新型污染物納米氧化銅對(duì)生物脫氮除磷的影響及機(jī)制探究*

許澤宏 周明羅 程曉丹 郭宗峰

(宜賓學(xué)院環(huán)境保護(hù)科學(xué)與工程應(yīng)用研究所，四川 宜賓 644007)

新型污染物納米氧化銅對(duì)生物脫氮除磷的影響及機(jī)制探究*

許澤宏 周明羅 程曉丹 郭宗峰

(宜賓學(xué)院環(huán)境保護(hù)科學(xué)與工程應(yīng)用研究所，四川 宜賓 644007)

在序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)中探究了新型污染物納米氧化銅(CuONP)短期和長期暴露對(duì)實(shí)際廢水生物脫氮除磷的影響并分析了影響機(jī)制。結(jié)果表明：0～10.0mg/LCuONP短期暴露對(duì)生物脫氮除磷效率及活性污泥性能影響不明顯；經(jīng)過30d長期暴露，CuONP對(duì)生物脫氮除磷效率產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制作用，且CuONP濃度越高，抑制效果越明顯。CuONP由0mg/L增加到10.0mg/L時(shí)，生物脫氮效率由90.6%下降至79.8%，生物除磷效率由91.6%下降至70.5%。CuONP長期暴露能夠抑制胞內(nèi)聚合物聚羥基脂肪酸酯(PHA)的合成，近而減少其氧化分解產(chǎn)生的能量。此外，CuONP還能抑制活性污泥呼吸速率。在10.0mg/LCuONP作用下，呼吸抑制率為69.0%。

納米氧化銅 暴露 生物脫氮除磷 胞內(nèi)聚合物

納米顆粒一般指粒徑小于100 nm的顆粒，納米顆粒具有比表面積大、反應(yīng)活性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。納米氧化銅(CuO NP)是一種功能性納米材料，已在生物醫(yī)療、催化材料、生物傳感器等領(lǐng)域得到應(yīng)用[4]。CuO NP的廣泛應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致其釋放到環(huán)境中，并且對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。

近年來，研究者進(jìn)行了CuO NP模擬生物毒害效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。焦兆友等[5]研究了CuO NP對(duì)金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和枯草桿菌(Bacillussubtilis)的抑制作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CuO NP的存在能夠有效抑制上述兩種細(xì)菌的生長。HUSSAIN等[6]研究了CuO NP對(duì)大鼠肝細(xì)胞的毒害作用，結(jié)果表明CuO NP能夠?qū)е赂渭?xì)胞萎縮，細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常。CuO NP在生產(chǎn)和使用過程中會(huì)通過各種途徑進(jìn)入水體，進(jìn)而進(jìn)入城市污水處理廠。而現(xiàn)在的污水處理廠多以活性污泥系統(tǒng)為主，CuO NP的進(jìn)入可能會(huì)對(duì)活性污泥系統(tǒng)中的功能微生物產(chǎn)生一定的影響。據(jù)報(bào)道，10 mg/L CuO NP短期暴露對(duì)大腸桿菌(Escherichiacoli)和反硝化細(xì)菌影響不大[7]7812。CuO NP濃度和暴露時(shí)間是影響污水生物處理效果的兩大因素，之前關(guān)于CuO NP的研究多為短期暴露，例如杜志澤等[8]4770-4771研究了CuO NP對(duì)合成廢水在活性污泥系統(tǒng)中進(jìn)行短期生物處理的影響。而污水處理廠處理的實(shí)際廢水成分更加復(fù)雜，污染物的濃度變化波動(dòng)較大，因此有必要探究CuO NP對(duì)實(shí)際廢水的影響。此外，污水處理廠均為長期運(yùn)營，但基于CuO NP長期暴露的研究成果較少，因此本研究分析了CuO NP長期暴露對(duì)生物脫氮除磷及活性污泥性能的影響，以期為CuO NP廢水的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與反應(yīng)器的運(yùn)行

CuO NP購置于Sigma-Aldrich公司，純度為90%，比表面積為30～40 m2/g。為了使CuO NP與活性污泥接觸更充分，將CuO NP配置成CuO NP懸浮液，具體操作為：將100 mg CuO NP置于1.0 L超純水中，在250 W、40 Hz下采用超聲振蕩防止其團(tuán)聚，得到100 mg/L CuO NP懸浮液。雖然缺乏我國污水處理廠進(jìn)水CuO NP濃度的公開數(shù)據(jù)，但是國外已報(bào)道污水處理廠進(jìn)水CuO NP可高達(dá)10 mg/L[7]7810，因此本研究將CuO NP最高質(zhì)量濃度設(shè)置為10.0 mg/L。

