ZnO納米材料對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響及其機(jī)理研究*

程書波 張永美

(1.河南理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理研究中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作 454000)

ZnO納米材料對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響及其機(jī)理研究*

程書波1，2張永美1，2

(1.河南理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理研究中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作 454000)

在序批式反應(yīng)器中探究了ZnO納米材料(ZnONP)對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響及其影響機(jī)理。結(jié)果表明：與空白組相比，5mg/LZnONP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫影響不明顯，而120mg/LZnONP能抑制污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，并且氫氣產(chǎn)量是空白組的23.4%；高濃度ZnONP能抑制溶解性蛋白質(zhì)和多糖的溶出，并能嚴(yán)重抑制蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和氫化酶活。

ZnO納米材料 厭氧發(fā)酵 產(chǎn)氫 剩余污泥

生物脫氮除磷技術(shù)由于能有效去除水體中的氮磷元素而遏制了水體富營養(yǎng)化，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于污水處理廠[1]。但該技術(shù)有一個缺點(diǎn)，即產(chǎn)生大量的剩余污泥[2]。剩余污泥中含有大量的重金屬、有機(jī)污染物及病原體等，若得不到有效地處理與處置會造成環(huán)境的二次污染。另一方面，隨著石油等能源物質(zhì)的消耗會造成溫室效應(yīng)，而氫氣燃燒產(chǎn)物只有水而被認(rèn)定為理想的能源物質(zhì)[3]。近年來，因?yàn)槔檬Ｓ辔勰鄥捬醢l(fā)酵產(chǎn)氫一方面可實(shí)現(xiàn)剩余污泥的處理與處置，另一方面能回收能源物質(zhì)氫氣[4]，所以該技術(shù)逐步得到有關(guān)學(xué)者的關(guān)注。

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料也被應(yīng)用在涂料、催化劑等工業(yè)產(chǎn)品中，ZnO納米材料(ZnO NP)由于其特有的屬性而被廣泛的重視[5]。含有ZnO NP的物質(zhì)在使用過程會造成大量ZnO NP的釋放，最終隨水體進(jìn)入污水處理廠，進(jìn)而干擾生物脫氮除磷和污泥的厭氧處理[6]。MU等[7]報道，ZnO NP能降低產(chǎn)甲烷關(guān)鍵酶F420的酶活，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫與厭氧產(chǎn)甲烷是不同的生化反應(yīng)，其參與的功能菌種也不同，然而ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響至今尚未報道。本研究重點(diǎn)探究了ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，并進(jìn)一步探究了ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 ZnO NP與污泥

ZnO NP購買于當(dāng)?shù)啬成镏扑幑?，其基本粒徑?20 nm。

剩余污泥取自當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的二沉池，取回后在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過1 mm×1 mm的濾篩后靜置24 h，去掉上清液備用。基本性質(zhì)如下：pH 6.8，總懸浮固體(TSS)12 600 mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)10 240 mg/L，溶解性COD(SCOD)120 mg/L，總COD 13 520 mg/L，總蛋白質(zhì)(以COD量計)8 240 mg/L，總糖(以COD量計)1 350 mg/L。

1.2 ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

本實(shí)驗(yàn)在5個序批式反應(yīng)器中進(jìn)行，每個反應(yīng)器中污泥量為800 mL。為探究ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷菌活性應(yīng)被抑制，因此通過嚴(yán)格控制pH=10.0來抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。不同劑量的ZnO NP投加至反應(yīng)器中使得ZnO NP質(zhì)量濃度分別為0、5、30、60、120 mg/L。本實(shí)驗(yàn)沒有額外接種物質(zhì)的添加，因此剩余污泥既起到接種物的作用又起到發(fā)酵基質(zhì)的作用。最后，向反應(yīng)器中充入5 min高純氮?dú)馀诺舴磻?yīng)器中內(nèi)部空氣，然后密封，放置在轉(zhuǎn)速為120 r/min的搖床上，搖床的溫度控制在35 ℃。

