納米CuO和納米ZnO對低有機質剩余污泥厭氧發酵性能的影響

金寶丹，鈕勁濤，張 淼，趙建國，尹志剛

(1.鄭州輕工業大學 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南恒安環?？萍加邢薰荆幽?鄭州 450001；3.揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

20世紀末納米材料已經廣泛用于人類的生產和生活，如乳化劑、催化劑、半導體、化妝品等均涉及納米材料[1]。納米ZnO（Nano–ZnO）和納米CuO（Nano–CuO）具有特殊的光學、催化和半導體特性，使其在催化、化妝品、油漆等方面廣泛使用，且Nano–ZnO以每年528 t的生產速度持續增長[2]。由于管道泄漏、磨損以及人為等因素，使部分Nano–ZnO和Nano–CuO顆粒流入環境并且逐漸積累，泄露的納米顆粒通過水利管道進入城市污水處理廠。部分污水處理廠中Nano–ZnO濃度已達到1 mg/L，且不斷增加[3]。研究發現，10 mg/L Nano–ZnO能夠顯著抑制硝化菌活性[3]，Nano–CuO的積累對短程硝化[4]、厭氧氨氧化[5]等脫氮系統具有顯著影響。污水處理系統以吸附污泥方式截留98%以上的納米顆粒?？梢姡S著納米材料的使用，污水處理廠污泥中富集的納米顆粒濃度將會越來越高，對于污泥處理、污水處理均具有不可忽視的影響[6]。

隨著對污泥處理的重視，污泥資源化和無害化得到廣泛研究。污泥厭氧發酵是目前應用最廣泛的污泥處理技術。研究發現Nano–ZnO和Nano–CuO對細菌等具有毒性作用[7]。Mu等[8]發現150 mg/g TSS（Nano–ZnO）對污泥具有顯著抑制作用。同時，大多數研究中污泥有機質比（MLVSS/MLSS）為0.6～0.8[9]。由于部分城市排水管網仍采用雨污合流，使進入污水處理廠的無機物含量增大，剩余污泥有機質含量降低。29個城市污水處理廠調查發現，大多數污水處理廠剩余污泥有機質比的平均值為0.384[10]。目前，Liao等[11]將MLVSS/MLSS ≤ 0.5定義為低有機質污泥。孫通等[12]研究發現：有機質比為0.256的污泥厭氧消化甲烷產量為160.29 mg/g VSS，有機質比為0.5的甲烷產量為809.33 mg/g VSS，可見，低有機質污泥熱值較低，其消化處理難度大，處理成本升高。富含納米顆粒的低有機質剩余污泥處置將更為艱難。因此，研究Nano–ZnO和Nano–CuO對低有機質剩余污泥厭氧發酵性能的影響是必要的。

作者將低有機質剩余污泥在Nano–ZnO和Nano–CuO條件下進行厭氧發酵處理。通過分析不同發酵系統中的SCFAs、蛋白質、多糖、蛋白酶、α–葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、脫氫酶、功能微生物等指標，探討Nano–ZnO和Nano–CuO對低有機質剩余污泥厭氧發酵性能的影響。研究Nano–ZnO和Nano–CuO對污泥厭氧發酵的作用機制，

1 材料與方法

1.1 污泥來源及實驗裝置

實驗使用的污泥來自鄭州市某城市污水處理廠二沉池回流污泥，使用前將其用自來水清洗3次進行濃縮，污泥性質如表1所示。

表1 實驗污泥性質及運行模式Tab. 1 Characteristic of test sludge and operation mode

Nano–ZnO和Nano–CuO來自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒徑均為小于100 nm。

實驗反應器材料為有機玻璃，總體積為2.5 L，有效容積為2.0 L，采用磁力攪拌器進行勻速攪拌，轉速為700 r/min，反應溫度為室溫。

1.2 試驗方法

剩余污泥首先利用自來水進行清洗濃縮至實驗污泥濃度，分別取2 L實驗污泥投加至1#～8#厭氧發酵反應器，分別向1#～4#厭氧發酵反應器中投加到Nano–CuO，控制濃度為0、1、10、100 mg/L，向5#～8#厭氧發酵反應器中投加Nano–ZnO，控制濃度為0、1、10、100 mg/L。啟動磁力攪拌器，隔天取樣測定理化指標。

