納米ZnO濃度對EBPR系統(tǒng)除磷性能的影響

施延君，董樹杰，陳 英，胡亞琴，李 琦，陳孝孝

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

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，我國磷污染物的排放量急劇增加[1-2]。由于磷的過量排放而引起的水體富營養(yǎng)化對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)等諸多行業(yè)已產(chǎn)生嚴重危害，也對飲水衛(wèi)生和食品安全構(gòu)成了巨大的威脅[3-5]。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[6]。EBPR工藝是目前廣泛接受和認可的經(jīng)濟有效的生物除磷工藝，該工藝要求厭氧和好氧交替運行以富集聚磷菌[7](Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)。PAOs在EBPR系統(tǒng)中起關(guān)鍵除磷作用。然而，PAOs對底物和環(huán)境條件十分敏感，容易受進水中含有的有毒有害物質(zhì)所抑制從而導致EBPR系統(tǒng)的除磷效率下降甚至完全喪失。因此，為了提升EBPR系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，探明各種抑制因子對EBPR系統(tǒng)的作用機制是當前污水生物除磷領(lǐng)域的研究熱點。

納米材料在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活用品(如半導體和化妝品)中的廣泛應用，使其無可避免的進入到了市政污水中，進而進入污水處理廠。很多納米顆粒具有抗菌性(比如ZnO NPs、Ag NPs、TiO2NPs)，因此納米顆粒可能會給污水處理廠的正常運行造成沖擊。而其中ZnO NPs是使用廣泛、毒性較強的典型金屬氧化物納米材料，其大規(guī)模的使用也增加了其進入生態(tài)環(huán)境的可能性。因此，充分了解ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)的作用是十分有必要的。

1 材料與方法

1.1 馴化污泥

實驗采用有效容積為10 L的SBR反應器，以乙酸作為單一碳源富集PAOs。反應器接種的活性污泥取自杭州市某污水廠的沉淀池。反應器每天運行4個周期，每周期運行6 h，其中厭氧2.5 h、好氧3 h、沉淀20 min、排水5 min、進水5 min。每個周期進水2.5 L，出水2.5 L，反應器內(nèi)污泥濃度維持在2 500±200 mg·L-1，水力停留時間為24 h，污泥停留時間為10 d。反應器內(nèi)的pH在7.5±0.5之間。

系統(tǒng)中每升配水組分：32.5 mg CH3COONa；17.5 mg KH2PO4；29.325 mg K2HPO4；5.90 mg NH4Cl；2.25 mg MgSO4·7H2O；0.55 mg CaCl2；0.1 mg ATU和15 μL微量元素。

每升微量元素組分[8-9]：10 g EDTA；0.15 g H3BO3；0.03 g CuSO4·5H2O；0.18 g KI；0.12 g MnCl2·4H2O；0.0438 g H8MoN2O4；0.12 g ZnSO4·7H2O；0.15 g CoCl2·6H2O；1.5 g FeCl·6H2O。

1.2 批次試驗

1.3 分析方法

1.3.1 測試方法

1.3.2 參數(shù)分析方法

ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)釋磷、吸磷的抑制關(guān)系可以通過非競爭性抑制模型對比擬合得到[13]，見式(1)：

(1)

由式(1)可得式(2)：

(2)

式中：

qeff是在不同抑制因素下的EBPR系統(tǒng)的速率，mg/(gVSS·min)；

q是在不含抑制因子的(即空白對照組)EBPR系統(tǒng)的速率，mg/(gVSS·min)；

KI是在抑制因子沖擊下的EBPR系統(tǒng)的抑制系數(shù)，L/(gVSS·min)；

I是抑制因子濃度，mg/L。

2 結(jié)果和討論

2.1 ZnO NPs對顆?；疎BPR系統(tǒng)除磷性能的影響

2.1.1 對除磷性能的影響

2.1.2 對COD去除性能的影響

不同濃度的ZnO NPs對COD的影響如圖2所示。由圖2可見，0 ～ 15 mg·L-1的ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)1個周期的COD的消耗有略微影響。隨著ZnO NPs濃度的增加，EBPR系統(tǒng)在厭氧階段中的COD的消耗而不斷減少。但是在75 min時5個試驗組和空白組的COD濃度都已降為0。

