纳米TiO2对污水生物脱氮除磷的影响

李大鹏，崔福义，杨晓南，李慧婷

（哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨150090）

纳米材料因其特有的纳米尺度和纳米结构而具有优越的磁性、导电性、反应活性和光学性质，已广泛应用于工业、医药等领域［1－2］.2003年以来，“Science”，“Nature”等著名杂志先后刊登了评论员文章，呼吁加强纳米材料的环境行为和生态效应研究［3－4］；2005年，美、英等国的环保部门制订并启动了纳米材料环境行为、生态效应的研究计划［5－6］.近来，越来越多的研究证实，纳米材料具有一定的生物毒性［7］，被认为是一类潜在的新型污染物.已有研究表明，人们的生产和生活过程中都会导致纳米TiO2进入到环境中［8－9］，尤其是水环境中［10］.Kaegi等发现，纳米TiO2颗粒在受到雨水冲刷后，可以从涂漆过的房屋外墙被雨水冲落，最后排入水环境中［11］，其中检测到的＜100nm 的纳米TiO2密度达3.5×108个／L.

城市污水处理厂是环境中污染物重要的集中处理场所，而纳米材料还可能通过生产事故、突发污染、生产废水的泄漏或偷排等途径进入到地表水或江河中，从而以污水为载体进入城市污水厂，最终富集在活性污泥中［12］.Paul Westerhoff等同时对10座具有代表性的污水处理厂的进水和活性污泥中纳米TiO2的浓度进行了跟踪监测［13］，结果显示：进入污水厂前，市政污水中纳米TiO2的最高值为1 233μg／L；经过处理后，活性污泥中富集的纳米TiO2最高可达802μg／kg.

本文以纳米TiO2为研究对象，将不同浓度梯度的纳米TiO2投加到SBR 反应器体系中，考察不同质量浓度的纳米TiO2在较短时间内对污水生物脱氮除磷过程及活性污泥的影响情况，以为深入研究纳米材料对水环境的潜在危害提供理论基础.

1 研究方法

1.1 SBR 反应器的设计

为考察短时、高质量浓度投加纳米TiO2对SBR 系统脱氮除磷及微生物群落的影响，在一台ZR4－6混凝试验搅拌机的基础上，加入光源、加热装置、曝气装置，用以模拟构建同步运行的6个小型SBR 反应器装置，同时监测6个不同纳米TiO2浓度下，反应器内各项指标的实时变化情况.所构建的小型六联同步SBR 反应器装置如图1所示.

图1 小型六联同步SBR 反应器装置

1.2 纳米材料的准备及其性状表征

实验用纳米TiO2购自美国Sigma－Aldrich公司.

不同浓度纳米TiO2悬浊液的配置：首先配制储备液，将5g／L，0.5g的纳米TiO2溶于100mL超纯水中，350 W 超声20min备用；然后将配好的纳米材料溶液，分别取出10 mL，115℃，30 min灭菌备用；最后将灭好菌的纳米TiO2悬浊液母液稀释，配置成质量浓度分别为0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的纳米TiO2悬浊液备用.

采用英国Malvern Instrument公司生产的Malvern Nano－S纳米粒度分析仪对此纳米颗粒样品进行粒度分布分析，结果见图2.结果分析显示，实际分散于水溶液体系中的纳米TiO2颗粒的粒径主要介于70～90nm 和200～300nm 之间，这与Sigma－Aldrich公司产品说明书标示的25nm 有较大出入.

图2 纳米TiO2 在超纯水中的粒度分布

1.3 污泥来源及性质

实验用活性污泥取自哈尔滨市太平污水处理厂二沉池，其MLSS和MLVSS分别为2.76g／L 和1.94g／L.考虑到此实验的目的是考察短时、高浓度梯度投加纳米TiO2对活性污泥稳定性造成的冲击情况，故未对活性污泥进行稀释和人工再培养，以真实反映实际情况.

1.4 SBR 反应器运行参数及设置

纳米TiO2悬浊液的投加方式：首先，量取新鲜的活性污泥分别加入体积为1L的6只烧杯中，每只烧杯加入污泥量为800mL；然后将不同质量浓度的纳米TiO2悬浊液同时加入至6只烧杯中并搅拌混匀，运行反应器.

6个小型SBR 反应器运行参数设置为同步运行，运行温度控制在25℃，运行周期为6h，其中厌氧2.5h、曝气2h，厌氧1h、沉淀0.5h.隔15min取一次样测定溶解氧（DO）及pH 值；隔30min取一次样测定NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P的浓度.

