納米TiO2對污水生物脫氮除磷的影響

李大鵬，崔福義，楊曉南，李慧婷

（哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150090）

納米材料因其特有的納米尺度和納米結構而具有優越的磁性、導電性、反應活性和光學性質，已廣泛應用于工業、醫藥等領域［1－2］.2003年以來，“Science”，“Nature”等著名雜志先后刊登了評論員文章，呼吁加強納米材料的環境行為和生態效應研究［3－4］；2005年，美、英等國的環保部門制訂并啟動了納米材料環境行為、生態效應的研究計劃［5－6］.近來，越來越多的研究證實，納米材料具有一定的生物毒性［7］，被認為是一類潛在的新型污染物.已有研究表明，人們的生產和生活過程中都會導致納米TiO2進入到環境中［8－9］，尤其是水環境中［10］.Kaegi等發現，納米TiO2顆粒在受到雨水沖刷后，可以從涂漆過的房屋外墻被雨水沖落，最后排入水環境中［11］，其中檢測到的＜100nm 的納米TiO2密度達3.5×108個／L.

城市污水處理廠是環境中污染物重要的集中處理場所，而納米材料還可能通過生產事故、突發污染、生產廢水的泄漏或偷排等途徑進入到地表水或江河中，從而以污水為載體進入城市污水廠，最終富集在活性污泥中［12］.Paul Westerhoff等同時對10座具有代表性的污水處理廠的進水和活性污泥中納米TiO2的濃度進行了跟蹤監測［13］，結果顯示：進入污水廠前，市政污水中納米TiO2的最高值為1 233μg／L；經過處理后，活性污泥中富集的納米TiO2最高可達802μg／kg.

本文以納米TiO2為研究對象，將不同濃度梯度的納米TiO2投加到SBR 反應器體系中，考察不同質量濃度的納米TiO2在較短時間內對污水生物脫氮除磷過程及活性污泥的影響情況，以為深入研究納米材料對水環境的潛在危害提供理論基礎.

1 研究方法

1.1 SBR 反應器的設計

為考察短時、高質量濃度投加納米TiO2對SBR 系統脫氮除磷及微生物群落的影響，在一臺ZR4－6混凝試驗攪拌機的基礎上，加入光源、加熱裝置、曝氣裝置，用以模擬構建同步運行的6個小型SBR 反應器裝置，同時監測6個不同納米TiO2濃度下，反應器內各項指標的實時變化情況.所構建的小型六聯同步SBR 反應器裝置如圖1所示.

圖1 小型六聯同步SBR 反應器裝置

1.2 納米材料的準備及其性狀表征

實驗用納米TiO2購自美國Sigma－Aldrich公司.

不同濃度納米TiO2懸濁液的配置：首先配制儲備液，將5g／L，0.5g的納米TiO2溶于100mL超純水中，350 W 超聲20min備用；然后將配好的納米材料溶液，分別取出10 mL，115℃，30 min滅菌備用；最后將滅好菌的納米TiO2懸濁液母液稀釋，配置成質量濃度分別為0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的納米TiO2懸濁液備用.

采用英國Malvern Instrument公司生產的Malvern Nano－S納米粒度分析儀對此納米顆粒樣品進行粒度分布分析，結果見圖2.結果分析顯示，實際分散于水溶液體系中的納米TiO2顆粒的粒徑主要介于70～90nm 和200～300nm 之間，這與Sigma－Aldrich公司產品說明書標示的25nm 有較大出入.

圖2 納米TiO2 在超純水中的粒度分布

1.3 污泥來源及性質

實驗用活性污泥取自哈爾濱市太平污水處理廠二沉池，其MLSS和MLVSS分別為2.76g／L 和1.94g／L.考慮到此實驗的目的是考察短時、高濃度梯度投加納米TiO2對活性污泥穩定性造成的沖擊情況，故未對活性污泥進行稀釋和人工再培養，以真實反映實際情況.

1.4 SBR 反應器運行參數及設置

納米TiO2懸濁液的投加方式：首先，量取新鮮的活性污泥分別加入體積為1L的6只燒杯中，每只燒杯加入污泥量為800mL；然后將不同質量濃度的納米TiO2懸濁液同時加入至6只燒杯中并攪拌混勻，運行反應器.

6個小型SBR 反應器運行參數設置為同步運行，運行溫度控制在25℃，運行周期為6h，其中厭氧2.5h、曝氣2h，厭氧1h、沉淀0.5h.隔15min取一次樣測定溶解氧（DO）及pH 值；隔30min取一次樣測定NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P的濃度.