1.3 測定方法

pH采用PHS-3E雷磁pH計測定。COD根據(jù)《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定?？偟鞍踪|(zhì)采用凱氏定氮法[8]測定。溶解性蛋白質(zhì)采用福林酚法[9]測定。總糖采用蒽酮比色法[10]測定。溶解性多糖采用苯酚-硫酸法[11]測定。VSS、TSS、SCOD根據(jù)文獻(xiàn)[12、13]測定。氫氣和揮發(fā)性脂肪酸(VFA，主要包含乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸)采用氣相色譜法[14]測定。氣相色譜配有熱檢測器、不銹鋼填充柱，進(jìn)樣口、填充柱和檢測器的溫度分別控制在40、40、80 ℃，氮?dú)庾鳛檩d氣，且流速為30 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

由圖1可知，空白組(0 mg/L)中氫氣產(chǎn)量呈現(xiàn)先上升后維持不變的趨勢，148 h時氫氣產(chǎn)量穩(wěn)定為26.5 mL/g。這主要是強(qiáng)堿性環(huán)境能抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，進(jìn)而減少氫氣的消耗。當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度為5 mg/L時，氫氣最大產(chǎn)量為25.8 mL/g，與空白組相差不明顯；當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度為30 mg/L時，氫氣產(chǎn)量受到嚴(yán)重的抑制，最大產(chǎn)量為14.9 mL/g，是空白組的56.2%；進(jìn)一步提高ZnO NP濃度，氫氣最大產(chǎn)量也進(jìn)一步被抑制，當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度為120 mg/L時，氫氣最大產(chǎn)量僅為6.2 mL/g，是空白組的23.4%。表明低濃度的ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫影響不明顯，而高濃度的ZnO NP卻能嚴(yán)重抑制污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。

注：氫氣產(chǎn)量以單位VSS量計。圖1 ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.1 Effect of ZnO NP on the production of hydrogen from anaerobic fermentation of sludge

2.2 ZnO NP抑制污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的機(jī)理

在機(jī)理研究中，本研究重點(diǎn)研究了0、5、120 mg/L的ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。由圖2可知， 5mg/L ZnO NP作用下污泥外觀與空白組相差不明顯，然而當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度提高到120 mg/L時，污泥表面被嚴(yán)重破壞。

圖2 不同ZnO NP質(zhì)量濃度下污泥的電子掃描圖Fig.2 Scanning electron micrographs imaging of sludge exposed to different mass concentrations of ZnO NP

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是生物作用，厭氧微生物要想利用污泥內(nèi)的有機(jī)質(zhì)首先要實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放[15]。由圖3可見，溶解性蛋白質(zhì)和多糖均隨著時間而呈現(xiàn)上升的趨勢。與空白組相比，5 mg/L ZnO NP作用下溶解性蛋白質(zhì)和多糖相差均不明顯；當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度為120 mg/L時，溶解性蛋白質(zhì)和多糖嚴(yán)重被抑制，24 h時分別為89、26 mg/L，分別是空白組的53%和50%。溶解性物質(zhì)的釋放是后續(xù)產(chǎn)氫的發(fā)酵基質(zhì)，高濃度ZnO NP能嚴(yán)重抑制溶解性物質(zhì)的釋放，這也是導(dǎo)致高濃度ZnO NP抑制污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的原因之一。

圖3 ZnO NP對溶解性蛋白質(zhì)和多糖的影響Fig.3 Effect of ZnO NP on soluble protein and carbohydrate

生物產(chǎn)氫主要發(fā)生在酸化階段，酸化類型也會影響氫氣產(chǎn)量。由圖4可見，乙酸和丙酸濃度最大，隨后是異丁酸。在之前報道中，乙酸和丁酸含量較大有助于氫氣產(chǎn)生，而丙酸的生成不易于氫氣的生成[16-17]。空白組中丙酸占21%，而120 mg/L ZnO NP作用下則升高到28%，丙酸含量的提高能抑制產(chǎn)氫微生物的活性。

