ZnO NPs對(duì)EBPR系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

張孝寧，施延君，李 琦，唐 芳，胡亞琴，黃曉宇

(1.浙江省工業(yè)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.杭州余杭經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心，浙江 杭州 311199；3.浙江裕騰百諾環(huán)保科技股份有限公司，浙江 杭州 311199)

0 引言

納米材料在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活用品(如半導(dǎo)體和化妝品)中的廣泛應(yīng)用，使其無可避免地進(jìn)入到了市政污水中，進(jìn)而進(jìn)入污水處理廠。很多納米顆粒具有抗菌性(比如ZnO NPs、Ag NPs、TiO2NPs)，因此納米顆?？赡軙?huì)給污水處理廠的正常運(yùn)行造成沖擊。ZnO NPs是應(yīng)用最廣泛的納米材料之一，其大規(guī)模的使用也增加了其進(jìn)入生態(tài)環(huán)境的可能性。隨著納米毒理學(xué)的開展，其生物毒性受到人們的廣泛關(guān)注。

隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)磷污染物的排放量急劇增加。由于磷的過量排放而引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等諸多行業(yè)已產(chǎn)生嚴(yán)重危害，也對(duì)飲水衛(wèi)生和食品安全構(gòu)成了巨大的威脅。據(jù)2018年《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》所述，湖泊(水庫)富營(yíng)養(yǎng)化的問題仍然突出，開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的107個(gè)湖泊(水庫)中，貧營(yíng)養(yǎng)的占10個(gè)，中營(yíng)養(yǎng)的占66個(gè)，輕度富營(yíng)養(yǎng)的占25個(gè)，中度富營(yíng)養(yǎng)的占6個(gè)。如何快速有效地提高污水處理廠的除磷效率已成為目前水處理領(lǐng)域亟待解決的問題。

目前，對(duì)于污水中磷元素的去除主要有物理法、化學(xué)法以及生物法三大類。其中物理法由于其技術(shù)復(fù)雜性、高成本而較少使用；化學(xué)法處理效果穩(wěn)定、除磷效率高且不宜造成二次污染，但其污泥產(chǎn)量較大；生物法作為最經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)境友好的除磷方法，已被廣泛應(yīng)用。生物法對(duì)污水中磷元素的去除主要有兩種途徑：一部分是微生物同化作用除磷，即微生物吸收水體中磷元素來滿足自身生長(zhǎng)所需；另一部分則是利用活性污泥中的特定微生物-聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)過量吸磷的能力來去除污水中的磷元素。這種通過PAOs來除磷的工藝通常稱為強(qiáng)化生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR)工藝。EBPR系統(tǒng)能夠在厭氧階段釋磷，隨后在好氧階段過量吸磷，最后在好氧階段末通過污泥排放達(dá)到除磷的目的。相較于其它除磷工藝，EBPR技術(shù)因具有運(yùn)行費(fèi)用低、二次污染少、除磷效果好等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 納米氧化鋅(ZnO NPs)介紹

ZnO NPs是一種多功能性的新型無機(jī)材料，它是一種半導(dǎo)體催化劑的電子結(jié)構(gòu)，其顆粒大小約在1～100 nm。由于晶粒的細(xì)微化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)以及高透明度、高分散性等特點(diǎn)。近年來發(fā)現(xiàn)它在催化、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等方面展現(xiàn)出許多特殊功能，使其在陶瓷、化工、電子、光學(xué)、生物、醫(yī)藥等許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，具有普通ZnO所無法比較的特殊性和用途。ZnO NPs在紡織、涂料等領(lǐng)域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌劑、熒光材料、光催化材料等。由于ZnO NPs一系列的優(yōu)異性和十分誘人的應(yīng)用前景，因此研發(fā)ZnO NPs已成為許多科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

隨著科學(xué)進(jìn)步，ZnO NPs已經(jīng)在許多商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如半導(dǎo)體、化妝品、紡織品和顏料等工業(yè)和消耗類產(chǎn)品。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)納米材料一旦釋放到環(huán)境中，將會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境微生物產(chǎn)生潛在的危害。因此，國(guó)內(nèi)外開始大量研究納米材料在環(huán)境中的濃度變化及其行為。研究發(fā)現(xiàn)，廣泛使用含有納米材料的產(chǎn)品導(dǎo)致城鎮(zhèn)污水處理廠中廢水水體中納米材料的濃度也逐漸升高。2009年美國(guó)環(huán)保局報(bào)告稱，美國(guó)范圍內(nèi)已有84所市政污水廠污泥中檢測(cè)到的納米Zn的含量達(dá)到8.55 g/(kg SS)[1]。選取107所(2009年)和139所(2011年)中國(guó)的城市污水處理廠中的污泥樣本，結(jié)果顯示污水廠活性污泥中納米ZnO的含量高達(dá)9.14 g/(kg SS)[2-3]。因?yàn)閆nO NPs可以溶解在水中，并且可釋放出金屬Zn2+，因此對(duì)于活性污泥中的微生物具有更強(qiáng)的毒性，這個(gè)結(jié)論已經(jīng)得到很多研究成果的證實(shí)。

