖泊(水庫)富營養化的問題仍然突出，開展營養狀態監測的107個湖泊(水庫)中，貧營養的占10個，中營養的占66個，輕度富營養的占25個，中度富營養的占6個。如何快速有效地提高污水處理廠的除磷效率已成為目前水處理領域亟待解決的問題。

目前，對于污水中磷元素的去除主要有物理法、化學法以及生物法三大類。其中物理法由于其技術復雜性、高成本而較少使用；化學法處理效果穩定、除磷效率高且不宜造成二次污染，但其污泥產量較大；生物法作為最經濟有效和環境友好的除磷方法，已被廣泛應用。生物法對污水中磷元素的去除主要有兩種途徑：一部分是微生物同化作用除磷，即微生物吸收水體中磷元素來滿足自身生長所需；另一部分則是利用活性污泥中的特定微生物-聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)過量吸磷的能力來去除污水中的磷元素。這種通過PAOs來除磷的工藝通常稱為強化生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR)工藝。EBPR系統能夠在厭氧階段釋磷，隨后在好氧階段過量吸磷，最后在好氧階段末通過污泥排放達到除磷的目的。相較于其它除磷工藝，EBPR技術因具有運行費用低、二次污染少、除磷效果好等特點，受到了國內外學者的廣泛關注。

1 納米氧化鋅(ZnO NPs)介紹

ZnO NPs是一種多功能性的新型無機材料，它是一種半導體催化劑的電子結構，其顆粒大小約在1～100 nm。由于晶粒的細微化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了宏觀物體所不具有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀隧道效應以及高透明度、高分散性等特點。近年來發現它在催化、光學、磁學、力學等方面展現出許多特殊功能，使其在陶瓷、化工、電子、光學、生物、醫藥等許多領域有重要的應用價值，具有普通ZnO所無法比較的特殊性和用途。ZnO NPs在紡織、涂料等領域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌劑、熒光材料、光催化材料等。由于ZnO NPs一系列的優異性和十分誘人的應用前景，因此研發ZnO NPs已成為許多科技人員關注的焦點。

隨著科學進步，ZnO NPs已經在許多商業領域廣泛應用，如半導體、化妝品、紡織品和顏料等工業和消耗類產品。然而，研究人員發現納米材料一旦釋放到環境中，將會對人類健康和環境微生物產生潛在的危害。因此，國內外開始大量研究納米材料在環境中的濃度變化及其行為。研究發現，廣泛使用含有納米材料的產品導致城鎮污水處理廠中廢水水體中納米材料的濃度也逐漸升高。2009年美國環保局報告稱，美國范圍內已有84所市政污水廠污泥中檢測到的納米Zn的含量達到8.55 g/(kg SS)[1]。選取107所(2009年)和139所(2011年)中國的城市污水處理廠中的污泥樣本，結果顯示污水廠活性污泥中納米ZnO的含量高達9.14 g/(kg SS)[2-3]。因為ZnO NPs可以溶解在水中，并且可釋放出金屬Zn2+，因此對于活性污泥中的微生物具有更強的毒性，這個結論已經得到很多研究成果的證實。

2 EBPR機理

磷是引起水體富營養化最主要的營養元素，它能刺激一些藻類和其他光合微生物的生長，因而污水除磷對控制水體富營養化至關重要。在常規好氧活性污泥系統中，污泥含磷量約為0.02 mgP/mgVSS(0.015 mgP/mgTSS)。通過排除剩余污泥即可達到有效除磷的目的。這種方法對多數城市污水中磷的去除率可達15%～25%。在強化生物除磷工藝系統中，可以將污泥含磷量從0.02 mgP/mgVSS上升至0.06～0.15 mgP/mgVSS(0.05～0.10 mgP/mgTSS)。EBPR是目前采用最廣泛的污水除磷工藝[4-8]，不需要通過外加化學試劑形成磷沉淀就能提高污水磷處理效率。它的原理是利用聚磷微生物的厭氧釋磷及好氧(或缺氧)超量吸磷特性，在交替厭氧/好氧(缺氧)運行環境下實現水體中磷的去除。在EBPR的厭氧階段，揮發性脂肪酸(VFAs)被消耗并以聚羥基烷酸(PHAs)形式儲存，PHAs合成所需要能量及還原物質通常由胞內聚磷和糖原降解提供，體系中磷的濃度因此會上升；好氧階段，聚磷菌依靠氧化胞內PHAs為微生物生長、磷吸收和糖原合成提供碳源和能源。由于好氧磷吸收超過厭氧磷釋放，通過排泥達到磷去除。VFAs作為PHAs生物合成的底物，在EBPR中起著關鍵作用。在厭氧/好氧順序的反應器系統中VFAs隨進水進入到厭氧反應器或者在厭氧反應器中通過發酵菌產生。從VFAs到PHAs的生成過程中，有三個過程需要能量：VFAs通過細胞膜的轉運過程、VFAs與輔酶A的結合過程以及PHA生成過程中的還原能量。聚合磷分解過程中，伴隨著AMP向ADP的轉化，在磷酸激酶作用下2 molADP轉化為ATP和AMP。細胞利用ATP將聚磷以正磷酸鹽的形式釋放到細胞外，聚磷酸鹽的反離子(鉀、鎂)在胞內聚集。

