納米銀與六價鉻對污水生物處理的復合影響*

周婷婷 宋曉梅 鄭煜銘 苑志華#

(1.中國科學院城市環(huán)境研究所，中國科學院城市污染物轉(zhuǎn)化重點實驗室，福建 廈門 361021；2.中國科學院大學，北京 100049；3.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

納米銀是指粒徑在1～100 nm的銀單質(zhì)，因其具有優(yōu)良的抗菌性能，被廣泛應用于生物醫(yī)學、化妝品和食品包裝等領域[1],[2]232。然而，隨著納米銀使用量的增加，它對自然環(huán)境的不利影響也逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，納米銀不僅可以改變河流、湖泊等自然水體中微生物的種群結(jié)構(gòu)，而且能夠在食物鏈中富集[3-5]。KAEGI等[6]研究發(fā)現(xiàn)城市污水處理廠是納米銀進入自然水體前的重要“中轉(zhuǎn)站”，在控制納米銀的水環(huán)境風險方面具有重要作用。然而，有研究發(fā)現(xiàn)，具有殺菌性能的納米銀可以抑制污水生物處理系統(tǒng)中硝化細菌、聚磷菌等微生物的活性，進而給污水處理廠的運行帶來不利影響[7]84,[8]2,[9]。

研究表明，納米銀對污水生物處理的影響程度不僅與納米材料本身特征有關，也與污水、污泥和微生物種群結(jié)構(gòu)密切相關[7]84,[8]2,[10]。在我國的城市污水處理廠中，重金屬是存在于污水和污泥中的一大類污染物[11]319,[12]2456。有研究表明，納米銀與重金屬共存時，可以明顯改變砷、鎘和銅對水蚤的生物毒性和生物累積性，并影響鉛、鋅和銀在底泥中的環(huán)境轉(zhuǎn)化[13-14]。張傳玲等[15]也發(fā)現(xiàn)，納米銀與鎘共存可以對植物根系造成復合影響，與二者單獨存在時所具有的毒性存在較大差異。這些研究均揭示了納米銀和重金屬在環(huán)境中共存時產(chǎn)生的相互影響。城市污水處理廠中，六價鉻(Cr(Ⅵ))是主要存在的重金屬之一[12]2457,[16]。有研究發(fā)現(xiàn)污水中的總鉻為0.1～1.2 mg/L，而污泥是Cr(Ⅵ)進入污水處理廠后的主要載體，污泥中總鉻為10.6～639.0 mg/kg[11]319,[12]2457,[17]。Cr(Ⅵ)在一定條件下具有強氧化性，能夠降低污水生物脫氮除磷的效率，對污水生物處理產(chǎn)生不利影響。在納米銀與Cr(Ⅵ)共存的狀態(tài)下，二者的毒性和環(huán)境行為可能會相互影響，進而給污水生物處理和自然環(huán)境帶來不同于其單獨存在時的風險，但是，這方面的研究相對較少。因此，本研究將納米銀和Cr(Ⅵ)共同暴露于污水生物處理系統(tǒng)，研究它們對生物去除有機物、總磷(TP)和氨氮的影響，考察污泥粒徑的變化，以及二者進入污水生物處理系統(tǒng)后的流向，揭示納米銀和Cr(Ⅵ)的復合毒性效應，以期為納米銀和Cr(Ⅵ)的環(huán)境風險評價提供基礎數(shù)據(jù)。

1 方 法

1.1 試驗裝置與運行條件

試驗裝置采用有機玻璃制成的序批式活性污泥反應器(SBR)。反應器為直徑14.0 cm、高42.5 cm的圓柱體，有效體積為5.0 L，采取頂部進水和底部空氣曝氣的運行方式，每個循環(huán)為8.0 h，包括：厭氧2.5 h、曝氣4.0 h、沉淀1.0 h、排水10 min、空置20 min，每次排水3.0 L。反應器的初始污泥混合液懸浮固體(MLSS)為3 800 mg/L，污泥齡為25 d，溫度為(24±3) ℃。

