纳米银颗粒对膜生物反应器运行性能及硝化细菌丰度的影响

2020-01-14赵群英赵平歌

净水技术 2020年1期

李侃，赵群英，赵平歌

(西安工业大学建工学院，陕西西安 710021)

随着纳米技术的发展，纳米银由于其高效、广谱、作用持久等优良抗菌效果，且不会产生耐药性问题受到广泛关注[1]。然而，对于纳米银的释放并没有定量研究，陈莎等[2]假设纳米银的释放主要随着污水进入到污水处理厂。Kaegi等[3]在研究纳米银在污水处理厂的行为时发现，污水处理厂中5%纳米银随着出水排放。在已知污水厂进水中关于纳米银浓度的报道中，尽管Li等[4]研究表明，纳米银浓度在污水厂进水中浓度小于1.5 μg/L，但Shafer等[5]发现，工业排污使得污水厂进水一定周期内的含银量高达0.1 mg/L。因此，Liang等[6]研究纳米银对活性污泥处理系统中微生物生长及种群结构的影响效应及机制时认为，要考虑瞬间负荷提高的影响。目前，我国有关污水厂进水中纳米银浓度的研究还比较少，但我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)[7]规定，出水中纳米银质量浓度≤0.10 mg/L。在已知报道纳米银颗粒对污泥系统影响的研究中，陈铮等[8]指出纳米银颗粒主要通过杀菌能力影响氨氧化菌的多样性和丰度，从而对环境中氨氧化作用产生抑制效应。然而，关于长期投放低浓度银纳米颗粒对活性污泥硝化菌种群的影响尚不明确。

膜生物反应器(MBR)能高效去除纳米颗粒，且作为膜分离技术与活性污泥法相结合的水处理技术已广泛应用在污水处理中[9]。因此，本研究通过MBR观察0.1 mg/L纳米银与活性污泥和污水长期接触后，对硝化菌群的丰度和污水处理效果的影响。

1 材料与方法

1.1 纳米银的制备

本研究通过改进后的化学还原法来制备纳米银悬浮液(7.8 μmol/L或8.60 mg/L)[10]。将8.5 mL浓度为28 mmol/L的硼氢化钠(NaBH4)溶液加入到490 mL浓度为0.6 g/L的聚乙烯醇溶液(PVA)中，并放在转速为700 r/min的磁力搅拌器上进行搅拌，再向该混合液滴入2.8 mL浓度为14 mmol/L的硝酸银(AgNO3)溶液，滴入速度为2滴/s，制备好的纳米银悬浮液呈亮黄色。

1.2 试验装置

试验装置为由有机玻璃制成的MBR反应器(图1)，总有效体积为7.2 L，主要包括通过塑料挡板分隔成的缺氧区(1.8 L)和好氧区(5.4 L)，挡板底部的孔洞使缺氧区的混合液流向好氧区。好氧区的活性污泥通过污泥泵回流至缺氧区中。聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件淹没在好氧区内，并通过组件底部的孔隙向好氧室曝气，出水通过水泵以2倍的进水流速排出反应器外。

图1 MBR系统示意图Fig.1 Diagram of MBR System

1.3 试验用水

试验用水采用人工模拟废水[11]，含500 mg/L化学需氧量(CODCr)，51.7 mg/L总氮(TN)，30 mg/L 氨氮，6 mg/L总磷(TP)。进水中其他营养素如下：31.40 mg/L MgSO4，27.70 mg/L Na2HPO4，10.60 mg/L CaCl2，0.80 mg/L CuSO4，0.96 mg/L ZnSO4以及0.15 mg/L NiSO4，pH值维持在8左右。

1.4 MBR的运行和监测

MBR反应器水力停留时间为12 h，污泥龄为140 d，在投加银纳米颗粒前，MBR系统污泥(MLSS)的平均浓度为5 682 mg/L。在出水COD去除率稳定在95%左右后，向缺氧区加入纳米银溶液，流速为0.12 mL/min，使得进水中纳米银的浓度为0.10 mg/L。向MBR反应器加入纳米银持续时间为61 d，在整个运行周期，检测COD、氨氮、硝态氮、亚硝态氮和TN[12]，以及硝化细菌的丰度。

1.5 DNA的提取

为检测硝化菌群落结构，以及投加纳米银前后的抗银基因拷贝数量，从好氧室取出少量泥样，按照土壤基因组DNA提取试剂盒说明书的操作方法对上述泥样进行DNA的提取。随后用1%的琼脂对5 μL提取好的DNA溶液进行凝胶电泳检测，其余样品保存在-20 ℃冰箱中。

