ZnO纳米颗粒对SBR活性污泥活性的影响

王树涛,李素萍,王未青,王志申,尤 宏 (哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

纳米颗粒(NPs)是指至少在一个维度上的尺寸小于100nm的颗粒.由于NPs尺寸微小､比表面积巨大､与常规尺寸材料相比,具有更大的反应活性,目前NPs的环境行为及其毒性效应备受关注[1].污水处理厂是 NPs进入自然水环境的重要途径[1-3].2009年USEPA报告,84所污水处理厂污泥中纳米氧化物的含量达到 8.55g/kg SS[4].中国2011年(139所)与2009年(107所)污水厂污泥中纳米氧化物的浓度为 1.03g/kg SS,最大达到9.14g/kg SS[5-6].

进入污水处理厂以后,NPs可通过活性污泥的吸附而从污水中去除[7].然而,被吸附的NPs可能对活性污泥微生物的活性具有抑制作用[8-9],尤其引起关注的是对活性污泥中功能微生物种群的影响[10].不同NPs对不同种微生物的影响不同,如 Adams 等[11]发现 TiO2-NPs﹑SiO2-NPs 和Sigma-Aldrich (St.Louis,MO).取 2mL上述悬浊液用去离子水稀释至 1L,作为储备液,使用前超声(250W,40Hz)分散,防止其团聚.将 ZnO-NPs悬浊液滴在铜片上,晾干后,用透射电镜(TEM)观察其形态的团聚性;将 ZnO-NPs悬浊液震荡后,用动态光散射(DLS)分析其粒径分布.由图1可以看出,ZnO-NPs为球状,且符合实验粒径要求(1～100nm).ZnO-NPs能显著抑制某些细菌的增长,其中以ZnO-NPs的抑制作用最明显,500mg/L ZnO-NPs对枯草芽孢杆菌的生长抑制率达 90%,而对大肠杆菌的生长抑制率仅为 38%.Zheng等[12]研究发现 50mg/L ZnO-NPs在长期暴露(70d)时对氨单加氧酶和亚硝酸盐氧化还原酶的活性有明显抑制作用,而对外切聚磷酸酶、多聚磷酸盐激酶的活性无明显影响.Chen等[13]研究发现尽管Ag-NPs与ZnO-NPs对COD和的去除率影响不大(<5mg/L),但其对微生物群落影响十分显著,使与底物降解相关的菌群减少,而使和生物吸附﹑生物膨胀等相关的菌群增加.

图1 Nano-ZnO的TEM图与DLS粒径分布Fig. 1 Transmission electron microscope image(TEM) of ZnO-NPs and particle size distribution by dynamic light scattering(DSL)

另外,不同暴露时间对污泥性状影响不同.Li等[14]研究发现,短期暴露时,TiO2-NPs对活性污泥去除N﹑P的能力未产生明显影响,当暴露时间延长到70d时,活性污泥去除TN的能力受到明显抑制.Zheng等[15]发现,1mg/L SiO2-NPs在短期及长期暴露下对污泥活性及脱氮能力均无影响,但 50mg/L SiO2-NPs在长期(70d)暴露时,TN去除率从 79.6%降到 51.6%.Chen等[16]研究发现1,50mg/L Al2O3-NPs短期暴露对活性污泥去除N﹑P的能力无明显抑制作用,但随暴露时间延长,50mg/L Al2O3-NPs使TN去除率从80.4%降到62.5%.

NPs除了抑制好氧活性污泥对N、P等的去除外,对厌氧消化过程也存在一定抑制作用.Mu等[17]发现,Al2O3-NPs﹑TiO2-NPs﹑SiO2-NPs对污泥的厌氧消化存在抑制作用,其中ZnO-NPs对产甲烷量的抑制率可达到75.1%.此外,ZnO-NPs对厌氧颗粒污泥的EPS也会产生影响.