1.2 納米銀的制備

按照文獻[9]中的方法，采用硼氫化鈉還原硝酸銀，并用聚乙烯醇作為分散劑，制備出粒徑為(14±3) nm的納米銀顆粒。為了使納米銀在加入反應器前保持穩(wěn)定，配制不同濃度的納米銀溶液，放置于低溫箱(≤4 ℃)中。

1.3 污泥接種與進水水質(zhì)

試驗接種污泥來源于生活污水處理廠的二沉池。污泥取回后，用紗布過濾掉大顆粒物和雜質(zhì)，并按照設定濃度將污泥加入到反應器中。使用人工配制廢水馴化污泥2個月。待反應器運行穩(wěn)定后，開展納米銀和Cr(Ⅵ)的暴露研究。按照文獻[18]中的配方進行人工配水，化學需氧量(COD)、氨氮和TP分別為(375±8)、(57±2)、(13.0±0.6) mg/L。

1.4 檢測方法

pH和溶解氧采用多功能水質(zhì)分析儀(WTW Multi342)檢測，COD、TP和氨氮采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(5B-3B(V8))檢測，污泥粒徑采用粒度分析儀(馬爾文MS2000)分析， MLSS采用《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)的重量法檢測。

出水和污泥混合液中總銀和總鉻采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜 (ICP-OES) 儀(PerkinElmer Optima 7000 DV))檢測，步驟：取適量循環(huán)結(jié)束后的出水或污泥混合液，加2.0 mL濃硝酸，80 ℃加熱20 min，再加1.0 mL硝酸和1.5 mL過氧化氫(體積分數(shù)30%)，在160～200 ℃下消解到0.5 mL左右，用去離子水定容；使用0.45 μm針式濾頭過濾，檢測濾液中總銀和總鉻的含量。出水中溶解態(tài)銀的含量檢測步驟：取適量循環(huán)結(jié)束后的出水，經(jīng)過0.45 μm針式濾頭過濾后，使用超濾膜裝置(Amicon)在5 000 r/min下離心過濾，檢測濾液中溶解態(tài)銀的含量。

1.5 暴露濃度和周期

設置4個相同的反應器，1號反應器為空白對照組，2號反應器暴露Cr(Ⅵ)，3號反應器暴露0.1 mg/L納米銀與Cr(Ⅵ)，4號反應器暴露1.0 mg/L納米銀與Cr(Ⅵ)(見表1)。在整個試驗周期內(nèi)，納米銀在3、4號反應器的使用量分別為0.1、1.0 mg/L；Cr(Ⅵ)在2、3、4號反應器的使用量相同，1～50、51～100、101～120、121～140 d依次為1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L，暴露周期分別為50、50、20、20 d。

表1 納米銀和Cr(Ⅵ)的暴露質(zhì)量濃度和暴露周期Table 1 Exposure mass concentrations and periods of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ)

2 結(jié)果與討論

2.1 對有機物去除的影響

由圖1可見，4個反應器出水COD沒有出現(xiàn)明顯的趨勢性變化，空白對照組的出水中COD平均質(zhì)量濃度為8.8 mg/L，而單獨暴露Cr(Ⅵ)的反應器出水中COD平均質(zhì)量濃度為11.6 mg/L，由此可見，1.0～20.0 mg/L的Cr(Ⅵ)對有機物去除有顯著的不利影響(P<0.01)。

圖1 納米銀和Cr(Ⅵ)對有機物去除的影響Fig.1 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of organic matter

在Cr(Ⅵ)和0.1 mg/L納米銀的作用下，出水COD平均值為11.5 mg/L，與單獨暴露Cr(Ⅵ)沒有顯著差別(P>0.05)，這說明0.1 mg/L納米銀的加入沒有引起Cr(Ⅵ)毒性的增強，而暴露Cr(Ⅵ)和1.0 mg/L納米銀后，出水中COD平均質(zhì)量濃度顯著增加，達到14.8 mg/L(P<0.01)。因此，1.0 mg/L納米銀的暴露，對COD的去除有顯著的不利影響。但是，從圖1可以看出，暴露后期(100 d后)，COD逐漸降低到單獨暴露Cr(Ⅵ)的狀態(tài)。這反映了納米銀沒有引起出水中COD出現(xiàn)明顯的趨勢性變化。這說明，≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和≤1.0 mg/L納米銀對生物去除污水中有機物并沒有產(chǎn)生明顯的趨勢性影響。文獻[17]和[19]報道，當Cr(Ⅵ)小于40.0 mg/L時，對好氧和厭氧生物處理有機物不會產(chǎn)生明顯影響，而1.0 mg/L納米銀可以引起COD去除率輕微降低，這與本研究的結(jié)果基本一致。因此，綜合來看，Cr(Ⅵ)和納米銀共同暴露沒有對污水生物去除有機物產(chǎn)生明顯的毒性增強效應。

