氧化鋅納米顆粒對污水生物除磷的影響及其機理研究*

王立璇 楊平平

(1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，河北 石家莊 050026；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024)

氧化鋅納米顆粒對污水生物除磷的影響及其機理研究*

王立璇1楊平平2#

(1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，河北 石家莊 050026；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024)

在序批式反應(yīng)器中探究了不同濃度氧化鋅納米材料(ZnO NPs)對污水生物強化除磷的影響。結(jié)果表明：(1)低質(zhì)量濃度(1 mg/L)ZnO NPs對污水生物除磷影響不明顯，而高質(zhì)量濃度(32 mg/L)ZnO NPs能明顯降低生物除磷效率(除磷效率僅為55%左右)。(2)高濃度ZnO NPs的存在能抑制厭氧釋磷和好氧吸磷。32 mg/L ZnO NPs作用下聚磷菌相對豐度僅為21.6%，明顯低于空白組，與除磷相關(guān)的酶活也明顯低于空白組。

生物除磷 氧化鋅納米材料 聚磷菌 酶活

污水中過量氮磷的釋放會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，活性污泥系統(tǒng)可實現(xiàn)污水中氮磷元素的去除進(jìn)而減少自然水體中富營養(yǎng)化的程度[1]。生物除磷(BPR)能有效遏制水體的富營養(yǎng)化。BPR主要依賴污泥中的聚磷菌(PAO)超量吸收水體中的磷酸鹽并貯存在體內(nèi)，最后通過排放富含磷酸鹽的污泥實現(xiàn)磷的去除[2]。

納米材料由于其具有較小的直徑(一般在1～100 nm)和較大的比表面積(>60 m2/cm3)而受到人們的關(guān)注[3]，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程、化妝品等領(lǐng)域。納米材料的大量應(yīng)用必然導(dǎo)致其在環(huán)境中的釋放量增大。氧化鋅納米材料(ZnO NPs)是一種較常用的納米材料，常被應(yīng)用于半導(dǎo)體、塑料添加劑和染料等領(lǐng)域[4]。ZnO NPs已在污水處理廠中被檢測到[5]，污泥樣本檢測中ZnO NPs高達(dá)9.14 g/kg(以單位質(zhì)量懸浮固體計)[6-7]。ZnO NPs在污水中的存在必然導(dǎo)致其對污水處理微生物的影響，進(jìn)而影響到污水脫氮除磷效率。ZHENG等[8]向厭氧—缺氧的反應(yīng)體系中投加ZnO NPs，探究了ZnO NPs對反應(yīng)體系氮的去除情況，研究表明，10、50 mg/L ZnO NPs能明顯降低生物脫氮效率，其中脫氮效率由空白組的81.5%降到75.6%、70.8%。PUAY等[9]探究了ZnO NPs對反應(yīng)系統(tǒng)中微生物種群結(jié)構(gòu)的變化，研究發(fā)現(xiàn)，ZnO NPs的存在能導(dǎo)致微生物種群的減少。然而，關(guān)于投加ZnO NPs的污水系統(tǒng)中污泥的除磷情況的研究較少見。本研究重點探討了ZnO NPs對污水BPR的影響，并從胞內(nèi)聚合物和胞外聚合物(EPS)的變化以及相關(guān)酶活闡述其影響機理。

1 材料與方法

1.1 序批式反應(yīng)器(SBR)的建立

在實驗室規(guī)模的SBR(有效體積1.0 L)中進(jìn)行，每日運行3個周期，每個周期運行8 h，每個周期的具體分配為迅速進(jìn)水-120 min厭氧-240 min曝氣好氧-60 min沉淀排水-60 min閑置。

1.2 合成廢水與ZnO NPs

所采用的污水為人工合成廢水，每日配兌，以乙酸鈉為主要碳源、NH4Cl為氮源，KH2PO4模擬進(jìn)水中的磷元素，控制進(jìn)水COD、氨氮和磷酸鹽分別為350、40、15 mg/L。合成廢水中微量元素具體見參考文獻(xiàn)[9]。