目前,从ZnO-NPs对活性污泥有机物降解性能、沉降性能、呼吸速率、微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)的影响规律等反应活性污泥活性的研究较少.基于此,本文从上述角度研究了ZnO-NPs对好氧活性污泥活性的影响.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 ZnO-NPs悬浊液 ZnO-NPs悬浊液(1.7g/L,<100nm,平均粒径小于 35nm)购买自

1.1.2 污水水质 采用人工配制的模拟污水,葡萄糖或蔗糖提供碳源,COD的浓度为 450～550mg/L;NH4Cl提供氮源,浓度为 30～50mg/L,其他营养元素浓度为: KH2PO430mg/L,CaCl210mg/L,MgSO450mg/L,进水 pH 值保持在7.5～8.5,由 NaHCO3调节.

1.1.3 SBR实验装置 SBR反应器有效反应容积为 4.0L.单个运行周期为 8h,各运行阶段时间为:进水0.15h,搅拌曝气5.6h,沉淀1.1h,排水0.15h,静置 1h(由时间定时器控制).操作参数为:pH 7.5～8.5,温 度 25～28℃,MLVSS/MLSS 0.75,SV 20%～30%.接种污泥取自哈尔滨太平污水厂二沉池污泥,然后用上述配水驯化培养.反应器正常运行时,出水各项指标达到国家一级B标准.

1.2 分析方法

1.2.1 SMP及EPS提取与分析 采用热提取法.取40mL曝气阶段的污泥混合液于50mL离心管离心(5000r,5min),将上清液用 0.45μm 醋酸纤维膜过滤即得溶解性有机物(SMP).然后将离心管底部污泥用蒸馏水补充到 40mL,并使其重新悬浮,在 80℃水浴锅中加热 30min后,再次离心(5000r,5min),将上清液用 0.45μm 醋酸纤维膜过滤即得EPS.SMP及EPS的产量以COD值来表示[18].多糖、蛋白质、腐殖质分别采用苯酚-硫酸分光光度法,双缩脲分光光度法、修正Lowry法分析.

1.2.2 活性污泥呼吸速率的测定 采用溶解氧仪(HACH 2400)测定.测定步骤为:自反应器中取出1.5mL污泥稀释到150mL并转移至250mL锥形瓶内,将溶解氧仪电极插入此锥形瓶中并使锥形瓶密闭,置于磁力搅拌器上搅拌,每隔10s记录一个DO值.以DO值对时间作图,所得直线斜率即为呼吸速率[19].

1.2.3 其他常规指标分析方法 COD:重铬酸钾法;SV:沉降法;MLSS:105℃干燥减重法;MLVSS:600℃灼烧减重法.

1.3 ZnO-NPs毒性接触实验方法

启动反应器并使其稳定运行.在加入 ZnONPs之前,分别测定SBR的COD去除率、SV、MLSS和MLVSS,曝气阶段的EPS、SMP产量及其各组分(多糖﹑蛋白质﹑腐殖质)浓度,污泥的呼吸速率,作为对照.然后向上述模拟污水中加入ZnONPs作为SBR反应器的进水.ZnO-NPs浓度分别为10,20,50,100mg/L.每个指标做3个平行.

2 结果与讨论

2.1 ZnO-NPs对活性污泥沉降性及生物量的影响

由表1可知,ZnO-NPs会使污泥沉降性能变差,且 ZnO-NPs浓度越高,污泥沉降性越差.10,20,50,100mg/LZnO-NPs使污泥 SV值分别从30.0%, 30.0%, 30.0%,30.0%升到38.3%, 54.2%,65.0%, 66.0%.即活性污泥体积指数偏离正常值(20%～30%),同时伴有活性污泥膨胀发生.出现这种情况的原因可能是丝状菌膨胀,此时污泥量减少,细菌吸附的大量有机物来不及代谢,在胞外积贮了大量高黏性物质,使表面附着物大量增加,很难沉淀压缩,从而污泥沉降性变差.但是,Ni等[20]发现,磁性NPs会使污泥的SVI值减小.出现这种差异的原因可能是FeCl3磁性NPs由于具有磁性,能相互吸引并聚集成团,导致污泥易于结成较大絮体,从而比较容易沉降.