實(shí)驗(yàn)所用廢水為實(shí)際廢水，取自宜賓市第二污水處理廠進(jìn)水口，COD為210～300 mg/L，氨氮為25～40 mg/L，硝態(tài)氮為2.3～3.5 mg/L，亞硝態(tài)氮為0.2～0.8 mg/L，磷酸鹽為6～8 mg/L，pH為7.5～8.1，懸浮物(SS)為150～180 mg/L，實(shí)際廢水取回后用于實(shí)驗(yàn)進(jìn)水。接種的活性污泥取自宜賓市第二污水處理廠的二沉池。

實(shí)驗(yàn)在10.0 L有機(jī)玻璃容器中進(jìn)行。序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)在30 ℃下恒溫運(yùn)行，每天運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期持續(xù)8 h，共包含90 min厭氧期、150 min好氧期、120 min缺氧期、60 min沉淀出水期和60 min閑置期。通過好氧末期排放適量活性污泥來控制污泥齡為15 d左右。每個(gè)周期的初始pH控制在7.0±0.1，反應(yīng)過程中不控制pH。

1.2 CuO NP短期暴露實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在4個(gè)相同的SBR中進(jìn)行，SBR運(yùn)行條件如1.1節(jié)所述。當(dāng)SBR運(yùn)行穩(wěn)定后，向4個(gè)SBR中投加適量的CuO NP懸浮液，控制CuO NP分別為0、0.5、5.0、10.0 mg/L。短期暴露的時(shí)間為1個(gè)周期(8 h)。

1.3 CuO NP長期暴露實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)同樣在4個(gè)相同的SBR中進(jìn)行，SBR運(yùn)行條件如1.1節(jié)所述。當(dāng)SBR運(yùn)行穩(wěn)定后，向4個(gè)SBR中投加適量的CuO NP懸浮液，控制CuO NP分別為0、0.5、5.0、10.0 mg/L。長期暴露的時(shí)間為30 d。

1.4 活性污泥呼吸速率測(cè)定

采用HANNA HI9146N便攜式溶解氧(DO)測(cè)定儀對(duì)CuO NP長期暴露實(shí)驗(yàn)中活性污泥呼吸速率進(jìn)行測(cè)定。取1.5 mL活性污泥稀釋至150 mL并轉(zhuǎn)移至150 mL錐形瓶中，將DO測(cè)定儀電極探頭插入密封錐形瓶的活性污泥中測(cè)定其耗氧量，并每隔10 s讀取1次數(shù)值，隨后計(jì)算DO對(duì)時(shí)間的斜率，斜率表示活性污泥呼吸速率[9]2578-2579。

1.5 分析方法

COD采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；揮發(fā)性懸浮物(VSS)、SS、TN、TP、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和磷酸鹽參照文獻(xiàn)[10]測(cè)定；DO采用便攜式DO測(cè)定儀測(cè)定。

胞外聚合物(EPS)采用熱處理法提取，即取50 mL好氧末期的泥水混合物于50 mL離心管中，將上清液過0.45 μm醋酸纖維濾膜，將未通過濾膜的活性污泥添加蒸餾水補(bǔ)充到50 mL，并使其重新懸浮，在80 ℃水浴中加熱30 min后再次離心，取上清液待測(cè)。EPS測(cè)定方法詳見文獻(xiàn)[11]。蛋白質(zhì)采用凱氏定氮法測(cè)定，多糖采用苯酚-硫酸法測(cè)定。

胞內(nèi)聚合物聚羥基脂肪酸酯(PHA)的測(cè)定采用氣相色譜法。將活性污泥加入2 mL的氯仿提取后，再加入850 mL甲醇和150 mL濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)，在100 ℃下水浴1 h加熱酯化，充分振蕩后，液體分上下兩層，下層液體用于測(cè)定PHA。氣相色譜具體運(yùn)行條件參照文獻(xiàn)[12]。糖原質(zhì)測(cè)定參照文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 CuO NP短期暴露對(duì)實(shí)際廢水處理效果的影響

