纳米ZnO浓度对EBPR系统除磷性能的影响

2020-04-28施延君董树杰胡亚琴陈孝孝

能源环境保护 2020年2期

施延君，董树杰，陈英，胡亚琴，李琦，陈孝孝

(1.杭州余杭经济技术开发区产业服务中心，浙江杭州 311199；2.浙江裕腾百诺环保科技股份有限公司，浙江杭州 311199；3.浙江省工业环保设计研究院有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

随着工农业发展和人民生活水平的提高，我国磷污染物的排放量急剧增加[1-2]。由于磷的过量排放而引起的水体富营养化对农业、渔业、旅游业等诸多行业已产生严重危害，也对饮水卫生和食品安全构成了巨大的威胁[3-5]。如何快速有效地提高污水处理厂的除磷效率已成为目前水处理领域亟待解决的问题[6]。EBPR工艺是目前广泛接受和认可的经济有效的生物除磷工艺，该工艺要求厌氧和好氧交替运行以富集聚磷菌[7](Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)。PAOs在EBPR系统中起关键除磷作用。然而，PAOs对底物和环境条件十分敏感，容易受进水中含有的有毒有害物质所抑制从而导致EBPR系统的除磷效率下降甚至完全丧失。因此，为了提升EBPR系统运行的稳定性，探明各种抑制因子对EBPR系统的作用机制是当前污水生物除磷领域的研究热点。

纳米材料在工业生产和日常生活用品(如半导体和化妆品)中的广泛应用，使其无可避免的进入到了市政污水中，进而进入污水处理厂。很多纳米颗粒具有抗菌性(比如ZnO NPs、Ag NPs、TiO2NPs)，因此纳米颗粒可能会给污水处理厂的正常运行造成冲击。而其中ZnO NPs是使用广泛、毒性较强的典型金属氧化物纳米材料，其大规模的使用也增加了其进入生态环境的可能性。因此，充分了解ZnO NPs对EBPR系统的作用是十分有必要的。

1 材料与方法

1.1 驯化污泥

实验采用有效容积为10 L的SBR反应器，以乙酸作为单一碳源富集PAOs。反应器接种的活性污泥取自杭州市某污水厂的沉淀池。反应器每天运行4个周期，每周期运行6 h，其中厌氧2.5 h、好氧3 h、沉淀20 min、排水5 min、进水5 min。每个周期进水2.5 L，出水2.5 L，反应器内污泥浓度维持在2 500±200 mg·L-1，水力停留时间为24 h，污泥停留时间为10 d。反应器内的pH在7.5±0.5之间。

系统中每升配水组分：32.5 mg CH3COONa；17.5 mg KH2PO4；29.325 mg K2HPO4；5.90 mg NH4Cl；2.25 mg MgSO4·7H2O；0.55 mg CaCl2；0.1 mg ATU和15 μL微量元素。

每升微量元素组分[8-9]：10 g EDTA；0.15 g H3BO3；0.03 g CuSO4·5H2O；0.18 g KI；0.12 g MnCl2·4H2O；0.0438 g H8MoN2O4；0.12 g ZnSO4·7H2O；0.15 g CoCl2·6H2O；1.5 g FeCl·6H2O。

1.2 批次试验

1.3 分析方法

1.3.1 测试方法

1.3.2 参数分析方法

ZnO NPs对EBPR系统释磷、吸磷的抑制关系可以通过非竞争性抑制模型对比拟合得到[13]，见式(1)：

(1)

由式(1)可得式(2)：

(2)

式中：

qeff是在不同抑制因素下的EBPR系统的速率，mg/(gVSS·min)；

q是在不含抑制因子的(即空白对照组)EBPR系统的速率，mg/(gVSS·min)；

KI是在抑制因子冲击下的EBPR系统的抑制系数，L/(gVSS·min)；

I是抑制因子浓度，mg/L。

2 结果和讨论

2.1 ZnO NPs对颗粒化EBPR系统除磷性能的影响

2.1.1 对除磷性能的影响

2.1.2 对COD去除性能的影响

不同浓度的ZnO NPs对COD的影响如图2所示。由图2可见，0 ～ 15 mg·L-1的ZnO NPs对EBPR系统1个周期的COD的消耗有略微影响。随着ZnO NPs浓度的增加，EBPR系统在厌氧阶段中的COD的消耗而不断减少。但是在75 min时5个试验组和空白组的COD浓度都已降为0。

从上述结果可以得出结论，在试验运行1个周期的过程中，厌氧阶段的COD消耗速率随着EBRP系统中ZnO NPs的浓度增加而降低。但在75 min时EBPR系统内COD浓度均为0，这说明虽然ZnO NPs加入对EBPR系统中PAOs对COD的吸收有抑制作用但并没有显著的影响。

2.2 ZnO NPs对颗粒化EBPR系统动力学参数的影响

从图3中我们可以看出，随着系统中的ZnO NPs浓度不断增加，整个周期的厌氧释磷、好氧吸磷始终存在。当ZnO NPs浓度为1 mg/L时，厌氧释磷速率和好氧吸磷速率都比空白对照组释、吸磷速率高。但当浓度>1 mg/L时，随着ZnO NPs浓度的增加厌氧释磷速率和好氧吸磷速率都逐渐减小。当ZnO NPs浓度为15 mg/L时，厌氧释磷速率降低至0.53 mg/(gVSS·min)，好氧吸磷速率降低至0.47 mg/(gVSS·min)，相比于空白对照组分别减少了约0.1 mg/(gVSS·min)、0.15 mg/(gVSS·min)。可以看出在不同浓度的ZnO NPs冲击下EBRP系统的释磷速率、吸磷速率与ZnO NPs浓度呈线性关系，通过对比拟合我们可以得到低浓度ZnO NPs对EBPR系统的厌氧阶段释磷速率为0.015 6 L/(gVSS·min)，好氧阶段吸磷速率为0.024 5 L/(gVSS·min)，用式(2)进行拟合，得到的抑制系数为：KI-re= 64.10、KI-ab= 40.82。

从上述结果可以得出结论，在试验运行1个周期的过程中，当ZnO NPs浓度>1 mg/L时，EBPR系统的厌氧释磷速率、好氧吸磷速率都ZnO NPs的浓度增加而不断降低，这说明加入的ZnO NPs对EBPR系统中的厌氧释磷及好氧吸磷有抑制作用，且从抑制系数KI-re和KI-ab可知，厌氧释磷过程比好氧吸磷过程对于ZnO NPs的毒性更加敏感。但在厌氧/好氧阶段，0 ～ 15 mg/L的ZnO NPs与空白对照组相比，EBPR系统的厌氧释磷速率/好氧吸磷速率差异并不大，这说明虽然低浓度ZnO NPs对EBPR系统中厌氧释磷及好氧吸磷有抑制作用但并没有显著的影响。