2 EBPR機(jī)理

磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化最主要的營(yíng)養(yǎng)元素，它能刺激一些藻類和其他光合微生物的生長(zhǎng)，因而污水除磷對(duì)控制水體富營(yíng)養(yǎng)化至關(guān)重要。在常規(guī)好氧活性污泥系統(tǒng)中，污泥含磷量約為0.02 mgP/mgVSS(0.015 mgP/mgTSS)。通過排除剩余污泥即可達(dá)到有效除磷的目的。這種方法對(duì)多數(shù)城市污水中磷的去除率可達(dá)15%～25%。在強(qiáng)化生物除磷工藝系統(tǒng)中，可以將污泥含磷量從0.02 mgP/mgVSS上升至0.06～0.15 mgP/mgVSS(0.05～0.10 mgP/mgTSS)。EBPR是目前采用最廣泛的污水除磷工藝[4-8]，不需要通過外加化學(xué)試劑形成磷沉淀就能提高污水磷處理效率。它的原理是利用聚磷微生物的厭氧釋磷及好氧(或缺氧)超量吸磷特性，在交替厭氧/好氧(缺氧)運(yùn)行環(huán)境下實(shí)現(xiàn)水體中磷的去除。在EBPR的厭氧階段，揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)被消耗并以聚羥基烷酸(PHAs)形式儲(chǔ)存，PHAs合成所需要能量及還原物質(zhì)通常由胞內(nèi)聚磷和糖原降解提供，體系中磷的濃度因此會(huì)上升；好氧階段，聚磷菌依靠氧化胞內(nèi)PHAs為微生物生長(zhǎng)、磷吸收和糖原合成提供碳源和能源。由于好氧磷吸收超過厭氧磷釋放，通過排泥達(dá)到磷去除。VFAs作為PHAs生物合成的底物，在EBPR中起著關(guān)鍵作用。在厭氧/好氧順序的反應(yīng)器系統(tǒng)中VFAs隨進(jìn)水進(jìn)入到厭氧反應(yīng)器或者在厭氧反應(yīng)器中通過發(fā)酵菌產(chǎn)生。從VFAs到PHAs的生成過程中，有三個(gè)過程需要能量：VFAs通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)過程、VFAs與輔酶A的結(jié)合過程以及PHA生成過程中的還原能量。聚合磷分解過程中，伴隨著AMP向ADP的轉(zhuǎn)化，在磷酸激酶作用下2 molADP轉(zhuǎn)化為ATP和AMP。細(xì)胞利用ATP將聚磷以正磷酸鹽的形式釋放到細(xì)胞外，聚磷酸鹽的反離子(鉀、鎂)在胞內(nèi)聚集。

3 納米氧化鋅對(duì)強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)的影響

3.1 ZnO NPs對(duì)EBPR系統(tǒng)污泥特性及除磷效率的影響

已有的研究成果發(fā)現(xiàn)ZnO NPs對(duì)活性污泥系統(tǒng)生物除磷作用能產(chǎn)生明顯的消極影響。ZnO NPs使PAOs厭氧釋磷量降低，而好氧吸磷過程速率減慢。ZnO NPs還會(huì)阻礙能源物質(zhì)PHAs的合成與消耗，使其無法正常供應(yīng)聚磷菌常規(guī)能量的攝取，抑制其正常代謝活動(dòng)；同時(shí)ZnO NPs的存在還會(huì)使EPS中的蛋白質(zhì)與多糖含量降低，使污泥出現(xiàn)顆粒解體現(xiàn)象[9]。ZnO NPs也使PHA在微生物中的含量增多，促進(jìn)了糖原的分解和合成，而PHA增加是由于聚糖菌分解糖原產(chǎn)生的PHV增加，因此加入較高濃度ZnO NPs促進(jìn)了聚糖菌的活動(dòng)進(jìn)而抑制了聚磷菌的活動(dòng)。

