新型污染物纳米氧化铜对生物脱氮除磷的影响及机制探究*

许泽宏 周明罗 程晓丹 郭宗峰

(宜宾学院环境保护科学与工程应用研究所，四川 宜宾 644007)

新型污染物纳米氧化铜对生物脱氮除磷的影响及机制探究*

许泽宏 周明罗 程晓丹 郭宗峰

(宜宾学院环境保护科学与工程应用研究所，四川 宜宾 644007)

在序批式活性污泥反应器(SBR)中探究了新型污染物纳米氧化铜(CuONP)短期和长期暴露对实际废水生物脱氮除磷的影响并分析了影响机制。结果表明：0～10.0mg/LCuONP短期暴露对生物脱氮除磷效率及活性污泥性能影响不明显；经过30d长期暴露，CuONP对生物脱氮除磷效率产生了严重的抑制作用，且CuONP浓度越高，抑制效果越明显。CuONP由0mg/L增加到10.0mg/L时，生物脱氮效率由90.6%下降至79.8%，生物除磷效率由91.6%下降至70.5%。CuONP长期暴露能够抑制胞内聚合物聚羟基脂肪酸酯(PHA)的合成，近而减少其氧化分解产生的能量。此外，CuONP还能抑制活性污泥呼吸速率。在10.0mg/LCuONP作用下，呼吸抑制率为69.0%。

纳米氧化铜 暴露 生物脱氮除磷 胞内聚合物

纳米颗粒一般指粒径小于100 nm的颗粒，纳米颗粒具有比表面积大、反应活性强等特点，在实际工作中得到广泛应用[1-3]。纳米氧化铜(CuO NP)是一种功能性纳米材料，已在生物医疗、催化材料、生物传感器等领域得到应用[4]。CuO NP的广泛应用会导致其释放到环境中，并且对环境造成一定的负面影响。

近年来，研究者进行了CuO NP模拟生物毒害效应的实验。焦兆友等[5]研究了CuO NP对金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和枯草杆菌(Bacillussubtilis)的抑制作用，实验结果表明CuO NP的存在能够有效抑制上述两种细菌的生长。HUSSAIN等[6]研究了CuO NP对大鼠肝细胞的毒害作用，结果表明CuO NP能够导致肝细胞萎缩，细胞结构异常。CuO NP在生产和使用过程中会通过各种途径进入水体，进而进入城市污水处理厂。而现在的污水处理厂多以活性污泥系统为主，CuO NP的进入可能会对活性污泥系统中的功能微生物产生一定的影响。据报道，10 mg/L CuO NP短期暴露对大肠杆菌(Escherichiacoli)和反硝化细菌影响不大[7]7812。CuO NP浓度和暴露时间是影响污水生物处理效果的两大因素，之前关于CuO NP的研究多为短期暴露，例如杜志泽等[8]4770-4771研究了CuO NP对合成废水在活性污泥系统中进行短期生物处理的影响。而污水处理厂处理的实际废水成分更加复杂，污染物的浓度变化波动较大，因此有必要探究CuO NP对实际废水的影响。此外，污水处理厂均为长期运营，但基于CuO NP长期暴露的研究成果较少，因此本研究分析了CuO NP长期暴露对生物脱氮除磷及活性污泥性能的影响，以期为CuO NP废水的治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与反应器的运行

CuO NP购置于Sigma-Aldrich公司，纯度为90%，比表面积为30～40 m2/g。为了使CuO NP与活性污泥接触更充分，将CuO NP配置成CuO NP悬浮液，具体操作为：将100 mg CuO NP置于1.0 L超纯水中，在250 W、40 Hz下采用超声振荡防止其团聚，得到100 mg/L CuO NP悬浮液。虽然缺乏我国污水处理厂进水CuO NP浓度的公开数据，但是国外已报道污水处理厂进水CuO NP可高达10 mg/L[7]7810，因此本研究将CuO NP最高质量浓度设置为10.0 mg/L。

实验所用废水为实际废水，取自宜宾市第二污水处理厂进水口，COD为210～300 mg/L，氨氮为25～40 mg/L，硝态氮为2.3～3.5 mg/L，亚硝态氮为0.2～0.8 mg/L，磷酸盐为6～8 mg/L，pH为7.5～8.1，悬浮物(SS)为150～180 mg/L，实际废水取回后用于实验进水。接种的活性污泥取自宜宾市第二污水处理厂的二沉池。