注：VFA各組分質(zhì)量濃度以單位VSS量產(chǎn)生的COD量計。圖4 ZnO NP對VFA各組分質(zhì)量濃度的影響(氫氣最大產(chǎn)量時)Fig.4 Effect of ZnO NP on individual VFA mass concentrations (maximum hydrogen yield)

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是一種生化反應(yīng)，這其中有關(guān)鍵酶的調(diào)控。本研究中pH控制在10.0，產(chǎn)甲烷菌活性被嚴(yán)重抑制，因此重點(diǎn)測試了水解和產(chǎn)氫酶活。蛋白酶和α-葡萄糖苷酶分別對蛋白質(zhì)和多糖的分解起主要作用[18-19]。氫化酶是生物產(chǎn)氫過程中的關(guān)鍵酶。由圖5可見，5 mg/L ZnO NP作用下蛋白質(zhì)、α-葡萄糖苷酶及氫化酶的相對酶活與空白組相差均不明顯；當(dāng)ZnO NP質(zhì)量濃度升高到120 mg/L時，蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和氫化酶的相對酶活分別是空白組的56%、48%、49%，說明高濃度ZnO NP嚴(yán)重抑制了水解和產(chǎn)氫關(guān)鍵酶活。這也與高濃度ZnO NP作用下溶解性蛋白質(zhì)及多糖含量顯著小于空白組相對應(yīng)。

圖5 ZnO NP對關(guān)鍵酶活的影響(氫氣最大產(chǎn)量時)Fig.5 Effect of ZnO NP on the activities of key enzymes responsible (maximum hydrogen yield)

此外，同樣探究了ZnO NP對產(chǎn)酸關(guān)鍵酶的影響，乙酸激酶與乙酸的形成有密切關(guān)系，而草酰乙酸轉(zhuǎn)羧化酶與丙酸的形成有密切關(guān)系。由圖5可知，5 mg/L ZnO NP對乙酸激酶和草酰乙酸轉(zhuǎn)羧化酶的影響不大，而120 mg/L ZnO NP則具有嚴(yán)重的抑制作用，也與圖4結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

氫氣產(chǎn)量與ZnO NP濃度相關(guān)，即低濃度ZnO NP對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響不明顯，而120 mg/L ZnO NP作用下污泥的氫氣產(chǎn)量僅為空白組的23.4%。低濃度ZnO NP對污泥的水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)氫關(guān)鍵酶活影響不明顯，而高濃度ZnO NP卻能抑制污泥中溶解性蛋白質(zhì)和多糖的溶出，并嚴(yán)重抑制了污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。

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ResearchontheeffectandmechanismofnewpollutantZnOnanophaseonhydrogenproductionfromanaerobicfermentationofsludge

CHENGShubo1，2，ZHANGYongmei1，2.

(1.SafetyandEmergencyResearchCenter，HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454000；2.EmergencyManagementSchool，HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454000)

The impact of ZnO nanophase (ZnO NP) on hydrogen production from anaerobic fermentation of waste activated sludge in sequencing batch reactor was explored. Experimental results showed 5 mg/L ZnO NP caused insignificant influence on hydrogen production as compared with that in blank，however，120 mg/L ZnO NP seriously inhibited hydrogen production from sludge fermentation，and the hydrogen production was 23.4% of that in blank. High levels of ZnO NP inhibited the release of soluble protein and carbohydrate and seriously inhibited the activities of protease，α-glucosidase and hydrogenase.

ZnO nanophase； anaerobic fermentation; hydrogen production; waste activated sludge

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.002

程書波，男，1979年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楣虖U資源化處理、水污染控制工程。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41101460)。

2016-07-13)