1.5 溶解氧（DO）和pH 值的测定

使用德国WTW 公司生产的Multi350i型便携式多参数（pH／DO／Cond）测定仪测定DO 和pH 值.

1.6 系统体系内NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P的测定

采用纳氏试剂光度法测定体系中氨氮（NH＋4—N）的含量；采用麝香草酚法测定体系中硝酸盐（NO－3—N）的含量；采用钼酸盐分光光度法测定体系中磷酸盐（PO3－4—P）的含量.

1.7 活性污泥中微生物群落的PCR－DGGE分析

采用MO－BIO PowerSoil© DNA Isolation Kit Components试剂盒提取活性污泥中微生物样品的DNA；DGGE分析采用美国伯乐Bio－rad变性梯度凝胶电泳仪.

1.8 SEM 样品的制备

固定：挑取一小块儿污泥，用2.5%戊二醛（pH＝7.2）4℃条件下固定1.5h，以防止细菌等微生物体在后续脱水过程中变形.

冲洗：用0.1mol／L磷酸缓冲液（pH＝7.2）清洗3次，每次10min.

脱水：用50%，70%，90%，100%，100%，100%的乙醇进行梯度脱水，每次10～15min.

置换：用100%乙醇／叔丁醇（V乙醇∶V叔丁醇＝1∶1）和纯叔丁醇各置换一次，每次15min.

干燥：用ES－2030（HITACHI）型冷冻干燥仪对样品进行干燥（24h以上）.

粘样：将样品观察面朝上，用导电胶带粘在扫描电镜样品台上.

镀膜：用E－1010（HITACHI）型离子溅射镀膜仪在样品表面镀上一层15nm 厚的金属膜，时间20min.

将处理好的样品放入样品盒中待检.

2 结果与讨论

2.1 SBR 反应器体系内溶解氧和pH 值的变化

由于取样间隔时间较短，为降低实验误差，采用6只相同的Multi350i型多参数测定仪同时测定DO 和pH 值，结果见图3和图4.如图3所示，6个微型SBR 反应器中，在周期运行的厌氧阶段，溶解氧的值一直维持在1mg／L左右，随着曝气阶段开始，在COD 降解过程中，DO 出现平台.这是因为在恒定曝气量的条件下，有机污染物被微生物不断氧化降解，微生物降解有机物过程的OUR（oxygen uptake rate，氧吸收率）基本不变，所以DO 出现平台.从图中可以看出：未投加TiO2的SBR 反应器内溶解氧随曝气时间的增加未发生明显变化，基本维持在2mg／L左右；而投加了TiO2的SBR 反应器内溶解氧随投加的TiO2质量浓度增加而增加，这可能是由于TiO2的光催化活性促进了COD 的降解.

图4所示为SBR 反应器体系一个周期内pH 值的变化，6个微型SBR 反应器中的pH 值变化趋于同步，随着反应器的持续运行，从30min的7.4～7.6增高至150min的8.0～8.2，然后下降至300min的7.6左右，趋于平稳.pH 在COD 降解过程中不断大幅度上升，这是因为：（1）异养微生物对有机底物的分解代谢和合成代谢均可产生CO2，CO2溶解在水中可导致pH 下降，但是曝气过程不断地将产生的CO2吹脱，这就引起了pH 值的大幅上升；（2）好氧微生物降解了废水中的有机酸引起pH 值的上升.

图3 SBR 反应器体系一个周期内溶解氧的变化

图4 SBR 反应器体系一个周期内pH 值的变化

当COD 降解停止时，pH 曲线出现转折点（见图4中150min的拐点），并开始不断下降，这是因为硝化反应过程中产生了H＋.pH 的下降一直进行至硝化反应的停止或结束，然后pH 会迅速上升，继而维持不变或在硝化反应结束时就基本维持不变.pH 迅速上升的原因是因为碱度含量大于硝化所需，曝气吹脱了CO2；pH 在硝化反应停止时就维持不变，是因为碱度不足或没有剩余［14］.

2.2 纳米TiO2 质量浓度对反应体系中NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P去除的影响

不同纳米TiO2质量浓度对反应体系中NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P 去除的影响结果见图5—图7.

由图5可知，随着加入6个微型SBR 反应器体系内TiO2质量浓度的增加，NH＋4—N 的去除率均比未投加TiO2的要高，这可能是由于TiO2具有较高的氧化活性，在光催化条件下，氧化能力进一步提高，使NH＋4—N 逐步氧化，导致NH＋4—N 的去除率有所提高.但不同质量浓度的纳米TiO2对反应体系中NH＋4—N 的去除趋势大体相同.