2.2 對氨氮去除的影響

由圖2可見，空白對照組出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.3 mg/L，沒有出現(xiàn)明顯波動。在暴露1.0 mg/L Cr(Ⅵ)后，出水中氨氮迅速上升，9 d后質(zhì)量濃度達到34.9 mg/L，說明Cr(Ⅵ)對氨氮去除產(chǎn)生了較強抑制(P<0.01)。從圖2也可以看出，加入0.1、1.0 mg/L納米銀前后，出水中氨氮的變化趨勢較為接近，即≤1.0 mg/L的納米銀并未影響Cr(Ⅵ)對氨氮去除的抑制作用(P>0.05)。Cr(Ⅵ)對污水生物處理氨氮具有顯著的抑制作用，主要是因為Cr(Ⅵ)可以導致氨氧化的功能表達基因(amoA)快速減少，進而抑制氨氧化細菌(AOB)的活性[20-21]。納米銀對污水生物處理系統(tǒng)中氨氮去除的影響較小，1.0 mg/L納米銀單獨暴露時，氨氮去除沒有受到影響[7]89。從圖2可以看出，與Cr(Ⅵ)單獨暴露相比，Cr(Ⅵ)和納米銀共同暴露并未明顯改變氨氮的去除效率。

圖2 納米銀和Cr(Ⅵ)對氨氮去除的影響Fig.2 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of ammonia nitrogen

2.3 對TP去除的影響

從圖3可以看出，空白對照組出水中TP在0.1～5.0 mg/L波動。在最初暴露的20 d內(nèi)，1.0 mg/L Cr(Ⅵ)引起出水中TP快速升高后又使其恢復到暴露前的水平，這說明磷循環(huán)相關的微生物對1.0 mg/L Cr(Ⅵ)有一定的適應能力。暴露0.1 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)后，出水中TP的變化與單獨暴露Cr(Ⅵ)沒有顯著差異(P>0.05)。暴露1.0 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)后，出水中TP最高值大于單獨暴露Cr(Ⅵ)的水平，但是經(jīng)過20 d暴露后，TP又恢復到正常水平。當加入的Cr(Ⅵ)達到5.0 mg/L時，出水中TP再次升高，并快速恢復正常。這說明納米銀和Cr(Ⅵ)在短期內(nèi)對聚磷菌有一定的沖擊作用，但是其活性能夠快速恢復。圖3也反映出≤1.0 mg/L納米銀與≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)共同暴露，對生物除磷并沒有產(chǎn)生顯著的復合毒性效應(P>0.05)；當Cr(Ⅵ)達到20.0 mg/L時，共同暴露使得出水TP急劇上升，但單獨暴露20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時，在12 d后出水中TP含量才快速升高，這說明當Cr(Ⅵ)達到20.0 mg/L時，納米銀的暴露加速了Cr(Ⅵ)對除磷的不利影響。文獻[7]和[19]研究均發(fā)現(xiàn)0.1 mg/L納米銀對污水生物除磷沒有影響，但是1.0 mg/L納米銀可以降低污水生物除磷的效率，與本研究略有不同。文獻[9]、[17]、[22]、[23]研究表明，污染物暴露對污水生物除磷的影響主要是通過抑制污泥中與磷代謝有關的聚磷菌活性，導致其厭氧釋磷和好氧吸磷的能力減弱來實現(xiàn)的。

圖3 納米銀和Cr(Ⅵ)對TP去除的影響Fig.3 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the removal of TP