1.3 分析方法

1.3.1 液體指標分析

取適當體積發酵產物，采用8 000 r/min離心10 min，采用0.5 μm玻璃纖維膜抽濾上清液，抽濾液用于分析SCOD、蛋白質、多糖、 N HN和 P O–P等指標。

1.3.2 微生物檢測

為了考察不同納米顆粒對發酵系統中微生物種群的影響，在發酵末期分別取8個發酵系統發酵污泥利用Illumina MiSeq測序平臺進行高通量測序。PCR引物：

341F/805R（341F：CCTACGGGNGGCWGCAG、805R：GACTACHVGGGTATCTAATCC）。

2 結果與討論

2.1 污泥水解酸化性能

蛋白質和多糖是污泥胞外聚合物（EPS）的重要組成部分，約為80%左右，同時也是污泥厭氧發酵系統中酸化菌的重要作用基質，不同發酵系統中蛋白質等濃度如表2、3所示。

表2 不同發酵系統中蛋白質、多糖、SCFAs及COD濃度Tab. 2 Production of soluble protein，soluble polysaccharide，SCFAs and COD in the different fermentation systems

分析表2可知：不同濃度Nano–ZnO和Nano–CuO污泥厭氧發酵系統中，蛋白質、多糖、SCFAs和COD的產量具有顯著差別，其中Nano–CuO發酵系統中蛋白質隨著其增加而少量增大，分別為22.15、26.17、29.03和29.16 mg COD/L，但是多糖和SCFAs產量隨著Nano–CuO投加量增加而降低，分別為19.24、14.46、14.05和10.23 mg COD/L（多糖），16.24、12.12、10.05和8.14 mg COD/L（SCFAs）。蛋白質、多糖和SCFAs產量隨著Nano–ZnO投加量增加而增大，Nano–ZnO 4個發酵系統中，蛋白質、多糖和SCFAs的產量最大，分別為56.37、45.21及158.06 mg COD/L。說明Nano–ZnO能夠促進厭氧發酵過程中低有機質污泥細胞壁溶解、有機質的釋放，不同發酵系統中SCOD的產量也證實其作用，如表3中DNA所示，隨著Nano–ZnO的投加量增加，DNA釋放量提高。

表3 不同發酵系統中N –N、PO–P和DNA濃度Tab. 3 Production of N–N，PO–P and DNA in the different fermentation systems

表3 不同發酵系統中N –N、PO–P和DNA濃度Tab. 3 Production of N–N，PO–P and DNA in the different fermentation systems

反應器 NH+4–N/(mg·L?1)PO3?4–P/(mg·L?1) DNA/(mg·L?1)1# 40.87±12.22 21.28±3.76 5.56±0.67 2# 36.51±12.00 17.12±6.15 4.71±0.81 3# 33.71±12.98 13.86±6.87 3.74±0.61 4# 32.67±9.95 13.83±3.52 3.44±0.58 5# 70.65±8.03 43.05±4.37 14.70±2.58 6# 86.46±10.78 36.76±5.48 19.94±0.56 7# 86.93±9.38 28.57±7.76 51.36±0.69 8# 90.74±4.64 18.37±11.43 130.61±8.80

Nano–ZnO發酵系統中蛋白質、多糖及SCFAs的產量遠高于Nano–CuO發酵系統，其產量約為Nano–CuO發酵系統蛋白質產量的1.75～1.93倍、多糖產量的2.22～4.42倍、SCFAs產量的1.75～19.42倍，說明Nano–ZnO對低有機質剩余污泥厭氧發酵性能作用高于Nano–CuO。分析原因：Nano–CuO和Nano–ZnO在吸收光子后可以自發產生活性氧，在光照條件下光子吸收并擴散至Nano–CuO表面，激發電子形成超氧離子，或者在光照條件下電子空穴擴散至Nano–ZnO表面并與水形成羥基自由基，但是由于低有機質污泥厭氧發酵系統中屬于厭氧狀態沒有溶解氧，所以Nano–CuO不能形成氧損傷，但是Nano–ZnO發酵系統能夠產生具有氧化性的羥基自由基，這就導致其對污泥的水解性能不同。Zhang[16]等也證實，Nano–ZnO能夠增加蛋白質水解，進而提高SCFAs積累。同時，pH值也可能是造成Nano–CuO和Nano–ZnO污泥厭氧發酵系統水解酸化性能不同的原因之一，如圖1所示。