ZnO NPs的比表面積為41.2 m2/g，使用前先配置ZnO NPs為100 mg/L的懸浮液。

1.3 ZnO NPs投加對污水BPR的影響

組建5個相同的SBR，當(dāng)反應(yīng)器運行穩(wěn)定后除磷效率均保持在90%以上。向上述5個SBR中投加ZnO NPs使其質(zhì)量濃度分別為0、1、8、16、32 mg/L，其中0 mg/L即為空白組。反應(yīng)器中初始混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)控制在4 000 mg/L。好氧期間利用鼓風(fēng)曝氣，通氣量控制3 L/min，在曝氣過程中利用攪拌器將混合物攪拌均勻，轉(zhuǎn)速150 r/min。每個周期好氧期末排掉500 mL的泥水混合物，這樣使得SBR的水力停留時間為16 h，在好氧末端排掉適量體積的泥水混合物以便實現(xiàn)排泥的目的，控制污泥齡約15 d。整個反應(yīng)的溫度控制在35 ℃。

1.4 ZnO NPs對磷酸鹽吸附的影響

在4個相同的SBR中進(jìn)行，注入800 mL合成廢水，然后投加ZnO NPs使其質(zhì)量濃度分別為1、8、16、32 mg/L，其他反應(yīng)條件同1.3節(jié)。通過排水可確定ZnO NPs對磷酸鹽的吸附量。

1.5 檢測方法

COD、氨氮、揮發(fā)性懸浮固體(VSS)、MLVSS的檢測參照文獻(xiàn)[10]；磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法、糖原采用苯酚/硫酸法測定[11]；聚羥基脂肪酸酯(PHA)采用氣相色譜法測定[12]；蛋白質(zhì)和多糖的測定參照文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 長期運行中ZnO NPs對污水除磷的影響

反應(yīng)器運行穩(wěn)定后，每個周期進(jìn)水時向反應(yīng)器中投加不同量的ZnO NPs，并每隔5天檢測一下系統(tǒng)的除磷效率。由圖1可知，ZnO NPs≤1 mg/L對反應(yīng)體系除磷效率影響不明顯，1 mg/L ZnO NPs作用下除磷效率仍總體維持在90%以上。然而，當(dāng)ZnO NPs增加至8 mg/L時，除磷效率明顯降低，穩(wěn)定在81%左右，說明8 mg/L ZnO NPs已對反應(yīng)體系除磷能力造成一定的抑制作用。繼續(xù)提高ZnO NPs至16、32 mg/L時，除磷效率繼續(xù)降低至69%、55%左右。為更加準(zhǔn)確反映單位質(zhì)量污泥的除磷效率，本研究同時計算了除磷量(以單位質(zhì)量VSS計)。空白組除磷量為6.2 mg/g，而1、8、16、32 mg/L ZnO NPs作用下的除磷量分別為6.0、4.5、3.2、1.5 mg/g。表明低濃度的ZnO NPs對污水的除磷效率影響不大，而高濃度ZnO NPs嚴(yán)重抑制污水的除磷效率。因此，需要探究不同濃度ZnO NPs對污水除磷效率的影響機理。

圖1 不同質(zhì)量濃度ZnO NPs對污水除磷效率的影響Fig.1 Effect of different ZnO NPs dosage on biological phosphorus removal efficiency

2.2 ZnO NPs對磷酸鹽吸附的影響

由于ZnO NPs具有一定的吸附能力，本研究同時探究了其對磷酸鹽的吸附量。結(jié)果表明，ZnO NPs的存在對磷酸鹽有一定的吸附量，1、8、16、32 mg/L ZnO NPs對磷酸鹽的吸附量分別為0.01、0.05、0.11、0.19 mg/g。表明ZnO NPs濃度越大，磷酸鹽的吸附量越大。但是，本實驗中ZnO NPs對磷酸鹽的吸附量最大才為0.19 mg/g，說明本研究中磷酸鹽的去除仍以生物去除為主。