2.4 對污泥粒徑的影響

從圖4可以看出，空白對照組污泥粒徑隨著運行時間的延長而逐漸增加，當加入1.0～20.0 mg/L Cr(Ⅵ)后，污泥粒徑與未加入Cr(Ⅵ)的污泥粒徑相比，其變化趨勢沒有發(fā)生明顯改變，這說明≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)對污泥粒徑?jīng)]有顯著影響(P>0.05)。

圖4 納米銀和Cr(Ⅵ)對污泥粒徑的影響Fig.4 Effect of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) on the sludge particle size

≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和0.1 mg/L納米銀共同暴露未對污泥粒徑的變化趨勢產(chǎn)生顯著的復合影響(P>0.05)；≤20.0 mg/L Cr(Ⅵ)和1.0 mg/L納米銀共同暴露時，污泥粒徑的變化趨勢在最初階段沒有明顯改變，但在暴露67 d后，污泥粒徑增加趨勢開始變緩，這說明1.0 mg/L納米銀和Cr(Ⅵ)短期共同暴露(>67 d)對污泥粒徑?jīng)]有影響，但是長期共同暴露(≥67 d)會降低污泥粒徑的增長速率，當加入的Cr(Ⅵ)達到10.0 mg/L時，污泥粒徑增長受到抑制，其原因可能是Cr(Ⅵ)和納米銀進入污水生物處理系統(tǒng)后，容易被污泥吸附，進而累積到污泥中，隨著污泥富集的污染物增多，污泥受到的影響也越大，最終導致活性污泥胞外多聚物(EPS)減少，污泥絮體解體[7]89,[24]902,[25-26]。因此，Cr(Ⅵ)(≥10.0 mg/L)和納米銀(1.0 mg/L)可以對污泥粒徑產(chǎn)生復合影響。

2.5 納米銀和Cr(Ⅵ)經(jīng)過污水生物處理后的流向

圖5反映出經(jīng)過污水生物處理后，納米銀和Cr(Ⅵ)在出水和污泥混合液中的分布情況。從圖5(a)可以看出，在Cr(Ⅵ)為1.0、5.0、10.0、20.0 mg/L的4個階段內(nèi)，暴露0.1、1.0 mg/L納米銀的反應器出水中總銀在一定范圍內(nèi)波動，沒有出現(xiàn)趨勢性變化。同時，出水中溶解態(tài)銀都低于檢測限(3.0 μg/L)。因此，沒有出現(xiàn)納米銀被Cr(Ⅵ)氧化成銀離子的現(xiàn)象。從圖5(b)可以看出，當納米銀為0.1 mg/L時，銀在污泥混合液中沒有出現(xiàn)累積，但是當達到1.0 mg/L時，銀在污泥混合液中出現(xiàn)累積，這與文獻[24]的研究結(jié)果一致。使用1.0 mg/L納米銀的反應器中，當暴露140 d時，污泥混合液中總銀達到16.3 mg/L，銀在污泥混合液中出現(xiàn)趨勢性累積。原因可能是納米銀受到水質(zhì)和污泥的影響，能夠快速團聚并被污泥吸附，最終富集到污泥中[24]905。

從圖5(c)和圖5(d)可以看出，當Cr(Ⅵ)≤10.0 mg/L時，出水中總鉻保持相對穩(wěn)定，但是當Cr(Ⅵ)達到20.0 mg/L時，出水中總鉻急劇增加，并在20 d后達到14.6 mg/L；同時，污泥混合液中的總鉻在整個試驗階段一直持續(xù)增加，這說明Cr(Ⅵ)主要富集到污泥中。文獻[25]研究發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅵ)的去除和污水中的糖類物質(zhì)密切相關，且SBR和砂濾池可以去除95%的總鉻。因此，當污水中含有≤1.0 mg/L納米銀和≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)時，銀和鉻主要賦存在污泥中；當污水中含有20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時，不僅會引起鉻在污泥中富集，而且會使出水中的總鉻增加；但是，20.0 mg/L Cr(Ⅵ)沒有引起出水中總銀的升高。