不同濃度CuO NP短期暴露對(duì)實(shí)際廢水生物脫氮除磷效率的影響如圖1所示。由圖1可以看出，不同濃度CuO NP短期暴露作用下，COD、TN、TP去除率差異不明顯。在空白組(CuO NP為0 mg/L)中，COD、TN、TP的平均去除率分別為89.5%、90.2%、93.1%；而在10 mg/L CuO NP作用下，COD、TN、TP的平均去除率分別為88.7%、91.2%、92.6%?？梢?，CuO NP短期暴露對(duì)實(shí)際廢水的生物脫氮除磷效率影響不顯著，這與杜志澤等[8]4468-1150的研究結(jié)果一致。

圖1 CuO NP短期暴露對(duì)生物脫氮除磷效率的影響Fig.1 Effect of short term exposure of CuO NP on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal

2.2 CuO NP短期暴露對(duì)活性污泥性能的影響

選取污泥膨脹指數(shù)(SVI)、活性污泥揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)與活性污泥懸浮物(MLSS)質(zhì)量比(MLVSS/MLSS)、EPS濃度及EPS中的蛋白質(zhì)和多糖濃度表征活性污泥性能。其中，EPS是活性污泥的重要組成部分，一般是微生物抵御外界不良環(huán)境時(shí)產(chǎn)生的，EPS中發(fā)揮作用的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖。不同濃度CuO NP短期暴露對(duì)活性污泥性能的影響如表1所示。由表1可以看出，CuO NP短期暴露對(duì)活性污泥性能影響不明顯。

2.3 CuO NP長期暴露對(duì)實(shí)際廢水處理效果的影響

不同濃度CuO NP長期暴露對(duì)實(shí)際廢水生物脫氮除磷效率的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨著CuO NP濃度升高，COD、TN、TP的去除率均出現(xiàn)不同程度下降。當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10 mg/L時(shí)，COD平均去除率由90.6%下降至76.4%，生物脫氮效率(以TN平均去除率表征)由90.6%下降至79.8%，而生物除磷效率(以TP平均去除率表征)由91.6%下降至70.5%。可見，CuO NP長期暴露能夠降低實(shí)際廢水的生物脫氮除磷效率。

為了探究CuO NP長期暴露對(duì)生物脫氮除磷的影響機(jī)制，分析了單位周期(不包括沉淀出水期和閑置期)中氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和磷酸鹽的變化。由圖3(a)可以看出，CuO NP的存在能夠抑制氨氮在好氧期的氧化，當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L時(shí)，好氧末期氨氮由2.2 mg/L增加到5.4 mg/L。由亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度變化可以看出，CuO NP的存在抑制了缺氧期的反硝化過程(見圖3(b)和圖3(c))，進(jìn)而導(dǎo)致出水氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度高于空白組。

圖2 CuO NP長期暴露對(duì)生物脫氮除磷效率的影響Fig.2 Effect of long term exposure of CuO NP on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal

圖3(d)為單位周期中磷酸鹽的變化過程。由圖3(d)可以看出，CuO NP的存在對(duì)厭氧期磷酸鹽的釋放有嚴(yán)重的抑制作用。在厭氧末期，空白組的磷酸鹽為72 mg/L；而在10.0 mg/L CuO NP作用下，磷酸鹽為51 mg/L，表明CuO NP的存在能夠抑制聚磷菌在厭氧期釋放磷酸鹽。聚磷菌在厭氧期吸收外碳源貯存在體內(nèi)，而這一過程需要磷酸鹽的釋放提供能量，磷酸鹽釋放量減少導(dǎo)致COD消耗減少，因此CuO NP的存在抑制了COD去除率。

生物脫氮除磷效率與PHA及糖原質(zhì)的轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系[14-15]。單位周期內(nèi)PHA和糖原質(zhì)的變化情況如圖4所示。在厭氧期，微生物消耗COD合成PHA，同時(shí)也消耗了糖原質(zhì)；在好氧期，厭氧期合成的PHA分解產(chǎn)生能量，用于磷酸鹽的吸收、氨氮的硝化和糖原質(zhì)的補(bǔ)給[16]；在缺氧期，PHA進(jìn)一步分解，產(chǎn)生的能量用于反硝化脫氮。在此過程中，CuO NP 的存在抑制了PHA的合成。在空白組，PHA最大合成量為3.8 mmol/g；而在10.0 mg/L CuO NP作用下，PHA最大合成量為2.8 mmol/g。可見，CuO NP能夠抑制PHA合成，減少PHA后續(xù)分解過程中產(chǎn)生的能量，抑制了磷酸鹽吸收和氮素的硝化/反硝化作用。