实验在10.0 L有机玻璃容器中进行。序批式活性污泥反应器(SBR)在30 ℃下恒温运行，每天运行3个周期，每个周期持续8 h，共包含90 min厌氧期、150 min好氧期、120 min缺氧期、60 min沉淀出水期和60 min闲置期。通过好氧末期排放适量活性污泥来控制污泥龄为15 d左右。每个周期的初始pH控制在7.0±0.1，反应过程中不控制pH。

1.2 CuO NP短期暴露实验

本实验在4个相同的SBR中进行，SBR运行条件如1.1节所述。当SBR运行稳定后，向4个SBR中投加适量的CuO NP悬浮液，控制CuO NP分别为0、0.5、5.0、10.0 mg/L。短期暴露的时间为1个周期(8 h)。

1.3 CuO NP长期暴露实验

本实验同样在4个相同的SBR中进行，SBR运行条件如1.1节所述。当SBR运行稳定后，向4个SBR中投加适量的CuO NP悬浮液，控制CuO NP分别为0、0.5、5.0、10.0 mg/L。长期暴露的时间为30 d。

1.4 活性污泥呼吸速率测定

采用HANNA HI9146N便携式溶解氧(DO)测定仪对CuO NP长期暴露实验中活性污泥呼吸速率进行测定。取1.5 mL活性污泥稀释至150 mL并转移至150 mL锥形瓶中，将DO测定仪电极探头插入密封锥形瓶的活性污泥中测定其耗氧量，并每隔10 s读取1次数值，随后计算DO对时间的斜率，斜率表示活性污泥呼吸速率[9]2578-2579。

1.5 分析方法

COD采用重铬酸钾氧化法测定；挥发性悬浮物(VSS)、SS、TN、TP、硝态氮、亚硝态氮和磷酸盐参照文献[10]测定；DO采用便携式DO测定仪测定。

胞外聚合物(EPS)采用热处理法提取，即取50 mL好氧末期的泥水混合物于50 mL离心管中，将上清液过0.45 μm醋酸纤维滤膜，将未通过滤膜的活性污泥添加蒸馏水补充到50 mL，并使其重新悬浮，在80 ℃水浴中加热30 min后再次离心，取上清液待测。EPS测定方法详见文献[11]。蛋白质采用凯氏定氮法测定，多糖采用苯酚-硫酸法测定。

胞内聚合物聚羟基脂肪酸酯(PHA)的测定采用气相色谱法。将活性污泥加入2 mL的氯仿提取后，再加入850 mL甲醇和150 mL浓硫酸(质量分数98%)，在100 ℃下水浴1 h加热酯化，充分振荡后，液体分上下两层，下层液体用于测定PHA。气相色谱具体运行条件参照文献[12]。糖原质测定参照文献[13]。

2 结果与分析

2.1 CuO NP短期暴露对实际废水处理效果的影响

不同浓度CuO NP短期暴露对实际废水生物脱氮除磷效率的影响如图1所示。由图1可以看出，不同浓度CuO NP短期暴露作用下，COD、TN、TP去除率差异不明显。在空白组(CuO NP为0 mg/L)中，COD、TN、TP的平均去除率分别为89.5%、90.2%、93.1%；而在10 mg/L CuO NP作用下，COD、TN、TP的平均去除率分别为88.7%、91.2%、92.6%。可见，CuO NP短期暴露对实际废水的生物脱氮除磷效率影响不显著，这与杜志泽等[8]4468-1150的研究结果一致。

图1 CuO NP短期暴露对生物脱氮除磷效率的影响Fig.1 Effect of short term exposure of CuO NP on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal

2.2 CuO NP短期暴露对活性污泥性能的影响

选取污泥膨胀指数(SVI)、活性污泥挥发性悬浮物(MLVSS)与活性污泥悬浮物(MLSS)质量比(MLVSS/MLSS)、EPS浓度及EPS中的蛋白质和多糖浓度表征活性污泥性能。其中，EPS是活性污泥的重要组成部分，一般是微生物抵御外界不良环境时产生的，EPS中发挥作用的主要成分为蛋白质和多糖。不同浓度CuO NP短期暴露对活性污泥性能的影响如表1所示。由表1可以看出，CuO NP短期暴露对活性污泥性能影响不明显。