圖5 納米銀和Cr(Ⅵ)經(jīng)過污水生物處理后的流向Fig.5 Fate of silver nanoparticles and Cr(Ⅵ) after sewage biological treatment

2.6 納米銀和Cr(Ⅵ)形成復合效應的原因

(1)

(2)

Ag++e-→Ag0,E0=0.80 V

(3)

(4)

圖3反映出當Cr(Ⅵ)達到20.0 mg/L時，納米銀和Cr(Ⅵ)對污水生物除磷產(chǎn)生了一定的復合影響，結(jié)合此階段反應器出水中總鉻升高以及污泥混合液中總銀和總鉻升高的現(xiàn)象，其產(chǎn)生復合作用的原因可能為暴露過多的Cr(Ⅵ)使污泥的吸附能力達到飽和，進而影響到污泥吸附納米銀和促進納米銀團聚的能力，這會導致污泥混合液中存在更多分散狀態(tài)的納米銀；納米銀產(chǎn)生的納米效應會影響到聚磷菌的活性，進而降低污水生物除磷效率[7]86。隨著污泥混合液中總鉻進一步升高，它對聚磷菌的活性也產(chǎn)生了抑制，進而影響到除磷效率。因此，在污泥吸附飽和的情況下，納米銀和Cr(Ⅵ)的復合毒性對污水生物除磷有一定的影響。

2.7 對環(huán)境風險的啟示

隨著納米銀使用量的增加，其釋放量也不可避免地逐漸增加。因此，納米銀進入水體、土壤和人工設施(如污水處理廠、垃圾填埋場)等環(huán)境后的風險也引起了重視[2]235。文獻[13]、[14]、[15]研究表明納米銀不僅會直接危害環(huán)境安全，還可以和重金屬(如As(Ⅴ)、鎘、銅、鉛、鋅和汞等)產(chǎn)生復合作用，間接產(chǎn)生生態(tài)風險。由于Cr(Ⅵ)在特定條件下具有強氧化性，它遇到納米銀后所造成的生態(tài)影響可能會與其單獨存在時有很大不同。從本研究結(jié)果來看，納米銀和Cr(Ⅵ)共同暴露于污水生物處理系統(tǒng)時，僅在暴露后期對除磷和污泥粒徑有復合影響，對有機物和氨氮的去除沒有產(chǎn)生明顯的復合影響，這主要與該反應器中污泥混合液的pH呈弱堿性有關，這種條件下Cr(Ⅵ)不具有強氧化性，無法對納米銀顆粒的化學轉(zhuǎn)化造成有效影響。但是，環(huán)境(如水體、底泥、土壤和污水處理廠等)中Cr(Ⅵ)的賦存條件和地球化學轉(zhuǎn)化特征都較為復雜，不僅存在著偏酸性的賦存環(huán)境，更是有Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的自然轉(zhuǎn)化[33-34]，這種情況下，納米銀和Cr(Ⅵ)的復合毒性將會更加復雜。綜合來看，當前污水處理廠進水中納米銀和Cr(Ⅵ)都較低(<1.0 mg/L)[35-36]，再結(jié)合其進水pH大致為7～8的情況，可以看出二者目前對污水生物處理帶來的復合毒性效應較小。

3 結(jié) 論

(1) ≤1.0 mg/L納米銀和20.0 mg/L Cr(Ⅵ)在試驗條件下共同暴露沒有對污水生物去除有機物和氨氮產(chǎn)生復合毒性，但是對污水生物除磷產(chǎn)生了一定的復合影響，降低了污水除磷效率，而1.0 mg/L納米銀和20.0 mg/L Cr(Ⅵ)則對污泥粒徑產(chǎn)生了一定的復合影響并減緩了污泥粒徑增長速率，二者共同暴露所引起的復合生態(tài)風險不應忽視。

(2) 污水中含有≤1.0 mg/L納米銀和≤10.0 mg/L Cr(Ⅵ)時，銀和鉻主要賦存在污泥中；污水中含有20.0 mg/L Cr(Ⅵ)時，鉻不僅會富集到污泥中，還會增加出水中總鉻的含量。