3 納米氧化鋅對強化生物除磷系統的影響

3.1 ZnO NPs對EBPR系統污泥特性及除磷效率的影響

已有的研究成果發現ZnO NPs對活性污泥系統生物除磷作用能產生明顯的消極影響。ZnO NPs使PAOs厭氧釋磷量降低，而好氧吸磷過程速率減慢。ZnO NPs還會阻礙能源物質PHAs的合成與消耗，使其無法正常供應聚磷菌常規能量的攝取，抑制其正常代謝活動；同時ZnO NPs的存在還會使EPS中的蛋白質與多糖含量降低，使污泥出現顆粒解體現象[9]。ZnO NPs也使PHA在微生物中的含量增多，促進了糖原的分解和合成，而PHA增加是由于聚糖菌分解糖原產生的PHV增加，因此加入較高濃度ZnO NPs促進了聚糖菌的活動進而抑制了聚磷菌的活動。

Zheng等[10]研究了ZnO NPs對于活性污泥系統生物除磷的影響。研究表明10 mg/L和50 mg/L的ZnO NPs使系統除磷失效，出水中的磷濃度分別為10.3和16.5 mg/L(進水磷濃度為9.8 mg/L)。進一步的研究表明，ZnO NPs溶解在水中釋放出Zn2+并且導致活性氧產量增加，Zn2+和活性氧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。Hu等進行ZnO NPs對EBPR長期影響的實驗，發現隨著的進行，即使在低濃度(2 mg/L)的情況下，ZnO NPs也會明顯抑制釋磷和吸磷的過程[11]。在一項研究中發現除磷系統對ZnO NPs的耐受能力較脫氮系統更弱[12]。ZnO NPs產生的氧化應激性也被報道會引起細胞膜損傷、胞液滲漏以及脂質過氧化[13]。研究發現水體中的ZnO NPs能夠促使微生物產生大量胞內氧自由基，而其對細胞質脂質、蛋白質以及細胞中其他中間體有明顯抑制作用。眾所周知，生物除磷過程包含了一系列的生化過程，例如厭氧釋磷作用與好氧或缺氧吸磷作用[14-15]。故ZnO NPs能促使水體微生物產生大量ROS(抑制劑)對除磷過程中的生化作用產生一定抑制效果。

3.2 ZnO NPs對EBPR的生物毒性

隨著納米毒理學的開展，ZnO NPs的生物毒性受到人們的廣泛關注。已有研究證明金屬氧化物納米顆粒對微生物有較大的毒性[9]。毒理學研究表明，ZnO NPs對微生物具有較強的毒性，而且具有一定的菌種選擇性[16-17]。10 mg/L的ZnO NPs會顯著減少Bacillus subtilis的生長活性(最高90%)，但對于Escherichia col只能減少22%的生長活性[18]。相比其它納米顆粒，ZnO NPs對活性污泥中引起污泥膨脹的菌群、產酸產甲烷菌等表現出更強的毒性[15-16]。ZnO NPs毒性具有一定的菌種選擇性。加入納米顆粒后群落優勢菌群蛋白質細菌(Proteobacteria)，類桿菌(Bacteroidetes)，放線菌門(Actinobacteria)在群落中的占比都產生了變化，聚磷菌(Rhodocyclales)豐度減少，聚糖菌從屬細菌(Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria)的豐度增加。此外加入ZnO NPs增加了對重金屬具有抗性的細菌Zoogloea的豐度，降低了與活性污泥膨脹有關的細菌嗜鹽桿菌(Haliscomenobacter)的豐度使活性污泥沉降性能降低。一項研究表明，當SBR穩定運行55 d后，向系統中加入與環境濃度相近(1 mg/L)的ZnO NPs，此后SBR系統生物除磷效率開始降低，系統運行到第120 d時，系統除磷效率降為30%左右，該研究還發現加入ZnO NPs后導致性污泥沉降性能降低，微生物菌群中的菌群減少[19]；對活性污泥菌群影響的報道中還指出1 mg/L和5 mg/L的ZnO NPs增加了與生物吸附、耐受重金屬及污泥膨脹相關的菌的豐度，如普及甲基多樣化(Methyloversatilis Universalis)，動球分支(Zoogloea Ramigera)和羥基石斑桿菌(Haliscomenobacter Hydrossis)。研究指出，大量的ZnO NPs會經過污水處理廠的一級處理進入到二級的生物處理系統[20]。隨著ZnO NPs進入生物處理系統，ZnO NPs可能會促使微生物產生大量胞內氧自由基，以及通過抑制酶活性等途徑對活性污泥中的某些菌群產生抑制作用，從而降低生物處理效率[19,21]。相比其它納米顆粒，ZnO NPs對活性污泥中引起污泥膨脹的菌群、產酸產甲烷菌等表現出更強的毒性[15,18]。在有關ZnO NPs對EBPR系統的影響研究領域，雖然Zheng等就ZnO NPs對短期的除磷效率進行了研究[10]，但針對EBPR系統尤其是顆粒化EBPR系統進行的ZnO NPs長期作用對除磷效率、微生物代謝過程、菌群結構的影響及機制研究鮮見報道，有待進一步探究。