2.3 ZnO NPs對典型周期內(nèi)磷酸鹽和胞內(nèi)聚合物的影響

由圖2可知，ZnO NPs濃度的增加明顯影響典型周期內(nèi)磷酸鹽的變化。PAO在厭氧期會水解體內(nèi)的磷酸鹽并利用水解產(chǎn)生的能量吸收水體中的有機物，而在好氧的環(huán)境下過量吸收水體中的磷酸鹽實現(xiàn)污水除磷。當(dāng)ZnO NPs為0、1、32 mg/L時，在厭氧末期磷酸鹽最大質(zhì)量濃度分別為68、64、38 mg/L，說明高濃度ZnO NPs會抑制磷酸鹽的釋放，而低濃度ZnO NPs對厭氧磷酸鹽的釋放影響不大。而在好氧過程中，PAO超量吸收水體中的磷酸鹽，當(dāng)ZnO NPs為0、1、32 mg/L時，好氧凈吸磷酸鹽質(zhì)量濃度為67、62、31 mg/L。表明ZnO NPs的投加能影響聚磷微生物好氧期的吸磷，ZnO NPs濃度越高，ZnO NPs對磷酸鹽的吸收抑制程度越大。

圖2 ZnO NPs對典型周期內(nèi)磷酸鹽的影響Fig.2 Effect of ZnO NPs on the phosphate during a typical cycle

PHA和糖原是PAO體內(nèi)兩種重要的胞內(nèi)聚合物，他們的含量與BPR有著密切的關(guān)聯(lián)[14]。本研究以乙酸鈉為單一碳源，乙酸鈉經(jīng)過三羧酸循環(huán)在微生物體內(nèi)合成PHA并伴隨少量糖原的產(chǎn)生[15]。由圖3可知，1 mg/L ZnO NPs作用下PHA的合成量與空白組相差不明顯，而32 mg/L ZnO NPs作用下PHA的合成量(最大僅為1.9 mmol/g)明顯小于空白組(最大為3.4 mmol/g)。高含量的PHA在好氧時期會優(yōu)先被利用并分解產(chǎn)生生物能吸收水體中過量的磷酸鹽。高濃度ZnO NPs作用下PHA的合成量小，進(jìn)而造成后期吸磷量較低。糖原在厭氧期被分解并在好氧期得到補給，但是高濃度ZnO NPs作用下糖原的降解量明顯大于空白組。厭氧、好氧末期，空白組糖原分別為2.9、3.6 mmol/g，而高濃度ZnO NPs作用下則分別為2.2、3.8 mmol/g。表明高濃度ZnO NPs作用下，反應(yīng)體系中糖原的變化程度明顯高于空白組。以往的研究表明，糖原的變化程度較高說明反應(yīng)體系中聚糖菌(GAO)的含量較高[16]。這也說明，ZnO NPs濃度的增大能增加反應(yīng)體系中GAO比例，因為糖原是GAO的主要能源物質(zhì)。GAO是污水中存在的另外一種細(xì)菌，它能與PAO爭奪污水中有限的碳源，然而對除磷并沒有貢獻(xiàn)。

注：PHA及糖原均以單位質(zhì)量VSS計。圖3 ZnO NPs對典型周期內(nèi)PHA及糖原的影響Fig.3 Effect of ZnO NPs on PHA and glycogen during a typical cycle