Zheng等[10]研究了ZnO NPs對(duì)于活性污泥系統(tǒng)生物除磷的影響。研究表明10 mg/L和50 mg/L的ZnO NPs使系統(tǒng)除磷失效，出水中的磷濃度分別為10.3和16.5 mg/L(進(jìn)水磷濃度為9.8 mg/L)。進(jìn)一步的研究表明，ZnO NPs溶解在水中釋放出Zn2+并且導(dǎo)致活性氧產(chǎn)量增加，Zn2+和活性氧共同作用抑制了聚磷菌的活性，降低了聚磷酸鹽激酶及外切聚磷酸酶的數(shù)量。Hu等進(jìn)行ZnO NPs對(duì)EBPR長(zhǎng)期影響的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著的進(jìn)行，即使在低濃度(2 mg/L)的情況下，ZnO NPs也會(huì)明顯抑制釋磷和吸磷的過程[11]。在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)除磷系統(tǒng)對(duì)ZnO NPs的耐受能力較脫氮系統(tǒng)更弱[12]。ZnO NPs產(chǎn)生的氧化應(yīng)激性也被報(bào)道會(huì)引起細(xì)胞膜損傷、胞液滲漏以及脂質(zhì)過氧化[13]。研究發(fā)現(xiàn)水體中的ZnO NPs能夠促使微生物產(chǎn)生大量胞內(nèi)氧自由基，而其對(duì)細(xì)胞質(zhì)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及細(xì)胞中其他中間體有明顯抑制作用。眾所周知，生物除磷過程包含了一系列的生化過程，例如厭氧釋磷作用與好氧或缺氧吸磷作用[14-15]。故ZnO NPs能促使水體微生物產(chǎn)生大量ROS(抑制劑)對(duì)除磷過程中的生化作用產(chǎn)生一定抑制效果。

3.2 ZnO NPs對(duì)EBPR的生物毒性

隨著納米毒理學(xué)的開展，ZnO NPs的生物毒性受到人們的廣泛關(guān)注。已有研究證明金屬氧化物納米顆粒對(duì)微生物有較大的毒性[9]。毒理學(xué)研究表明，ZnO NPs對(duì)微生物具有較強(qiáng)的毒性，而且具有一定的菌種選擇性[16-17]。10 mg/L的ZnO NPs會(huì)顯著減少Bacillus subtilis的生長(zhǎng)活性(最高90%)，但對(duì)于Escherichia col只能減少22%的生長(zhǎng)活性[18]。相比其它納米顆粒，ZnO NPs對(duì)活性污泥中引起污泥膨脹的菌群、產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷菌等表現(xiàn)出更強(qiáng)的毒性[15-16]。ZnO NPs毒性具有一定的菌種選擇性。加入納米顆粒后群落優(yōu)勢(shì)菌群蛋白質(zhì)細(xì)菌(Proteobacteria)，類桿菌(Bacteroidetes)，放線菌門(Actinobacteria)在群落中的占比都產(chǎn)生了變化，聚磷菌(Rhodocyclales)豐度減少，聚糖菌從屬細(xì)菌(Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria)的豐度增加。此外加入ZnO NPs增加了對(duì)重金屬具有抗性的細(xì)菌Zoogloea的豐度，降低了與活性污泥膨脹有關(guān)的細(xì)菌嗜鹽桿菌(Haliscomenobacter)的豐度使活性污泥沉降性能降低。一項(xiàng)研究表明，當(dāng)SBR穩(wěn)定運(yùn)行55 d后，向系統(tǒng)中加入與環(huán)境濃度相近(1 mg/L)的ZnO NPs，此后SBR系統(tǒng)生物除磷效率開始降低，系統(tǒng)運(yùn)行到第120 d時(shí)，系統(tǒng)除磷效率降為30%左右，該研究還發(fā)現(xiàn)加入ZnO NPs后導(dǎo)致性污泥沉降性能降低，微生物菌群中的菌群減少[19]；對(duì)活性污泥菌群影響的報(bào)道中還指出1 mg/L和5 mg/L的ZnO NPs增加了與生物吸附、耐受重金屬及污泥膨脹相關(guān)的菌的豐度，如普及甲基多樣化(Methyloversatilis Universalis)，動(dòng)球分支(Zoogloea Ramigera)和羥基石斑桿菌(Haliscomenobacter Hydrossis)。研究指出，大量的ZnO NPs會(huì)經(jīng)過污水處理廠的一級(jí)處理進(jìn)入到二級(jí)的生物處理系統(tǒng)[20]。隨著ZnO NPs進(jìn)入生物處理系統(tǒng)，ZnO NPs可能會(huì)促使微生物產(chǎn)生大量胞內(nèi)氧自由基，以及通過抑制酶活性等途徑對(duì)活性污泥中的某些菌群產(chǎn)生抑制作用，從而降低生物處理效率[19,21]。相比其它納米顆粒，ZnO NPs對(duì)活性污泥中引起污泥膨脹的菌群、產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷菌等表現(xiàn)出更強(qiáng)的毒性[15,18]。在有關(guān)ZnO NPs對(duì)EBPR系統(tǒng)的影響研究領(lǐng)域，雖然Zheng等就ZnO NPs對(duì)短期的除磷效率進(jìn)行了研究[10]，但針對(duì)EBPR系統(tǒng)尤其是顆?；疎BPR系統(tǒng)進(jìn)行的ZnO NPs長(zhǎng)期作用對(duì)除磷效率、微生物代謝過程、菌群結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)制研究鮮見報(bào)道，有待進(jìn)一步探究。