圖1 pH值對厭氧發酵系統的影響Fig. 1 Effect of pH values on anaerobic fermentation system

N a n o–Z n O 8#發酵系統中p H值為6.5，而Nano–CuO 4#發酵系統pH值為7.1，產甲烷菌最佳生長pH值為7，所以Nano–CuO發酵系統更適合產甲烷菌生長。同時輔酶420活性檢測也證實Nano–CuO發酵系統中消耗SCFAs的產甲烷菌活性較高。

分析結果發現，Nano–CuO和Nano–ZnO發酵系統中的蛋白質、多糖和SCFAs的產量顯著低于堿性[17]、單過硫酸氫鉀（PMS）[18]等發酵類型，這可能是因為發酵污泥性質不同，本實驗發酵污泥為低有機質剩余污泥（MLVSS/MLSS ≤ 0.5），而對比實驗發酵污泥為高有機質剩余污泥（MLVSS/MLSS ≥ 0.7）。同時，各發酵類型作用機制不同，堿性、PMS等發酵類型主要是通過強堿性或強氧化性離子對污泥進行直接破壁使有機質釋放，而Nano–ZnO和Nano–CuO主要是依靠釋放的Cu2+、Zn2+及部分帶電物質作用于微生物蛋白質使微生物死亡自溶，因此Nano–CuO和Nano–ZnO發酵系統中蛋白質、多糖和SCFAs的產量相對較低。

2.2 NH–N和PO–P釋放

2.3 生物酶活性

2.3.1 蛋白酶和α–葡萄糖苷酶

蛋白酶和α–葡萄糖苷酶活性對于污泥水解具有至關重要的作用，蛋白酶和α–葡萄糖苷酶將蛋白質和多糖水解成小分子物質，如圖2所示。由圖2（a）、（b）可知，Nano–CuO和Nano–ZnO對蛋白酶和α–葡萄糖苷酶活性具有顯著影響，其中，蛋白酶活性隨著Nano–CuO和Nano–ZnO投加量的增加而增大，100 mg/L時蛋白酶活性分別為25.15和46.71 EU/mg VSS。研究發現蛋白酶活性隨著Nano–ZnO濃度的增加而降低（1～150 mg/g TSS），這可能與Nano–ZnO的投加量有關[19]。α–葡萄糖苷酶活性隨著Nano–CuO和Nano–ZnO投加量先增大后降低，最大值分別為0.003 7 EU/mg VSS（10 mg /L，Nano–CuO）、0.003 9 EU/mg VSS（1 mg /L，Nano–ZnO），可見，α–葡萄糖苷酶對于外界環境較蛋白酶更為敏感。Nano–ZnO發酵系統中蛋白酶和α–葡萄糖苷酶活性均高于Nano–CuO發酵系統，Nano–ZnO發酵系統中蛋白酶和α–葡萄糖苷酶水解蛋白質和多糖為酸化菌提供豐富的酸化底物，生成大量的SCFAs。蛋白酶活性顯著高于α–葡萄糖苷酶活性，這是因為生物酶與其反應底物同時位于細胞體內，當反應底物從細胞內向細胞外轉移時，生物酶也隨之向外轉移，因此，底物越豐富，相關生物酶活性越高。

2.3.2 堿性磷酸酶和酸性磷酸酶

微生物體內含有豐富的有機磷物質，污泥厭氧發酵過程中有機磷物質被磷酸酶（如堿性磷酸酶ALP、酸性磷酸酶ACP）作用于核苷酸、蛋白質等物質的磷酸基，ALP和ACP水解有機磷為無機磷并參與細胞內磷合成的新陳代謝[20]。分析圖2（c）、（d）數據可知，Nano–CuO和Nano–ZnO對ALP和ACP具有顯著的影響，其中，ALP和ACP均隨著納米顆粒濃度增加而降低，說明Nano–CuO和Nano–ZnO均能降低ALP和ACP活性。同時發現，Nano–ZnO發酵系統中ALP和ACP活性均大于Nano–CuO發酵系統，其中，ALP約為1.68～1.93倍，ACP約為3.86～4.68倍?？梢?，ALP和ACP對于Nano–ZnO耐受性高于Nano–CuO。