2.3 CuO NP长期暴露对实际废水处理效果的影响

不同浓度CuO NP长期暴露对实际废水生物脱氮除磷效率的影响如图2所示。由图2可以看出，随着CuO NP浓度升高，COD、TN、TP的去除率均出现不同程度下降。当CuO NP由0 mg/L增加到10 mg/L时，COD平均去除率由90.6%下降至76.4%，生物脱氮效率(以TN平均去除率表征)由90.6%下降至79.8%，而生物除磷效率(以TP平均去除率表征)由91.6%下降至70.5%。可见，CuO NP长期暴露能够降低实际废水的生物脱氮除磷效率。

为了探究CuO NP长期暴露对生物脱氮除磷的影响机制，分析了单位周期(不包括沉淀出水期和闲置期)中氨氮、硝态氮、亚硝态氮和磷酸盐的变化。由图3(a)可以看出，CuO NP的存在能够抑制氨氮在好氧期的氧化，当CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L时，好氧末期氨氮由2.2 mg/L增加到5.4 mg/L。由亚硝态氮和硝态氮的浓度变化可以看出，CuO NP的存在抑制了缺氧期的反硝化过程(见图3(b)和图3(c))，进而导致出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度高于空白组。

图2 CuO NP长期暴露对生物脱氮除磷效率的影响Fig.2 Effect of long term exposure of CuO NP on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal

图3(d)为单位周期中磷酸盐的变化过程。由图3(d)可以看出，CuO NP的存在对厌氧期磷酸盐的释放有严重的抑制作用。在厌氧末期，空白组的磷酸盐为72 mg/L；而在10.0 mg/L CuO NP作用下，磷酸盐为51 mg/L，表明CuO NP的存在能够抑制聚磷菌在厌氧期释放磷酸盐。聚磷菌在厌氧期吸收外碳源贮存在体内，而这一过程需要磷酸盐的释放提供能量，磷酸盐释放量减少导致COD消耗减少，因此CuO NP的存在抑制了COD去除率。

生物脱氮除磷效率与PHA及糖原质的转化有密切关系[14-15]。单位周期内PHA和糖原质的变化情况如图4所示。在厌氧期，微生物消耗COD合成PHA，同时也消耗了糖原质；在好氧期，厌氧期合成的PHA分解产生能量，用于磷酸盐的吸收、氨氮的硝化和糖原质的补给[16]；在缺氧期，PHA进一步分解，产生的能量用于反硝化脱氮。在此过程中，CuO NP 的存在抑制了PHA的合成。在空白组，PHA最大合成量为3.8 mmol/g；而在10.0 mg/L CuO NP作用下，PHA最大合成量为2.8 mmol/g。可见，CuO NP能够抑制PHA合成，减少PHA后续分解过程中产生的能量，抑制了磷酸盐吸收和氮素的硝化/反硝化作用。

表1 CuO NP短期暴露对活性污泥性能的影响

图3 CuO NP对单位周期中氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐变化的影响Fig.3 Effect of CuO NP on the variation of ammonia nitrogen,nitrite nitrogen,nitrate nitrogen and phosphate during one cycle

注：PHA和糖原质摩尔浓度均折算为C摩尔浓度。图4 CuO NP对单位周期中PHA和糖原质变化的影响Fig.4 Effect of CuO NP on the variation of PHA and glycogen during one cycle

糖原质是微生物体内除PHA外的另外一种内碳源，其在厌氧期分解，用于合成PHA；此外，糖原质还是聚糖菌体内的主要碳源。聚糖菌能与聚磷菌争夺有限碳源，从而一定程度上抑制生物脱氮除磷效率。CuO NP为10.0 mg/L时，糖原质在好氧期的合成量高于空白组，说明聚糖菌可能在竞争中成为优势菌种。

