閆建文,徐傳召
(1 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安710048;2 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安710043)
納米材料越來(lái)越廣泛的使用,使得其以不同途徑進(jìn)入環(huán)境(大氣、水體、土壤)中,由于其具有顆粒小、表面積大的特點(diǎn),與其他材料相比有更大的表面活性和遷移性能,因此可能對(duì)環(huán)境造成一定影響[1]。自2003年Service[2]和Brumfiel[3]分別在《Science》和《Nature》上就納米材料的生物效應(yīng)問(wèn)題展開(kāi)探討開(kāi)始,人工合成納米材料的環(huán)境生物毒性效應(yīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
活性污泥法作為一種傳統(tǒng)而經(jīng)典的污水生物處理方法,在城市污水處理中應(yīng)用廣泛。處理過(guò)程中主要依靠生物相豐富的微生物聚集體“菌膠團(tuán)”對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解,并不斷進(jìn)行新陳代謝,從而達(dá)到連續(xù)處理廢水的目的。相比于物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù),基于微生物代謝作用的活性污泥法具有處理效果好、工程造價(jià)相對(duì)較低、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[4]。但隨著城市污水成分越來(lái)越復(fù)雜,有毒有害污染物沖擊污水處理廠內(nèi)生物處理系統(tǒng)的現(xiàn)象屢有發(fā)生。活性污泥已被證明是一種有效去除有毒有害物質(zhì)的生物材料,但是在活性污泥去除有毒有害物質(zhì)的過(guò)程中,活性表面特性及微生物系統(tǒng)是否受到有毒有害物質(zhì)沖擊的影響,沖擊影響的程度如何,目前還沒(méi)有一個(gè)明確的定論。金屬氧化物納米顆粒在城市污水和化工廢水中廣泛存在,而且排放量在逐步增大,活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和高效,必然會(huì)受到金屬氧化物納米顆粒的影響,因此正確預(yù)測(cè)和評(píng)估城市污水中金屬氧化物納米顆粒影響污水生物處理工藝的風(fēng)險(xiǎn),加強(qiáng)對(duì)其生態(tài)毒性的研究,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本試驗(yàn)分析了不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒條件下,活性污泥系統(tǒng)脫氮效能及脫氮菌群的變化,以期揭示ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥脫氮系統(tǒng)的影響機(jī)制。
本試驗(yàn)采用圓柱形有機(jī)玻璃柱作為SBR反應(yīng)器,其有效容積4 L,內(nèi)徑100 mm。試驗(yàn)運(yùn)行周期為6 h,每個(gè)周期的具體運(yùn)行時(shí)間為進(jìn)水20 min,曝氣325 min,沉淀10 min,排水5 min。通過(guò)蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部進(jìn)水,由電磁閥控制從中部排水,空氣壓縮器從反應(yīng)器上部插入玻璃砂芯砂頭曝氣,溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)控制在2~4 mg/L。SBR實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。
圖 1 SBR試驗(yàn)裝置示意圖
本研究采用普通活性污泥培養(yǎng)好氧顆粒污泥,接種絮狀污泥取自某污水處理廠生化池,將放入4個(gè)反應(yīng)器的污泥進(jìn)行混合,以保證每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度基本相當(dāng)。以未投加ZnO納米顆粒的反應(yīng)器作為對(duì)照,其他3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分別投加ZnO納米顆粒,使其中的ZnO納米顆粒質(zhì)量濃度分別為1,10,20 mg/L (其他條件不變)。
稱(chēng)取一定質(zhì)量ZnO納米顆粒于潔凈廣口瓶中,用棉花塞緊瓶口并置于烘箱中干燥滅菌(110 ℃,3 h)。冷卻后,將廣口瓶放入無(wú)菌室內(nèi)進(jìn)行懸液配制。配制過(guò)程中需使用經(jīng)0.22 μm水系濾膜過(guò)濾滅菌的超純水,并將配制好的溶液超聲處置20 min,以使納米顆粒在懸液中呈分散狀態(tài)。
1.4.2 硝化速率(specific Ammonium Uptake Rate,sAUR) sAUR是表征硝化細(xì)菌活性的重要參數(shù)。本研究采用序批式靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)定sAUR[6]。試驗(yàn)初始條件(包括好氧顆粒污泥、人工污水組成)及工況條件(pH、DO、MLSS)與連續(xù)流裝置一致。計(jì)算公式如下:
采用熒光原位雜交(FISH)技術(shù)檢測(cè)活性污泥中硝化菌群(氨氧化細(xì)菌(Ammonia Oxidizing Bacteria,AOB)和亞硝酸氧化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria,NOB)),具體方法為:采用好氧氨氧化菌特異探針Nso190(綠色)、硝化桿菌特異探針NIT3(紅色)和硝化螺菌特異探針Ntspa662(紅色),與對(duì)照反應(yīng)器活性污泥及投加了1,10,20 mg/L ZnO納米顆粒懸液后不同階段的活性污泥生物樣品進(jìn)行雜交,測(cè)定活性污泥AOB和NOB豐度水平的變化情況,在此過(guò)程中,以CNtspa662和CNIT3探針作為非標(biāo)記競(jìng)爭(zhēng)性探針。FISH試驗(yàn)中所用的雜交探針和雜交條件見(jiàn)表1。
表 1 FISH試驗(yàn)中所用探針和雜交條件
圖 3 投加后0~60 d不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥氨氮和總氮(TN)去除率的影響
圖 4 不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥硝化速率的影響
從圖4可以看出,當(dāng)ZnO納米顆粒質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí),對(duì)硝化速率影響不明顯;當(dāng)ZnO納米顆粒質(zhì)量濃度為10 mg/L且暴露30 d時(shí),其對(duì)硝化速率有一定的抑制作用,與對(duì)照反應(yīng)器相比下降了29.1%;當(dāng)ZnO納米顆粒質(zhì)量濃度為20 mg/L且暴露30 d時(shí),其對(duì)硝化速率的抑制更加明顯,與對(duì)照反應(yīng)器相比下降了53.0%。經(jīng)過(guò)60 d的馴化,與30 d相比,10和20 mg/L ZnO納米顆粒處理的活性污泥硝化速率均有所恢復(fù),但與對(duì)照反應(yīng)器相比,10和20 mg/L ZnO納米顆粒處理的的活性污泥硝化速率仍分別降低了23.8%,45.6%。由此可知,生物硝化過(guò)程很容易受到外界因素的抑制[11-12]。
不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥中硝化菌群影響的FISH檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。
經(jīng)檢測(cè),對(duì)照反應(yīng)器內(nèi)AOB和NOB豐度水平較高,分別占總菌數(shù)的(30±8)%和(26±5)%;DO質(zhì)量濃度為3~5 mg/L,表明活性污泥反應(yīng)器完全處于好氧狀態(tài),AOB和NOB可以共同存在于活性污泥內(nèi),并使硝化作用良好地進(jìn)行。向反應(yīng)器內(nèi)投加1 mg/L ZnO納米顆粒懸液后,其對(duì)活性污泥硝化菌群的影響很小,30和60 d時(shí),反應(yīng)器內(nèi)AOB、NOB占總菌數(shù)的比例分別為(27±6)%,(27±4)%和(25±4)%,(24±3)%。向反應(yīng)器內(nèi)分別投加10,20 mg/L ZnO納米顆粒后,反應(yīng)30 d時(shí),反應(yīng)器內(nèi)AOB和NOB占總菌數(shù)的比例分別為(11±4)%,(17±2)%和(8±3)%,(15±2)%;反應(yīng)60 d時(shí),反應(yīng)器內(nèi)AOB和NOB占總菌數(shù)的比例分別為(17±4)%,(21±2)%和(12±3)%,(17±3)%,AOB和NOB豐度水平有所恢復(fù)。上述結(jié)果表明,低質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥中AOB和NOB影響較小,高質(zhì)量濃度(10~20 mg/L)ZnO納米顆粒則嚴(yán)重抑制了AOB和NOB的生長(zhǎng)。
圖 5 反應(yīng)30 d時(shí)不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥中脫氮菌群影響的FISH檢測(cè)
圖 6 反應(yīng)60 d時(shí)不同質(zhì)量濃度ZnO納米顆粒對(duì)活性污泥中脫氮菌群影響的FISH檢測(cè)
有研究表明,50 mg/L的TiO2納米顆粒經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期接觸會(huì)抑制氨單加氧酶和亞硝酸鹽還原酶的活性,ZnO納米顆粒作為抑制因子,可能通過(guò)與硝化酶類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)或非競(jìng)爭(zhēng)性作用來(lái)抑制硝化過(guò)程中酶反應(yīng)的進(jìn)行[13]。除了傳統(tǒng)的酶反應(yīng)抑制作用,酶轉(zhuǎn)錄、合成前置過(guò)程以及菌群長(zhǎng)期變化,都可能是硝化抑制的潛在作用點(diǎn)[14]。在某些特定的有毒物質(zhì)作用下,硝化速率與硝化菌群amoA mRNA水平存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)及一定的相關(guān)性[15]。
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