2.3.3 脫氫酶

脫氫酶是一種重要的胞外酶，能夠表征細胞膜破壞程度，在污泥厭氧發酵過程中具有至關重要的作用。圖2（e）表明，脫氫酶活性隨著Nano–CuO和Nano–ZnO濃度先增加后降低，其中，Nano–CuO發酵系統的脫氧酶活性為3#＞4#＞2#＞1#，10 mg/L Nano–CuO發酵系統的脫氫酶最大為1.32 EU/mg VSS。Nano–ZnO發酵系統的脫氧酶濃度為6#＞5#＞7#＞8#，1 mg/L Nano–ZnO發酵系統脫氫酶活性最大為1.42 EU/mg VSS。說明適當濃度的Nano–CuO和Nano–ZnO能夠促進污泥厭氧發酵系統中的脫氫酶活性，這可能與納米顆粒的聚集和絡合作用有關[21]。

圖2 Nano–CuO和Nano–ZnO對厭氧發酵系統生物酶活性的影響Fig. 2 Effect of Nano–CuO and Nano–ZnO on bio-enzyme activity protease in anaerobic fermentation system

2.3.4 輔酶420

SCFAs是污泥厭氧發酵末端產物，也是產甲烷菌主要作用基質，因此，污泥厭氧發酵系統中產甲烷菌活性是影響SCFAs積累的重要因素。輔酶420（F420）是衡量產甲烷菌活性的重要指標。分析圖2（f）數據可知，輔酶420活性隨著Nano–CuO濃度增加而增大，而隨著Nano–ZnO濃度增加而降低。結果表明，0.1～100 mg /L（Nano–CuO）能夠提高污泥發酵系統中產甲烷菌活性，但是，Nano–ZnO能夠嚴重抑制產甲烷菌活性。這是因為Nano–ZnO釋放的部分Zn2+能夠抑制產甲烷菌新陳代謝活性，進而降低產甲烷菌活性[8]。Zhang等[16]也證實，Nano–ZnO能夠顯著抑制產甲烷菌活性。Chen等[8]研究證明，30～150 mg/g TSS Nano–ZnO能夠引起18.3%～75.1%的甲烷產量降低。

2.4 功能微生物種群分析

2.4.1 微生物群落變化

為了更好地分析Nano–CuO和Nano–ZnO對污泥厭氧發酵系統微生物種群的影響，發酵末期將8個發酵系統發酵污泥進行高通量分析，如表4、5和圖3所示。由表4可知，Nano–CuO發酵系統MiSeq序列和OUT分別為41 901、2 292（1#），41 259、2 294（2#），42 644、2 280（3#），44 865、2 413（4#），Nano–ZnO發酵系統MiSeq序列分別為51 386、2 425（5#），60 309、2 534（6#），55 962、2 582（7#），55 517、2 568（8#）。分析數據可知，Nano–ZnO發酵系統中MiSeq序列和OUT顯著高于Nano–CuO發酵系統，如Chao1和ACE所示。

圖3 Nano–ZnO和Nano–CuO發酵系統中微生物種群分布和稀釋曲線Fig. 3 Microbial population distribution and dilution curve of Nano–CuO and Nano–ZnO fermentation system