表2 CuO NP长期暴露对活性污泥性能的影响

2.4 CuO NP长期暴露对活性污泥性能的影响

表2展示了CuO NP长期暴露对活性污泥性能的影响。当CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L时，SVI平均值由0.32增加到0.62，说明活性污泥膨胀，沉降性明显减弱。纳米ZnO(ZnO NP)与CuO NP结构相似，王树涛等[9]2576-2577发现ZnO NP的存在也能够导致活性污泥沉降性减弱。此外，MLVSS/MLSS正常值一般为0.75左右，CuO NP长期暴露明显降低了MLVSS/MLSS，尤其当CuO NP达到10.0 mg/L时，MLVSS/MLSS平均值仅为0.61，说明CuO NP的存在可能减少了活性污泥中有机质含量。

由表2还可以看出，CuO NP的存在能够降低EPS及EPS中蛋白质和多糖浓度。当CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L时，EPS平均值由405.6 mg/L降低到152.8 mg/L，而EPS中的蛋白质平均值由63.2 mg/L降低到40.8 mg/L，EPS中的多糖平均值由15.4 mg/L降低到9.5 mg/L。可见，CuO NP能够抑制活性污泥中EPS的合成，且CuO NP浓度越高，抑制作用越强。

2.5 CuO NP长期暴露对活性污泥呼吸速率的影响

呼吸速率能够直接反映微生物活性，表3为CuO NP对活性污泥呼吸速率的影响。如表3所示，CuO NP的存在对呼吸速率产生了严重的抑制作用，且CuO NP浓度越高，抑制作用越强烈。当CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L时，呼吸速率由86.4 mg/(h·L)下降至26.8 mg/(h·L)，呼吸抑制率高达69.0%。从CuO NP抑制活性污泥呼吸速率也可以反映出CuO NP的存在减弱了活性污泥性能，与表2的结果一致。

表3 CuO NP对活性污泥呼吸速率的影响

3 结 论

(1) 0～10.0 mg/L CuO NP短期暴露对实际废水生物脱氮除磷效率及活性污泥性能的影响不明显。

(2) CuO NP长期暴露对实际废水生物脱氮除磷效率和活性污泥性能有严重的抑制作用。当CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L时，生物脱氮效率由90.6%下降至79.8%，生物除磷效率由91.6%下降至70.5%，这可能是由于CuO NP的存在抑制了胞内聚合物PHA的合成。

(3) CuO NP的存在能够抑制活性污泥的呼吸速率。当CuO NP为10.0 mg/L时，呼吸抑制率为69.0%。

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StudyontheeffectandmechanismofanewtypepollutantCuOnanoparticleonbiologicalnitrogenandphosphorusremoval

XUZehong,ZHOUMingluo,CHENGXiaodan,GUOZongfeng.

(InstituteofEnvironmentalScienceandEngineeringResearch,YibinUniversity，YibinSichuan644007)

The effect of short term and long term exposure of the new type pollutant CuO nano particle (CuO NP) on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal from real wastewater and its mechanism were investigated in sequence batch reactor (SBR). Experimental results showed that the range of 0-10.0 mg/L CuO NP posed insignificant effect on biological nitrogen and phosphorus removal and the activited sludge performance after short term exposure. However,after 30 d long term exposure,the presence of CuO NP caused a serious inhibitory impact on the biological nitrogen and phosphorus removal,with the higher CuO NP concentration,the greater inhibitory effect. When the level of CuO NP increased from 0 mg/L to 10.0 mg/L,the biological nitrogen removal efficiency decreased from 90.6% to 79.8%,and the biological phosphorus removal efficiency decreased from 91.6% to 70.5%. Further investigation suggested that long term exposure of CuO NP could inhibit the synthesis of intracellular polymer polyhydroxyalkanoates (PHA),thereby affected the subsequent oxidation for energy utilization. Additionally,CuO NP inhibited respiration rate of activited sludge,and the respiration inhibitory rate was 69.0% under 10.0 mg/L CuO NP compared with that in control test.

CuO nano particle; exposure; biological nitrogen and phosphorus removal; intracellular polymer

许泽宏，男，1966年生，硕士，副教授，研究方向为水污染控制技术。

*宜宾学院青年基金资助项目(No.2012S02)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.009

2016-10-27)