表1 CuO NP短期暴露對(duì)活性污泥性能的影響

圖3 CuO NP對(duì)單位周期中氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽變化的影響Fig.3 Effect of CuO NP on the variation of ammonia nitrogen,nitrite nitrogen,nitrate nitrogen and phosphate during one cycle

注：PHA和糖原質(zhì)摩爾濃度均折算為C摩爾濃度。圖4 CuO NP對(duì)單位周期中PHA和糖原質(zhì)變化的影響Fig.4 Effect of CuO NP on the variation of PHA and glycogen during one cycle

糖原質(zhì)是微生物體內(nèi)除PHA外的另外一種內(nèi)碳源，其在厭氧期分解，用于合成PHA；此外，糖原質(zhì)還是聚糖菌體內(nèi)的主要碳源。聚糖菌能與聚磷菌爭奪有限碳源，從而一定程度上抑制生物脫氮除磷效率。CuO NP為10.0 mg/L時(shí)，糖原質(zhì)在好氧期的合成量高于空白組，說明聚糖菌可能在競爭中成為優(yōu)勢(shì)菌種。

表2 CuO NP長期暴露對(duì)活性污泥性能的影響

2.4 CuO NP長期暴露對(duì)活性污泥性能的影響

表2展示了CuO NP長期暴露對(duì)活性污泥性能的影響。當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L時(shí)，SVI平均值由0.32增加到0.62，說明活性污泥膨脹，沉降性明顯減弱。納米ZnO(ZnO NP)與CuO NP結(jié)構(gòu)相似，王樹濤等[9]2576-2577發(fā)現(xiàn)ZnO NP的存在也能夠?qū)е禄钚晕勰喑两敌詼p弱。此外，MLVSS/MLSS正常值一般為0.75左右，CuO NP長期暴露明顯降低了MLVSS/MLSS，尤其當(dāng)CuO NP達(dá)到10.0 mg/L時(shí)，MLVSS/MLSS平均值僅為0.61，說明CuO NP的存在可能減少了活性污泥中有機(jī)質(zhì)含量。

由表2還可以看出，CuO NP的存在能夠降低EPS及EPS中蛋白質(zhì)和多糖濃度。當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L時(shí)，EPS平均值由405.6 mg/L降低到152.8 mg/L，而EPS中的蛋白質(zhì)平均值由63.2 mg/L降低到40.8 mg/L，EPS中的多糖平均值由15.4 mg/L降低到9.5 mg/L?？梢姡珻uO NP能夠抑制活性污泥中EPS的合成，且CuO NP濃度越高，抑制作用越強(qiáng)。

2.5 CuO NP長期暴露對(duì)活性污泥呼吸速率的影響

呼吸速率能夠直接反映微生物活性，表3為CuO NP對(duì)活性污泥呼吸速率的影響。如表3所示，CuO NP的存在對(duì)呼吸速率產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制作用，且CuO NP濃度越高，抑制作用越強(qiáng)烈。當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L時(shí)，呼吸速率由86.4 mg/(h·L)下降至26.8 mg/(h·L)，呼吸抑制率高達(dá)69.0%。從CuO NP抑制活性污泥呼吸速率也可以反映出CuO NP的存在減弱了活性污泥性能，與表2的結(jié)果一致。

表3 CuO NP對(duì)活性污泥呼吸速率的影響

3 結(jié) 論

(1) 0～10.0 mg/L CuO NP短期暴露對(duì)實(shí)際廢水生物脫氮除磷效率及活性污泥性能的影響不明顯。

(2) CuO NP長期暴露對(duì)實(shí)際廢水生物脫氮除磷效率和活性污泥性能有嚴(yán)重的抑制作用。當(dāng)CuO NP由0 mg/L增加到10.0 mg/L時(shí)，生物脫氮效率由90.6%下降至79.8%，生物除磷效率由91.6%下降至70.5%，這可能是由于CuO NP的存在抑制了胞內(nèi)聚合物PHA的合成。

(3) CuO NP的存在能夠抑制活性污泥的呼吸速率。當(dāng)CuO NP為10.0 mg/L時(shí)，呼吸抑制率為69.0%。

[1] JARVIE H P,AL OBAIDI H,KING S M,et al.Fate of silica nanoparticles in simulated primary wastewater treatment[J].Environmental Science & Technology,2009,43(22):8622-8628.

[2] BRAR S K,VERMA M,TYAGI R D,et al.Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge - evidence and impacts[J].Waste Management,2010,30(3):504-520.