MLVSS表示活性污泥的活性组分,正常情况下,活性污泥MLVSS/MLSS值在0.75左右.从表2可看出,低浓度时(10mg/L) ZnO-NPs没有使MLVSS/MLSS发生明显变化.而 20,50,100mg/L ZnO-NPs使 MLVSS/MLSS值分别降低 0.06,0.11,0.16,且暴露浓度越高,偏离正常值(0.75)越明显,表明增大ZnO-NPs浓度使活性污泥活性组分减少,即降低了活性污泥的活性.这与 COD 去除率、EPS产量下降是一致的(图2和表3).

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

表2 ZnO-NPs对MLVSS/MLSS的影响Table 2 Impact of ZnO-NPs on MLVSS/MLSS ratio

2.2 ZnO-NPs对EPS及SMP的影响

EPS是活性污泥的重要组成部分,在微生物抵抗环境压力等方面起到重要作用[20],因此考察了ZnO-NPs对EPS的影响,由表3可知,ZnO-NPs浓度为10,20,50,100mg/L时,EPS的产量分别降低了20.3%, 29.0%, 49.9%, 65.4%,可见,ZnO-NPs能够明显抑制活性污泥EPS的产生.EPS主要来源于污泥代谢环境基质和细胞本身的新陈代谢和自溶.可见,ZnO-NPs能够抑制微生物新陈代谢和降解环境基质的能力,且浓度越高,抑制越强.

表3 EPS产量及各组分含量Table 3 Yield and components of EPS

进一步分析表明,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS中糖、蛋白质、腐殖质含量降低,而 10,20mg/L则使各组分含量升高.Ni[20]等研究ZnO-NPs对厌氧颗粒污泥(AGS)的影响时发现,100, 200mg/g-TSS会使EPS中蛋白质、脂肪、腐殖质含量减少,而对多糖含量影响不大.这可能是由于 EPS中酰氨基、羟基等官能团发生较大变化,并导致EPS中蛋白质、脂肪及腐殖质的含量变化[17].

表4 SMP产量及各组分含量Table 4 Yield and components of SMP

从表 4可看出,10,20,50,100mg/L ZnO-NPs使 SMP产量分别升高了 23.6%,48.9%,102.6%,203.0%, Mei等[21]在研究ZnO-NPs对MBR的影响时也发现,SMP产量随 ZnO-NPs的浓度与暴露时间的增加而增加.由Laspidou等[22]提出的统一理论假设可知,SMP按其产生途径可分为与基质降解相关联的微生物产物(UAP)和与微生物内源呼吸相关联的微生物产物(BAP).UAP与基质降解﹑微生物代谢和细胞生长相关,BAP与细胞内源呼吸如细胞裂解、细胞凋亡有关[18].从EPS产量增加与表5中呼吸速率的下降可看出,微生物新陈代谢与基质降解能力受到抑制,则UAP产量会降低.EPS可以水解产生 BAP[22],因此 SMP产量的增加可能来源于 BAP.另一方面,SMP是可生物降解的,微生物活性的降低可能会影响SMP的生物降解,这可能是SMP产量增加的另一原因.

此外,20,50,100mg/LZnO-NPs使 SMP中糖含量升高,而 10mg/L则会使糖含量降低;50,100mg/L ZnO-NPs会使SMP中蛋白质﹑腐殖质含量升高,而10,20mg/L则会使蛋白质﹑腐殖质含量降低(图3).这可能是由于SMP中酰胺基﹑羟基等官能团发生较大变化,并导致 SMP中蛋白质﹑脂肪及腐殖质的含量变化[17].