3.3 ZnO NPs對(duì)EBPR除磷的影響機(jī)理

Hu等[11]發(fā)現(xiàn)ZnO NPs會(huì)在EBPR系統(tǒng)中積累，并且ZnO NPs濃度越高，在門系統(tǒng)水平對(duì)微生物群落遷移的誘導(dǎo)能力越強(qiáng)，而2～10 mg/L ZnO NPs對(duì)α蛋白菌都有明顯的抑制作用。嗜酸假絲酵母[22]是一種典型的PAOs，而競(jìng)爭(zhēng)性磷酸鹽假絲酵母[23]則是代表聚糖菌(GAOs)的微生物群落。嗜酸菌和競(jìng)爭(zhēng)菌都隨著ZnO NPs濃度的增加而減少，但是2 mg/L ZnO NPs對(duì)聚糖菌的抑制作用大于PAOs；高濃度的ZnO NPs則相反，隨著濃度的增加，對(duì)PAOs的抑制作用大于聚糖菌。

納米顆粒在活性污泥系統(tǒng)中的去向?yàn)榧s有3% ZnO NPs顆粒留在上清液中，吸附在EPS上的ZnO大約有7%，進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)的納米顆粒則高達(dá)90%。在另一項(xiàng)研究中也發(fā)現(xiàn)，投加25 mg/L ZnO NPs能在短期暴露條件下使系統(tǒng)除磷效率降低到9.3%，長(zhǎng)期暴露條件下使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥EPS產(chǎn)量降低，MLVSS與MLSS的比值顯著下降，細(xì)菌形態(tài)發(fā)生不規(guī)則改變，且出現(xiàn)大量死亡[12]。ZnO NPs溶解在水中釋放出Zn2+并且導(dǎo)致活性氧產(chǎn)量增加，Zn2+和活性氧共同作用抑制了聚磷菌的活性，降低了聚磷酸鹽激酶及外切聚磷酸酶的數(shù)量。Zn2+被認(rèn)為是ZnO NPs對(duì)恥垢分枝桿菌，月芽藻與海洋浮游植物產(chǎn)生抑制作用的真正原因。而且ZnO NPs能夠促使生物系統(tǒng)產(chǎn)生過多的抑制劑，導(dǎo)致自由基過量而失衡并攻擊機(jī)體[19,21,24]。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)各大水系富營(yíng)養(yǎng)化污染的集中爆發(fā)，如何整治河道、去除磷元素已成為政府及其他環(huán)保人士迫在眉睫的問題。目前，EBPR系統(tǒng)已成為我國(guó)實(shí)際城鎮(zhèn)污水廠主要去除磷元素的工藝，因此，如何提高其運(yùn)行效率與穩(wěn)定性能已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。要提高EBPR運(yùn)行效率并保證其穩(wěn)定運(yùn)行，就必須明確各種運(yùn)行條件對(duì)系統(tǒng)除磷過程的作用機(jī)制。

納米材料應(yīng)用已越來越廣泛，半導(dǎo)體、化妝品、服裝中都含有不同程度的納米材料。已有研究報(bào)道，納米材料直接或間接排入環(huán)境中，將會(huì)對(duì)人類健康、動(dòng)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生有害影響。其中，以ZnO NPs毒性最強(qiáng)，因?yàn)閆nO NPs可以溶解在水中，并且可釋放出金屬Zn2+，因此對(duì)于活性污泥中的微生物具有更強(qiáng)的毒性。

目前，雖然已經(jīng)有ZnO NPs對(duì)短期的除磷效率的研究，但是針對(duì)EBPR系統(tǒng)尤其是顆?；疎BPR系統(tǒng)進(jìn)行的ZnO NPs長(zhǎng)期作用對(duì)除磷效率、微生物代謝過程、菌群結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)制研究也鮮見報(bào)道，有待進(jìn)一步探究。因此，為促進(jìn)EBPR系統(tǒng)工藝的實(shí)際工程應(yīng)用，保證其高效穩(wěn)定的運(yùn)行，必須從我國(guó)城鎮(zhèn)混合污水的實(shí)際特征出發(fā)，考察ZnO NPs對(duì)EBPR系統(tǒng)的影響機(jī)制及其可恢復(fù)性，開展ZnO NPs對(duì)EBPR系統(tǒng)生物除磷過程的長(zhǎng)期影響及作用機(jī)制研究。這將有助于深入理解EBPR系統(tǒng)中抑制因此對(duì)微生物的作用機(jī)制，有望促進(jìn)該系統(tǒng)生物除磷機(jī)理的完善，并對(duì)受到抑制因此干擾的城鎮(zhèn)污水處理廠的工藝恢復(fù)具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。