1.5 溶解氧（DO）和pH 值的測定

使用德國WTW 公司生產的Multi350i型便攜式多參數（pH／DO／Cond）測定儀測定DO 和pH 值.

1.6 系統體系內NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P的測定

采用納氏試劑光度法測定體系中氨氮（NH＋4—N）的含量；采用麝香草酚法測定體系中硝酸鹽（NO－3—N）的含量；采用鉬酸鹽分光光度法測定體系中磷酸鹽（PO3－4—P）的含量.

1.7 活性污泥中微生物群落的PCR－DGGE分析

采用MO－BIO PowerSoil? DNA Isolation Kit Components試劑盒提取活性污泥中微生物樣品的DNA；DGGE分析采用美國伯樂Bio－rad變性梯度凝膠電泳儀.

1.8 SEM 樣品的制備

固定：挑取一小塊兒污泥，用2.5%戊二醛（pH＝7.2）4℃條件下固定1.5h，以防止細菌等微生物體在后續脫水過程中變形.

沖洗：用0.1mol／L磷酸緩沖液（pH＝7.2）清洗3次，每次10min.

脫水：用50%，70%，90%，100%，100%，100%的乙醇進行梯度脫水，每次10～15min.

置換：用100%乙醇／叔丁醇（V乙醇∶V叔丁醇＝1∶1）和純叔丁醇各置換一次，每次15min.

干燥：用ES－2030（HITACHI）型冷凍干燥儀對樣品進行干燥（24h以上）.

粘樣：將樣品觀察面朝上，用導電膠帶粘在掃描電鏡樣品臺上.

鍍膜：用E－1010（HITACHI）型離子濺射鍍膜儀在樣品表面鍍上一層15nm 厚的金屬膜，時間20min.

將處理好的樣品放入樣品盒中待檢.

2 結果與討論

2.1 SBR 反應器體系內溶解氧和pH 值的變化

由于取樣間隔時間較短，為降低實驗誤差，采用6只相同的Multi350i型多參數測定儀同時測定DO 和pH 值，結果見圖3和圖4.如圖3所示，6個微型SBR 反應器中，在周期運行的厭氧階段，溶解氧的值一直維持在1mg／L左右，隨著曝氣階段開始，在COD 降解過程中，DO 出現平臺.這是因為在恒定曝氣量的條件下，有機污染物被微生物不斷氧化降解，微生物降解有機物過程的OUR（oxygen uptake rate，氧吸收率）基本不變，所以DO 出現平臺.從圖中可以看出：未投加TiO2的SBR 反應器內溶解氧隨曝氣時間的增加未發生明顯變化，基本維持在2mg／L左右；而投加了TiO2的SBR 反應器內溶解氧隨投加的TiO2質量濃度增加而增加，這可能是由于TiO2的光催化活性促進了COD 的降解.

圖4所示為SBR 反應器體系一個周期內pH 值的變化，6個微型SBR 反應器中的pH 值變化趨于同步，隨著反應器的持續運行，從30min的7.4～7.6增高至150min的8.0～8.2，然后下降至300min的7.6左右，趨于平穩.pH 在COD 降解過程中不斷大幅度上升，這是因為：（1）異養微生物對有機底物的分解代謝和合成代謝均可產生CO2，CO2溶解在水中可導致pH 下降，但是曝氣過程不斷地將產生的CO2吹脫，這就引起了pH 值的大幅上升；（2）好氧微生物降解了廢水中的有機酸引起pH 值的上升.

圖3 SBR 反應器體系一個周期內溶解氧的變化

圖4 SBR 反應器體系一個周期內pH 值的變化

當COD 降解停止時，pH 曲線出現轉折點（見圖4中150min的拐點），并開始不斷下降，這是因為硝化反應過程中產生了H＋.pH 的下降一直進行至硝化反應的停止或結束，然后pH 會迅速上升，繼而維持不變或在硝化反應結束時就基本維持不變.pH 迅速上升的原因是因為堿度含量大于硝化所需，曝氣吹脫了CO2；pH 在硝化反應停止時就維持不變，是因為堿度不足或沒有剩余［14］.

2.2 納米TiO2 質量濃度對反應體系中NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P去除的影響

不同納米TiO2質量濃度對反應體系中NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P 去除的影響結果見圖5—圖7.

由圖5可知，隨著加入6個微型SBR 反應器體系內TiO2質量濃度的增加，NH＋4—N 的去除率均比未投加TiO2的要高，這可能是由于TiO2具有較高的氧化活性，在光催化條件下，氧化能力進一步提高，使NH＋4—N 逐步氧化，導致NH＋4—N 的去除率有所提高.但不同質量濃度的納米TiO2對反應體系中NH＋4—N 的去除趨勢大體相同.