表4 不同發酵系統微生物檢測數據Tab. 4 Microbial test data of different fermentation systems

同時圖3（b）顯示，Nano–CuO發酵系統中微生物多樣性稀釋曲線顯著低于Nano–ZnO發酵系統，說明Nano–ZnO能夠改善發酵系統微生物種群豐度。

2.4.2 功能微生物

由圖3（a）可知，8個發酵系統中分別檢測到7個門類，分別為proteobacteria（Nano–CuO：35.99%、35.92%、33.77%、36.19%，Nano–ZnO：34.81%、35.79%、40.40%、43.81%）、bacteroidetes（Nano–CuO：23.10%、20.27%、21.49%、26.23%，Nano–ZnO：25.53%、26.66%、27.93%、26.92%）、chloroflexi（Nano–CuO：8.55%、9.43%、8.60%、5.81%，Nano–ZnO：4.01%、3.84%、2.95%、1.61%）、planctomycetes（Nano–CuO：3.70%、6.93%、5.75%、3.65%，Nano–ZnO：5.96%、7.22%、4.29%、4.35%）、acidobacteria（Nano–CuO：4.35%、3.81%、4.32%、4.04%，Nano–ZnO：3.77%、3.44%、3.92%、4.65%）、parcubacteria（Nano–CuO：3.76%、5.36%、5.13%、4.62%，Nano–ZnO：2.71%、1.46%、1.96%、2.46%）、ignavibacteriae（Nano–CuO：4.47%、3.88%、4.86%、3.99%，Nano–ZnO：5.20%、4.19%、4.07%、3.00%）。分析數據可知，Nano–ZnO發酵系統中的proteobacteria、planctomycetes和bacteroidetes含量顯著高于Nano–CuO發酵系統，但是chloroflexi和parcubacteria含量低于Nano–CuO發酵系統，ignavibacteriae和planctomycetes含量相似。研究表明，proteobacteria在乙酸積累中具有重要作用[22]。由圖3可見，Nano–ZnO發酵系統中proteobacteria含量顯著高于Nano–CuO發酵系統，且隨著Nano–ZnO濃度增加而增大。azospira、ottowia和hyphomicrobium功能菌屬于proteobacteria，均能夠分解乙酸、丙酸或者其他脂肪酸[23]。分析表5數據可知，Nano–ZnO和Nano–CuO發酵系統均發現azospira、ottowia菌群，同時Nano–ZnO發酵系統中azospira菌群含量顯著高于Nano–CuO發酵系統，但是Nano–CuO發酵系統中ottowia含量高于Nano–ZnO發酵系統，這就可能造成Nano–ZnO和Nano–CuO發酵系統中SCFAs產量的差別。ferruginibacter對有機物具有較強的水解作用[24]，其含量隨著Nano–ZnO濃度的增加而增大，同時其含量顯著高于Nano–CuO發酵系統，這與發酵系統中蛋白質和多糖含量相符（表1）。研究表明，terrimonas和chryseolinea含有豐富的堿性磷酸酶和α–葡萄糖苷酶，有助于淀粉和DNA等有機物的水解[25]，這與Nano–CuO和Nano–ZnO發酵系統中堿性磷酸酶和多糖含量相符。aridibacter菌群富含堿性磷酸酶和酸性磷酸酶，同時能夠水解蛋白質的有機物質[26]。thauera和nitrospira廣泛分布于Nano–CuO發酵系統，說明Nano–CuO沒能嚴重破壞微生物胞外聚合物結構，同時，該環境較為溫和，有利于thauera的生長。通過功能菌群分析發現，Nano–ZnO發酵系統中較高濃度的水解菌群強化系統中SCFAs的積累。

表5 Nano–CuO和 Nano–ZnO發酵系統中功能微生物種類Tab. 5 Functional species of in Nano–CuO and Nano–ZnO levels fermentation systems

3 結 論

1）低有機質剩余污泥厭氧發酵系統中SCOD產量隨著Nano–CuO和Nano–ZnO投加量的增加而增大；蛋白質和SCFAs產量隨著Nano–ZnO濃度增加而增大，但是多糖產量隨著Nano–CuO濃度的增加而降低。

2）Nano–CuO和Nano–ZnO對發酵系統中生物酶活性具有顯著的影響，蛋白酶活性隨著納米顆粒投加量的增加而增大；α–葡萄糖苷酶和脫氫酶活性隨著納米顆粒投加量的增加而降低；

3）Nano–ZnO和Nano–CuO發酵系統均富集豐富的azospira、ottowia菌群；Nano–ZnO發酵系統含有大量的水解菌ferruginibacter和富含堿性磷酸酶、α–葡萄糖苷酶的terrimonas和chryseolinea。

本實驗通過系統研究證實，與Nano–CuO相比，適當濃度的Nano–ZnO能夠提高污泥水解性能，有利于污泥厭氧發酵系統中水解酸化菌生長，進而優化低有機質低濃度剩余污泥厭氧發酵產酸性能。因此，Nano–ZnO能夠提高低有機質剩余污泥資源化處理。