3.3 ZnO NPs對EBPR除磷的影響機理

Hu等[11]發現ZnO NPs會在EBPR系統中積累，并且ZnO NPs濃度越高，在門系統水平對微生物群落遷移的誘導能力越強，而2～10 mg/L ZnO NPs對α蛋白菌都有明顯的抑制作用。嗜酸假絲酵母[22]是一種典型的PAOs，而競爭性磷酸鹽假絲酵母[23]則是代表聚糖菌(GAOs)的微生物群落。嗜酸菌和競爭菌都隨著ZnO NPs濃度的增加而減少，但是2 mg/L ZnO NPs對聚糖菌的抑制作用大于PAOs；高濃度的ZnO NPs則相反，隨著濃度的增加，對PAOs的抑制作用大于聚糖菌。

納米顆粒在活性污泥系統中的去向為約有3% ZnO NPs顆粒留在上清液中，吸附在EPS上的ZnO大約有7%，進入微生物細胞內的納米顆粒則高達90%。在另一項研究中也發現，投加25 mg/L ZnO NPs能在短期暴露條件下使系統除磷效率降低到9.3%，長期暴露條件下使系統內活性污泥EPS產量降低，MLVSS與MLSS的比值顯著下降，細菌形態發生不規則改變，且出現大量死亡[12]。ZnO NPs溶解在水中釋放出Zn2+并且導致活性氧產量增加，Zn2+和活性氧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。Zn2+被認為是ZnO NPs對恥垢分枝桿菌，月芽藻與海洋浮游植物產生抑制作用的真正原因。而且ZnO NPs能夠促使生物系統產生過多的抑制劑，導致自由基過量而失衡并攻擊機體[19,21,24]。

4 結論

隨著我國各大水系富營養化污染的集中爆發，如何整治河道、去除磷元素已成為政府及其他環保人士迫在眉睫的問題。目前，EBPR系統已成為我國實際城鎮污水廠主要去除磷元素的工藝，因此，如何提高其運行效率與穩定性能已成為國內外研究熱點。要提高EBPR運行效率并保證其穩定運行，就必須明確各種運行條件對系統除磷過程的作用機制。

納米材料應用已越來越廣泛，半導體、化妝品、服裝中都含有不同程度的納米材料。已有研究報道，納米材料直接或間接排入環境中，將會對人類健康、動植物生長產生有害影響。其中，以ZnO NPs毒性最強，因為ZnO NPs可以溶解在水中，并且可釋放出金屬Zn2+，因此對于活性污泥中的微生物具有更強的毒性。

目前，雖然已經有ZnO NPs對短期的除磷效率的研究，但是針對EBPR系統尤其是顆粒化EBPR系統進行的ZnO NPs長期作用對除磷效率、微生物代謝過程、菌群結構的影響及機制研究也鮮見報道，有待進一步探究。因此，為促進EBPR系統工藝的實際工程應用，保證其高效穩定的運行，必須從我國城鎮混合污水的實際特征出發，考察ZnO NPs對EBPR系統的影響機制及其可恢復性，開展ZnO NPs對EBPR系統生物除磷過程的長期影響及作用機制研究。這將有助于深入理解EBPR系統中抑制因此對微生物的作用機制，有望促進該系統生物除磷機理的完善，并對受到抑制因此干擾的城鎮污水處理廠的工藝恢復具有一定的理論與現實意義。