单壁碳纳米管对活性污泥性能的影响研究

郭洪霞，刘 群

（安徽三联学院 教务处，安徽 合肥 230601）

纳米材料（NMs）凭借其优良的理化性质被广泛应用于半导体材料、染料、化妆品、水处理、医药、电子产品等各个领域。随着进一步研究和应用，人们意识到纳米材料的环境效应也不容忽视，特别是碳纳米管的潜在负面影响日益受到人们的关注[1,2]。研究表明，碳纳米管对微生物具有显著的毒性效应。体外研究显示，单壁碳纳米管（SWNTs）可以跟大肠杆菌（E. coli.）发生相互的作用从而使得生物膜的形成受到抑制[3]。也有研究表明[4]，经过近红外激光处理浓度为50 μg·mL-1的SWNTs即可使沙门氏菌的生长减少55.5%。

碳纳米材料通过工业废水和生活污水等途径进入到以活性污泥法为主的城市污水处理系统，与活性污泥中的复杂混合菌群产生相互作用，进而影响污水处理过程和效果[5]。因此，探究碳纳米管对活性污泥系统的影响显得尤为重要。目前关于碳纳米材料对活性污泥系统影响的研究较为少见。Yin和Zhang等[6]研究发现，270 mg·L-1SWNTs对活性污泥反应器的冲击负荷试验表明，SWNTs对污水处理系统无显著影响。然而 Luongo等[7]研究表明，多壁碳纳米管（MWNTs）能够抑制活性污泥的呼吸作用，且随着MWNTs浓度的增加其抑制作用增强。王玉琳等[8]报道了碳纳米管长期（120 d）作用对活性污泥生物脱氮效果存在明显的抑制。Goyal等[9]发现SWNTs对活性污泥中鞘脂单胞菌科产生较明显的抑制作用。Yin等[10]发现SWNTs对SBR反应器内有机物有明显的吸附作用，在添加SWNTs的反应器中，sCOD去除率较对照组提高了18%。Kang等[11]研究表明，更短的、分散性更好的碳纳米管对污水处理厂的出水微生物毒性更高。

本研究以活性污泥作为研究对象，考察不同浓度的SWNTs对活性污泥的呼吸作用、微生物可溶性产物（SMP）、底物降解、污泥沉降性以及Zeta电位的影响，为处理含SWNTs的污水提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

SWNTs由成都爱法纳米技术有限公司提供，其中各项基本数据是：d平均=1-2 nm，l=5-20 μm，ω(SWNTs)＞95%。试验所用化学试剂均为AR级或以上。

1.2 SWNTs分散体系的制备

精密称取两份250 mg和750 mg的SWNTs，分别加入到4个装有50 mL去离子水的烧杯中。在冰浴下磁力搅拌并超声处理 30 min后继续在常温下磁力搅拌 24 h，分别得到 5 g·L-1和 15 g·L-1的SWNTs的分散体系各2份。样品临用前采用超声分散10 min。

1.3 活性污泥培养和污水水质

接种活性污泥由合肥市望塘污水处理厂提供，取回后的污泥经人工配置污水在 SBR反应器中驯化一周后使用。试验开始前，驯化的活性污泥经饮用水清洗三遍，再加0.1 mol·L-1NaOH将混合液pH调至6.0～8.0。调整污泥混合液挥发性悬浮固体浓度（MLSS）为3 000 mg·L-1待用。

采用人工配置的模拟污水。将乙酸钠作为碳源，COD浓度控制在 500 mg·L-1，NH4Cl提供氮源，NH4+-N（游离态氨）浓度为25 mg·L-1，其他营养物质浓度为：K2HPO430 mg·L-1，CaCl225 mg·L-1，MgSO420 mg·L-1，人工配水中 C：N：P的比例维持在 100：5：1，同时加入一定量的微量元素，配水pH值由NaHCO3调节为7.2～7.5。

1.4 3, 5-二氯苯酚贮备液的配制

取1 mol·L-1NaOH溶液10 mL，向其中加入0.5 g 3, 5-二氯苯酚搅拌溶解，再用蒸馏水将溶液体积稀释到约30 mL，边振荡边加入0.5 mol·L-1的H2SO4溶液，直到刚出现沉淀，最后用蒸馏水定容至 1 L。得到 pH7～8，浓度为 500 mg·L-1的3, 5-二氯苯酚贮备液。

1.5 SWNTs对活性污泥呼吸抑制试验

采用 EPA标准方法[12]，将 3,5-二氯苯酚作为参比物，探讨不同浓度的 SWNTs对活性污泥的呼吸速率影响。试验在8个序批式反应器中进行，每个反应器有效容积为1 L，各加入活性污泥200 mL，人工配水体积16 mL以及所需试剂，然后用去离子水将各反应器混合液补足到500 mL。不同反应器中试剂所用量和所得反应混合液浓度见表1。其中参照组实验中加入试剂为 3,5-二氯苯酚，实验组实验中加入试剂为SWNTs分散体系。空白实验中，不加入任何试剂。

表1 各反应器中所加试剂和反应混合液浓度

反应器在（20±2）℃条件下运行，曝气反应时间为3 h。试验中每隔30 min从反应器中快速抽取15 mL混合液，高速离心后用0.45 μm醋酸纤维滤膜进行过滤操作，将滤液在4 ℃下保存待用。取曝气3 h后的反应器混合液利用溶解氧仪测定溶解氧浓度，测定时间为8 min。