從上述結(jié)果可以得出結(jié)論，在試驗運行1個周期的過程中，厭氧階段的COD消耗速率隨著EBRP系統(tǒng)中ZnO NPs的濃度增加而降低。但在75 min時EBPR系統(tǒng)內(nèi)COD濃度均為0，這說明雖然ZnO NPs加入對EBPR系統(tǒng)中PAOs對COD的吸收有抑制作用但并沒有顯著的影響。

2.2 ZnO NPs對顆?；疎BPR系統(tǒng)動力學參數(shù)的影響

從圖3中我們可以看出，隨著系統(tǒng)中的ZnO NPs濃度不斷增加，整個周期的厭氧釋磷、好氧吸磷始終存在。當ZnO NPs濃度為1 mg/L時，厭氧釋磷速率和好氧吸磷速率都比空白對照組釋、吸磷速率高。但當濃度>1 mg/L時，隨著ZnO NPs濃度的增加厭氧釋磷速率和好氧吸磷速率都逐漸減小。當ZnO NPs濃度為15 mg/L時，厭氧釋磷速率降低至0.53 mg/(gVSS·min)，好氧吸磷速率降低至0.47 mg/(gVSS·min)，相比于空白對照組分別減少了約0.1 mg/(gVSS·min)、0.15 mg/(gVSS·min)?？梢钥闯鲈诓煌瑵舛鹊腪nO NPs沖擊下EBRP系統(tǒng)的釋磷速率、吸磷速率與ZnO NPs濃度呈線性關(guān)系，通過對比擬合我們可以得到低濃度ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)的厭氧階段釋磷速率為0.015 6 L/(gVSS·min)，好氧階段吸磷速率為0.024 5 L/(gVSS·min)，用式(2)進行擬合，得到的抑制系數(shù)為：KI-re= 64.10、KI-ab= 40.82。

從上述結(jié)果可以得出結(jié)論，在試驗運行1個周期的過程中，當ZnO NPs濃度>1 mg/L時，EBPR系統(tǒng)的厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率都ZnO NPs的濃度增加而不斷降低，這說明加入的ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)中的厭氧釋磷及好氧吸磷有抑制作用，且從抑制系數(shù)KI-re和KI-ab可知，厭氧釋磷過程比好氧吸磷過程對于ZnO NPs的毒性更加敏感。但在厭氧/好氧階段，0 ～ 15 mg/L的ZnO NPs與空白對照組相比，EBPR系統(tǒng)的厭氧釋磷速率/好氧吸磷速率差異并不大，這說明雖然低濃度ZnO NPs對EBPR系統(tǒng)中厭氧釋磷及好氧吸磷有抑制作用但并沒有顯著的影響。

表1 ZnO NPs對顆粒化EBPR系統(tǒng)最大釋磷速率、最大吸磷速率的抑制系數(shù)

3 結(jié)論

本試驗采用厭氧/好氧交替運行的SBR工藝，以成熟的EBPR絮狀污泥為接種污泥，探討了不同濃度的ZnO NPs對顆粒化EBPR系統(tǒng)的系統(tǒng)除磷特性、厭氧釋磷及好氧吸磷速率、去除COD的能力的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)在顆?；疎BPR系統(tǒng)中，低濃度ZnO NPs對系統(tǒng)中PAOs生長有促進作用。當ZnO NPs濃度為1 mg/L時，對系統(tǒng)的厭氧釋磷和好氧吸磷過程有促進作用。

(2)在顆粒化EBPR系統(tǒng)中，高濃度ZnO NPs對系統(tǒng)中PAOs生長有抑制作用，對系統(tǒng)去除磷酸鹽及COD的能力有明顯抑制，且PAOs厭氧釋磷過程比好氧吸磷過程對于ZnO NPs的毒性更加敏感。隨著系統(tǒng)中ZnO NPs濃度的增加，系統(tǒng)中PAOs生長受到抑制，ZnO NPs濃度越高，抑制程度越大。