2.4 ZnO NPs對EPS的影響

EPS是細(xì)菌在遇到外界不良條件時分泌的一類物質(zhì)，主要成分為蛋白質(zhì)和多糖。由圖4可見，經(jīng)過長期運行，空白組EPS中蛋白質(zhì)和多糖分別為159.6、103.5 mg/g。當(dāng)ZnO NPs為1 mg/L時，EPS中蛋白質(zhì)和多糖分別為145.8、98.6 mg/g，與空白組相差不明顯，這也與低濃度ZnO NPs對污水除磷影響不大相對應(yīng)。然而，當(dāng)ZnO NPs為32 mg/L時，EPS中蛋白質(zhì)和多糖僅為62.3、42.6 mg/g，分別是空白組的0.39、0.41。這一結(jié)果表明，高濃度ZnO NPs能明顯降低污泥EPS中蛋白質(zhì)和多糖的含量。EPS含量與污水除磷效率有一定的相關(guān)性，EPS可吸收或吸附污泥中的磷，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微生物體內(nèi)含磷化合物，當(dāng)污泥中EPS含量降低時，相應(yīng)的磷吸收量也隨之降低，這也是高濃度ZnO NPs降低系統(tǒng)除磷效率的原因之一[17]。

注：蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度均以單位質(zhì)量VSS計。圖4 ZnO NPs對EPS中蛋白質(zhì)和多糖的影響Fig.4 Effect of ZnO NPs on protein and carbohydrate in EPS

2.5 ZnO NPs對微生物及相關(guān)酶活的影響

表1 ZnO NPs對微生物種群相對豐度及相關(guān)酶活的影響

BPR過程離不開PAO及相關(guān)酶的催化，與BPR密切相關(guān)的兩種酶分別為外切聚磷酸酶(PPX)與多聚磷酸鹽激酶(PPK)。由表1可以看出，低濃度ZnO NPs作用下反應(yīng)體系中PAO相對豐度、PPX酶活、PPK酶活與空白組相差不大。然而，高濃度ZnO NPs作用下PAO相對豐度明顯低于空白組，而GAO相對豐度卻明顯高于空白組，這也是造成整個反應(yīng)體系除磷效率下降的主要原因，PPX、PPK酶活也明顯低于空白組。

3 結(jié) 論

(1) 低濃度ZnO NPs對污水BPR影響不明顯，而高濃度ZnO NPs明顯降低了污水除磷效率。

(2) 高濃度ZnO NPs能抑制厭氧釋磷和好氧吸磷，進(jìn)而造成系統(tǒng)的除磷效率下降，也能明顯降低污泥EPS中蛋白質(zhì)與多糖的含量。

(3) ZnO NPs降低除磷效率的主要原因在于降低了污水體系中PAO相對豐度，而增加了GAO相對豐度。

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Studyontheeffectandmechanismofzincoxidenanoparticlesonthebiologicalphosphorusremovalfromwastewater

WANGLixuan1，YANGPingping2.

(1.DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering，HebeiChemicalandPharmaceuticalVocationalTechnologyCollege，ShijiazhuangHebei050026;2.DepartmentofChemistryandChemicalEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，TaiyuanShanxi030024)

The effect of different concentrations of ZnO nanoparticles (NPs) on biological phosphorus removal (BPR) in sequencing batch reactor was investigated. Experimental results showed that：(1) low mass concentration of ZnO NPs (1 mg/L) caused no obvious effect on BPR，however，high mass concentration of ZnO NPs (32 mg/L) significantly decreased the efficiency of BPR，and the BPR efficiency decreased to 55%. (2) High concentration of ZnO NPs inhibited the anaerobic phosphorus release and oxic phosphorus uptake. When the mass concentration of ZnO NPs was 32 mg/L，the abundance of phosphorus accumulating organisms was only 21.6%，which was much lower than that in blank. Additionally，the key enzymes activities related to phosphorus removal in the presence of high ZnO NPs were also lower than those in blank.

biological phosphorus removal； ZnO NPs； phosphorus accumulating organisms； enzymes activities

王立璇，女，1978年生，碩士，講師，研究方向為水處理、固廢資源化處理。#

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*國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(No.21206103)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.006

2016-06-14)