2.3 ZnO-NPs对活性污泥呼吸速率的影响

如表5所示,ZnO-NPs对活性污泥呼吸速率具有明显抑制作用,且浓度越高,抑制作用越明显.ZnO-NPs浓度为 10mg/L时,呼吸抑制率为22.4%,当浓度增加到 100mg/L时,呼吸抑制率达到80.3%,但抑制作用不随着ZnO-NPs浓度的增加而等比例增加.呼吸速率是评价污泥代谢活性的重要指标,在污泥体系受到毒物冲击时呼吸速率会有所下降.因此,ZnO-NPs抑制活性污泥呼吸速率表明其抑制污泥代谢活性.这与EPS产量下降﹑SMP产量升高等是一致的.类似地,Liu等[23]研究发现,较高浓度的ZnO-NPs会对污泥的耗氧速率(OUR)有较大影响,800mg/L ZnO-NPs对活性污泥 OUR的抑制率达 80%.而本研究中100mg/LZnO-NPs对活性污泥呼吸速率的抑制率最高可达80%.

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

2.4 ZnO-NPs对有机物降解的影响

图2 ZnO -NPs对有机物降解的影响Fig.2 Impact of ZnO-NPs on organic matter degradation

由图 2可以看出,随着接触时间的延长,ZnO-NPs对有机物去除效率的影响逐渐增强.但ZnO-NPs浓度较低时(10mg/L),延长接触时间,ZnO-NPs 对COD去除率没有明显影响,去除率仅仅从88.97%降到83.79%,接触5d后出水COD仍小于60mg/L,可认为10mg/L ZnO-NPs对SBR去除有机物无明显影响.这可能由于活性污泥中微生物在少量的毒性物质刺激下会产生抗性,甚至会使生物量略有增加,从而使污泥活性没有发生明显变化,表1中MLVSS/MLSS值从0.74增加到 0.76也可说明这一点.然而,20,50,100mg/L ZnO-NPs使 COD去除率分别从 83.3%,86.7%,91.0%降到 75.3%,67.2%,63.3%,即分别下降了8.0%,19.5%,27.7%.此外,接触5d后,出水COD均大于 60mg/L,表明增大 ZnO-NPs浓度会增强其对好氧活性污泥活性的抑制作用,且随浓度增大,抑制作用增强.这可能由于ZnO-NPs浓度过高导致微生物细胞死亡,菌胶团破坏,进而影响活性污泥的正常功能.类似地,Mei等[21]研究发现ZnO-NPs会抑制MBR对NaAc的降解,浓度越大,抑制作用越强,加NPs之前基质4h可完全降解,而加入13.6mg/L ZnO-NPs后则需6h.

整体上看,不同浓度的ZnO-NPs对有机物降解效率、EPS、SMP的影响规律是一致的.浓度高时,不仅生物代谢受到抑制,且生物量减少,导致 COD 去除率明显下降;而浓度低(10mg/L)时,虽然微生物新陈代谢受到一定抑制,但此时生物量可能略有增加(表1),使污泥活性总体降解效能未发生明显变化,即 COD去除率未受到较明显影响.

3 结论

3.1 ZnO-NPs能够使好氧活性污泥沉降性能降低,10,20,50,100mg/L ZnO-NPs使污泥沉降性能分别降低8.3%,24.2%,35.0%,36.0%.

3.2 低浓度ZnO-NPs对EPS和SMP的产量及组成具有一定影响.10mg/L ZnO-NPs使污泥EPS产量降低20.3%,SMP产量增加203.03%,呼吸速率抑制22.4%.

3.3 较高浓度的 ZnO-NPs对活性污泥活性具有明显影响.20,50,100mg/L ZnO-NPs使EPS产量分别降低 29.0%,50.0%,65.4%,使 SMP产量分别升高 48.9%,102.6%,203.0%,使 MLVSS/MLSS值分别降0.06,0.11,0.16,使COD去除率分别降低8.0%,19.5%,27.7%.20,50,100mg/L ZnO-NPs污泥效能受到明显抑制,可认为20,50,100mg/L ZnONPs能够抑制污泥代谢,降低活性污泥生物量,显著抑制活性污泥活性.

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