圖5 不同濃度納米TiO2 對反應體系中NH＋4 —N 的影響

圖6 不同濃度納米TiO2對反應體系中 NO－3 —N 濃度變化的影響情況

不同質量濃度的納米TiO2對反應體系中NO－3—N 的影響情況如圖6所示，前5個微型SBR 反應器體系內TiO2的質量濃度分別為0，125，250，500和1 000mg／L，隨著反應的持續進行，體系內硝酸鹽含量的變化趨勢基本相同；但當納米TiO2質量濃度為2 000mg／L時，體系內硝酸鹽含量在反應體系運行120min后，開始大幅增加，到270min時達到1.2mg／L的最大值，說明當TiO2的質量濃度增大到2 000mg／L時開始對硝酸鹽還原細菌產生較大的毒害作用，致使硝酸鹽得不到轉化，產生硝酸鹽大量積累的現象.

不同質量濃度納米TiO2對反應體系中PO3－4—P濃度變化的影響情況如圖7所示.前5個微型SBR 反應器體系內TiO2的濃度分別為0，125，250，500 和1 000mg／L時，隨著反應的持續進行，體系內磷酸鹽含量的變化趨勢基本相同；但第6個微型SBR 反應器體系內TiO2的質量濃度為2 000mg／L，體系內磷酸鹽含量從反應的開始階段一直到反應結束始終處于一個較低的水平，說明當TiO2的質量濃度增大到2 000mg／L時可對聚磷菌產生了較大的毒害作用，致使聚磷菌不能夠有效放磷.

前期的研究曾對有無光照條件下納米TiO2對SBR 反應器處理污水的脫氮效果影響進行了考察［15］，結果表明：在有無光照條件下，低質量濃度的納米TiO2均不會對SBR 反應器中污水的脫氮效果產生影響；然而當納米TiO2質量濃度較高時，無論有無光照納米TiO2均會對SBR 反應器中污水的脫氮效果產生影響，這與本實驗的結果是一致的，然而具體機制有待于進一步考察.

圖7 不同濃度納米TiO2對反應體系中 PO3－4 —P濃度變化的影響

2.3 納米TiO2 質量濃度對活性污泥中微生物群落變化的影響

在納米TiO2質量濃度分別為0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的6個微型SBR 反應器的活性污泥中提取細菌DNA，并進行PCR－DGGE圖譜分析，結果如圖8所示.從結果可以看出，樣品1至樣品6的條帶清晰完整，數量基本相同，條帶的顏色深淺也無大的變化，說明短時、高濃度梯度投加納米TiO2對SBR 系統中微生物種群多樣性無明顯影響.

此外，在前期的研究中，連續7d 逐漸遞增納米TiO2在SBR 反應器中的質量濃度，通過PCRDGGE的方法，考察了納米TiO2對SBR 反應器中微生物種群多樣性的影響.結果表明，在逐漸向反應器中加入納米TiO2后，活性污泥中種群多樣性受到了較明顯的影響，種群數量明顯減少，結合納米TiO2對脫氮效果的影響，發現納米TiO2對于SBR 反應器中污水脫氮效果的影響主要是源于對活性污泥中微生物種群數量及種類的影響［15］.結合當前的實驗結果，表明納米TiO2如發生突發性大量泄露于污水處理裝置時，其短時對處理裝置中的微生物群落不會產生影響，然而當納米TiO2發生長期連續累加時，微生物群落將會受到影響進而會影響生物反應器對污水的處理效果.

圖8 表征活性污泥中微生物群落變化的PCR－DGGE圖譜

2.4 不同質量濃度納米TiO2 對活性污泥微觀形貌和微生物形態的影響

采用SEM 的手段表征納米TiO2存在下活性污泥的微觀形貌和微生物形態，結果如圖9所示.圖9中，白色顆粒狀物體為納米TiO2，納米TiO2顆粒覆蓋在活性污泥內菌體的表面，可以看出，納米TiO2并沒有對污泥基本形貌和細菌形態造成大的破壞作用，菌體相對飽滿，菌體結構相對完整.

圖9 表征活性污泥微觀形貌和微生物形態的SEM 圖

3 結論

（1）在SBR 反應器一個運行周期（6h）內，質量濃度低于2 000mg／L 的納米TiO2對體系內DO，pH，NH＋4—N 的濃度變化影響不大；當納米TiO2的質量濃度為2 000mg／L 時，對體系內NO－3—N，PO3－4—P的濃度變化產生了較大影響.

（2）PCR－DGGE結果顯示，短時、高濃度梯度投加納米TiO2對SBR 系統中微生物種群多樣性無明顯影響.

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