图5 不同浓度纳米TiO2 对反应体系中NH＋4 —N 的影响

图6 不同浓度纳米TiO2对反应体系中 NO－3 —N 浓度变化的影响情况

不同质量浓度的纳米TiO2对反应体系中NO－3—N 的影响情况如图6所示，前5个微型SBR 反应器体系内TiO2的质量浓度分别为0，125，250，500和1 000mg／L，随着反应的持续进行，体系内硝酸盐含量的变化趋势基本相同；但当纳米TiO2质量浓度为2 000mg／L时，体系内硝酸盐含量在反应体系运行120min后，开始大幅增加，到270min时达到1.2mg／L的最大值，说明当TiO2的质量浓度增大到2 000mg／L时开始对硝酸盐还原细菌产生较大的毒害作用，致使硝酸盐得不到转化，产生硝酸盐大量积累的现象.

不同质量浓度纳米TiO2对反应体系中PO3－4—P浓度变化的影响情况如图7所示.前5个微型SBR 反应器体系内TiO2的浓度分别为0，125，250，500 和1 000mg／L时，随着反应的持续进行，体系内磷酸盐含量的变化趋势基本相同；但第6个微型SBR 反应器体系内TiO2的质量浓度为2 000mg／L，体系内磷酸盐含量从反应的开始阶段一直到反应结束始终处于一个较低的水平，说明当TiO2的质量浓度增大到2 000mg／L时可对聚磷菌产生了较大的毒害作用，致使聚磷菌不能够有效放磷.

前期的研究曾对有无光照条件下纳米TiO2对SBR 反应器处理污水的脱氮效果影响进行了考察［15］，结果表明：在有无光照条件下，低质量浓度的纳米TiO2均不会对SBR 反应器中污水的脱氮效果产生影响；然而当纳米TiO2质量浓度较高时，无论有无光照纳米TiO2均会对SBR 反应器中污水的脱氮效果产生影响，这与本实验的结果是一致的，然而具体机制有待于进一步考察.

图7 不同浓度纳米TiO2对反应体系中 PO3－4 —P浓度变化的影响

2.3 纳米TiO2 质量浓度对活性污泥中微生物群落变化的影响

在纳米TiO2质量浓度分别为0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的6个微型SBR 反应器的活性污泥中提取细菌DNA，并进行PCR－DGGE图谱分析，结果如图8所示.从结果可以看出，样品1至样品6的条带清晰完整，数量基本相同，条带的颜色深浅也无大的变化，说明短时、高浓度梯度投加纳米TiO2对SBR 系统中微生物种群多样性无明显影响.

此外，在前期的研究中，连续7d 逐渐递增纳米TiO2在SBR 反应器中的质量浓度，通过PCRDGGE的方法，考察了纳米TiO2对SBR 反应器中微生物种群多样性的影响.结果表明，在逐渐向反应器中加入纳米TiO2后，活性污泥中种群多样性受到了较明显的影响，种群数量明显减少，结合纳米TiO2对脱氮效果的影响，发现纳米TiO2对于SBR 反应器中污水脱氮效果的影响主要是源于对活性污泥中微生物种群数量及种类的影响［15］.结合当前的实验结果，表明纳米TiO2如发生突发性大量泄露于污水处理装置时，其短时对处理装置中的微生物群落不会产生影响，然而当纳米TiO2发生长期连续累加时，微生物群落将会受到影响进而会影响生物反应器对污水的处理效果.

图8 表征活性污泥中微生物群落变化的PCR－DGGE图谱

2.4 不同质量浓度纳米TiO2 对活性污泥微观形貌和微生物形态的影响

采用SEM 的手段表征纳米TiO2存在下活性污泥的微观形貌和微生物形态，结果如图9所示.图9中，白色颗粒状物体为纳米TiO2，纳米TiO2颗粒覆盖在活性污泥内菌体的表面，可以看出，纳米TiO2并没有对污泥基本形貌和细菌形态造成大的破坏作用，菌体相对饱满，菌体结构相对完整.

图9 表征活性污泥微观形貌和微生物形态的SEM 图

3 结论

（1）在SBR 反应器一个运行周期（6h）内，质量浓度低于2 000mg／L 的纳米TiO2对体系内DO，pH，NH＋4—N 的浓度变化影响不大；当纳米TiO2的质量浓度为2 000mg／L 时，对体系内NO－3—N，PO3－4—P的浓度变化产生了较大影响.

（2）PCR－DGGE结果显示，短时、高浓度梯度投加纳米TiO2对SBR 系统中微生物种群多样性无明显影响.

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