[3] SERVICE R F.American Chemical Society meeting.Nanomaterials show signs of toxicity[J].Science,2003,300(5617):243.

[4] CHEN Yinguang,WANG Dongbo,ZHU Xiaoyu,et al.Long-term effects of copper nanoparticles on wastewater biological nutrient removal and N2O generation in the activated sludge process[J].Environmental Science & Technology,2012,46(22):12452-12458.

[5] 焦兆友，趙建平，龐秋云，等．微波法制備納米氧化銅及其抑菌性能研究[J]．曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，34(1)：76-79．

[6] HUSSAIN S M,HESS K L,GEARHART J M,et al.In vitro toxicity of nanoparticles in BRL 3A rat liver cells[J].Toxicology in Vitro,2005,19(7):975-983.

[7] GANESH R,SMERALDI J,HOSSEINI T,et al.Evaluation of nanocopper removal and toxicity in municipal wastewaters[J].Environmental Science & Technology,2010,44(20).

[8] 杜志澤，王曉慧，海熱提，等．CuO NPs短期暴露對(duì)SBR水處理效果的影響[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8(11)．[9] 王樹濤，李素萍，王未青，等．ZnO納米顆粒對(duì)SBR活性污泥活性的影響[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2014，34(10)．

[10] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[11] ZHENG Xiong,CHEN Yinguang,WU Rui.Long-term effects of titanium dioxide nanoparticles on nitrogen and phosphorus removal from wastewater and bacterial community shift in activated sludge[J].Environmental Science & Technology,2011,45(17):7284-7290.

[12] MINO T,VAN LOOSDRECHT M C M,HEIJNEN J J.Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process[J].Water Research,1998,32(11):3193-3207.

[13] WANG Dongbo,LI Xiaoming,YANG Qi,et al.The probable metabolic relation between phosphate uptake and energy storages formations under single-stage oxic condition[J].Bioresource Technology,2009,100(17):4005-4011.

[14] PRIESTER J H,VAN DE WERFHORST L C,GE Yuan,et al.Effects of TiO2and Ag nanoparticles on polyhydroxybutyrate biosynthesis by activated sludge bacteria[J].Environmental Science & Technology,2014,48(24):14712-14720.

[15] YOU Shengjie,TSAI Y P,CHO B C,et al.Metabolic influence of lead on polyhydroxyalkanoates (PHA) production and phosphate uptake in activated sludge fed with glucose or acetic acid as carbon source[J].Bioresource Technology,2011,102(17):8165-8170.

[16] ZENG Tianjing,WANG Dongbo,LI Xiaoming,et al.Comparison between acetate and propionate as carbon sources for phosphorus removal in the aerobic/extended-idle regime[J].Biochemical Engineering Journal,2013,70:151-157.

StudyontheeffectandmechanismofanewtypepollutantCuOnanoparticleonbiologicalnitrogenandphosphorusremoval

XUZehong,ZHOUMingluo,CHENGXiaodan,GUOZongfeng.

(InstituteofEnvironmentalScienceandEngineeringResearch,YibinUniversity，YibinSichuan644007)

The effect of short term and long term exposure of the new type pollutant CuO nano particle (CuO NP) on the efficiencies of biological nitrogen and phosphorus removal from real wastewater and its mechanism were investigated in sequence batch reactor (SBR). Experimental results showed that the range of 0-10.0 mg/L CuO NP posed insignificant effect on biological nitrogen and phosphorus removal and the activited sludge performance after short term exposure. However,after 30 d long term exposure,the presence of CuO NP caused a serious inhibitory impact on the biological nitrogen and phosphorus removal,with the higher CuO NP concentration,the greater inhibitory effect. When the level of CuO NP increased from 0 mg/L to 10.0 mg/L,the biological nitrogen removal efficiency decreased from 90.6% to 79.8%,and the biological phosphorus removal efficiency decreased from 91.6% to 70.5%. Further investigation suggested that long term exposure of CuO NP could inhibit the synthesis of intracellular polymer polyhydroxyalkanoates (PHA),thereby affected the subsequent oxidation for energy utilization. Additionally,CuO NP inhibited respiration rate of activited sludge,and the respiration inhibitory rate was 69.0% under 10.0 mg/L CuO NP compared with that in control test.

CuO nano particle; exposure; biological nitrogen and phosphorus removal; intracellular polymer

許澤宏，男，1966年生，碩士，副教授，研究方向?yàn)樗廴究刂萍夹g(shù)。

*宜賓學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(No.2012S02)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.009

2016-10-27)