根据反应器溶解氧测定值绘制溶解氧与测定时间的关系曲线，并对曲线做线性回归得到斜率值即为活性污泥呼吸速率R。受试物对活性污泥的呼吸抑制率计算公式如下

式中，I%——受试物（SWNTs或3, 5-二氯苯酚）的呼吸抑制率，%；RS——某浓度受试物作用下活性污泥的耗氧速率（mg·L-1·h-1）；RC1——空白组 1 活性污泥耗氧速率（mg·L-1·h-1）；RC2——空白组 2 活性污泥耗氧速率（mg·L-1·h-1）。

1.6 分析方法

蛋白质和腐殖质采用改进的 Lowry法试剂法测定，乙酸浓度采用气相色谱仪测定，污泥体积指数（SVI）、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）、混合液悬浮固体浓度（MLSS）以及化学需氧量（COD）等指标参照《水和废水监测分析方法》来进行测定[13]。选用 Zeta电位测量仪确定污泥的Zeta电势。每一试样测定6次，结果用95%的置信区间来进行表示。

2 结果与分析

2.1 SWNTs对活性污泥呼吸作用的影响

不同质量浓度的SWNTs对活性污泥溶解氧影响见图1。

图1 不同质量浓度SWNTs对活性污泥溶解氧影响

由图1数据计算呼吸速率和呼吸抑制速率数值列于表2。

表2 SWNTs对活性污泥的呼吸抑制作用

如表2所示，3, 5-二氯苯酚对活性污泥的呼吸速率具有明显抑制作用，且氯酚浓度越高，呼吸抑制作用越明显。当氯酚质量浓度为15 mg·L-1时，其呼吸抑制率能够达到72.44%。加入SWNTs的活性污泥的呼吸作用也受到不同程度的抑制，抑制作用随着SWNTs质量浓度的升高而逐渐增强但非等比例增加。这一试验结果与王玉琳等[8]人研究结论一致。有研究表明，纳米材料的这种呼吸抑制作用主要是通过其脂质过氧化和氧化应激作用对微生物细胞膜和DNA产生破坏作用[14-16]。

2.2 SWNTs对底物降解影响

图2为SWNTs加入后底物的降解情况。

图2 SWNTs对底物降解的影响

从图2可以看出，空白组乙酸钠的浓度随着时间的延长呈直线下降。加入参比物后，污泥的活性受到了不同程度的抑制，乙酸钠的降解速率明显低于空白组，参比物浓度越大，乙酸钠降解降低得越多。与空白组相比，加入SWNTs后，乙酸钠的降解速率没有显著性变化。说明SWNTs对活性污泥产生一定的呼吸抑制作用，但对底物的降解速率没有显著影响。

2.3 SWNTs对污泥SMP的影响

活性污泥 SMP是污水生物处理中有机物质的主要成分，对出水水质有着重要影响。SMP组成成分包括多糖、蛋白质、腐植酸、富里酸等多种化合物，在传统方法处理的废水中，依然有一些可溶性的有机组分残留，这些有机组分包括处理过程中活性污泥产生的 SMP和没有消耗掉的底物。

图3为水样中SMP各组分含量测定结果。

图3 SWNTs对SMP中各组分影响

由图 3可见，3, 5-二氯苯酚的加入使污泥SMP产生的量急剧增加。当质量浓度为15 mg·L-1的3, 5-二氯苯酚混合入活性污泥后，污泥产生的总 SMP 由 6.14 mg·L-1增加到 15.21 mg·L-1。这是由于有毒物质促使微生物产生大量的SMP[17]。加入SWNTs的实验组，SMP的量比空白组小。这是由于SWNTs能够吸附水中所含有的多糖和蛋白质等组分特别是对于腐殖酸来说，其吸附作用更为明显。

另外，从图 3中还可看出不同质量浓度的SWNTs对 SMP的吸附量基本一致，都在 55%左右。

2.4 SWNTs对活性污泥沉降性影响

活性污泥体积指（SVI）数是指活性污泥混合液，经过沉淀 30 min后，每单位质量的干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，是衡量污泥沉降性的重要指标之一，SVI值越高，说明污泥沉降性能越差。

图4 SWNTs对活性污泥沉降性影响

由图4可见，加入参比物3, 5-二氯苯酚后，活性污泥沉降性能变差，但是不同的浓度下污泥沉降性能差别不大。而 SWNTs对活性污泥沉降性影响显著，当其浓度由500 mg·L-1升高到1 500 mg·L-1，活性污泥 SVI由 169 mL·g-1升高到217 mL·g-1，污泥沉降性能分别降低 18.9%和52.5%。因此，SWNTs能使活性污泥沉降性变差。

2.5 SWNTs对活性污泥Zeta电位影响

表3 SWNTs作用后活性污泥Zeta电位变化

赵敏等人[18]的研究显示，活性污泥表面电荷和其体积指数之间存在正比关系，也就是说，如果活性污泥有着较高的 Zeta电位，其 SVI值会增加，沉降性能就会降低。SWNT作用后活性污泥Zeta电位数值列于表3。

从表3可知，加入SWNTs后活性污泥的Zeta电位都发生了负移，且负移程度随着SWNTs浓度增加而增加。这与图4中，污泥沉降性能随着SWNTs浓度增加而变差的规律刚好对应。这是由于活性污泥的EPS被SWNTs吸附，使得EPS组分之间的比例发生改变，进而使活性污泥的相对疏水性和 Zeta电位跟着发生了改变，影响到了污泥的表面特性[19,20]。

3 结论

500 mg·L-1和 1 500 mg·L-1SWNTs对活性污泥短期作用后，对活性污泥会产生呼吸抑制效应，呼吸抑制率分别为14.80%和21.56%。活性污泥对底物降解速率并未受到SWNTs的显著影响。SWNTs的存在使污泥Zeta电位向负方向增大，降低了活性污泥的沉降性能。

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