1.6 实时定量PCR

为了考察投加纳米银前后氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)细菌丰度的变化，对投加前后的污泥进行定量PCR试验。采用25 μL反应体系，其中SYBR®Green PCR Master Mix (Applied Biosystems, NJ, U.S.)为12.5 μL，10 μmol/L的引物各1 μL，2 μL DNA样品和一定量的灭菌超纯水。引物序列如表1所示。

采用反应程序：预变性温度为95 ℃，2 min；变性温度为95 ℃，15 s；退火温度为58 ℃，30 s，延伸温度为72 ℃，30 s，40个循环。PCR反应完后，用2%琼脂糖凝胶电泳试验来检测目标基因，Marker 为50 bp DNA step ladder(promega, USA)。

表1 目标菌种PCR引物及反应程序Tab.1 Primers and Reaction Process for PCR Target Bacteria

1.7 银的分析

从MBR反应器的好氧区取出5 mL活性污泥，并在200 ℃下利用HNO3测定混合液中固相的总银浓度[16]。

2 结果与讨论

2.1 对污染物去除效果的影响

在MBR系统运行60 d后，向反应器持续投加61 d的纳米银溶液并观察各水质指标的变化。投加纳米银前后系统对COD去除效果如图2所示。由图2可知，系统出水CODCr在投加纳米银前平均浓度为23.9 mg/L，投加纳米银后出水CODCr浓度增至29.6 mg/L，平均去除率由95.4%降至94.1%。在投放纳米银的60 d后，MBR系统出水中COD的去除有微弱的降低。

图2 投放纳米银前后COD的去除效果Fig.2 Effect of COD Removal before and after Continuous Dosing of Silver Nanoparticles

氨氮在水中以水合离子的形式存在，膜对氨氮的去除主要靠膜拦截累积的大量硝化细菌和亚硝化细菌对氨氮的硝化作用[17]。为保证对氨氮的去除效果，维持MBR系统中较高的MLSS浓度(5 682 mg/L)和较长时间SRT(140 d)，因此，出水中没有检测到氨氮的浓度。

图3为MBR系统中亚硝态氮和硝态氮在投加纳米银前后的变化。由图3可知，在投放纳米银前后硝态氮的平均浓度分别为12.5 mg/L 和13.2 mg/L，亚硝态氮的平均浓度分别为0.020 mg/L和0.016 mg/L。在长期投放纳米银后，出水中各类氮的浓度并未发现明显变化。

图3 MBR中投放纳米银前后亚硝态氮和硝态氮的去除效果Fig.3 Effect of and Removal before and after Continuous Dosing of Silver Nanoparticles

MBR中投放纳米银前后TN的去除效果如图4所示。在该试验中，在投加纳米银前后，系统出水TN的平均浓度分别为13.0 mg/L和13.5 mg/L，TN的去除率为71.8%～78.6%。郑祥等[18]研究发现，MBR系统的硝化作用下，出水中硝态氮成为TN的主要成分，试验结果与研究报道相符。

图4 MBR中投放纳米银前后TN的去除效果Fig.4 Effect of TN Removal before and after Continuous Dosing of Silver Nanoparticles

2.2 菌群的丰度

由于几乎所有的银都会吸附到MBR的污泥中[19]，本试验通过定量PCR研究投加纳米银前后AOB和NOB丰度的变化(图5)。

图5 功能微生物定量结果Fig.5 Quantitative Results of Functional Microbes

由图5可知，本研究AOB基因定量分析的数量级在107左右，与其他污水处理系统中AOB的研究结果基本一致[20]，但略低于个别研究[21]。对NOB定量结果显示，本研究的MBR处理系统中硝化螺旋菌(Nitrospira)是NOB菌群中的优势菌群，丰度要比硝化杆菌(Nitrobacter)几乎高出一个数量级，这与其他城市污水处理系统的研究报道[22]相符。因此，对于AOB和NOB丰度而言，投加纳米银前后，反应器内AOB和NOB的基因数量没有明显的变化，且处于同一数量级，主要脱氮菌AOB和NOB基本保持不变，系统在投加纳米银前后能够维持脱氮能力不变，这与本文2.1节所述相符。

2.3 银离子的变化规律

研究报道表明[23]，纳米银释放出的银离子被认为是纳米银的抗菌机制。图6为MBR反应器的好氧区的活性污泥中银离子的变化。在纳米银投加过程中，活性污泥中的银离子浓度的增长与纳米银负荷的连续变化呈线性上升。然而，在好氧区的上清液中并没有检测到银(银的检测限为0.2 μg/L)，这说明MBR中膜截留的活性污泥可以吸收大部分的银负荷，结合2.2节菌群的丰度，可进一步说明投加微量纳米银对微生物种群没有明显的影响。