氧化锌纳米颗粒对污泥厌氧消化过程的影响研究

王树涛,陈玲波,张真瑞,巫 川,姜 瑞,尤 宏(.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 50090；.黑龙江省环境保护科学研究院,黑龙江 哈尔滨 50056)

氧化锌纳米颗粒对污泥厌氧消化过程的影响研究

王树涛1*,陈玲波1,张真瑞1,巫 川1,姜 瑞2,尤 宏1(1.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；2.黑龙江省环境保护科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150056)

建立了污泥厌氧消化反应器,以氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs)为研究对象,研究了不同浓度ZnO-NPs(0,2,30,60,90,120,150mg/g-VSS)对污泥厌氧消化过程的影响,分析了可能存在的剂量-效应关系.低浓度(2mg/g-VSS)ZnO-NPs对污泥厌氧消化过程影响较小;较高浓度下,ZnO-NPs对污泥厌氧消化产气效率、有机物降解效率和污泥减量效果等具有显著影响,而对挥发酸产量及其组成无显著影响.ZnO-NPs暴露浓度为30,60,90,120mg/g-VSS时,平均日产气量直线下降,在120mg/g-VSS浓度后平均日产气量为对照组的10%左右.ZnO-NPs对有机物降解效和污泥减量存在明显抑制作用,且随着ZnO-NPs浓度的升高,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值降低.ZnO-NPs浓度升高到120mg/g-VSS时,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值分别减少到对照组的3%、36.5%和74%.此外,当 ZnO-NPs暴露浓度从2mg/g-VSS升高到150mg/g-VSS 时,污泥减量率从23%左右下降至4.8%左右.

氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs)；生物毒性；污泥厌氧消化；污泥减量

随着纳米科技的发展,纳米材料已广泛应用于生活和工业多个领域[1],而这些含有纳米材料的物质在使用和作为废弃物处理时不可避免地会进入环境[2].由于纳米颗粒(NPs)尺寸微小,比表面积巨大,具有更大的反应活性,其环境行为及其毒性效应备受关注[3].Brayner等[4]研究发现ZnO-NPs能诱导活性氧(ROS)的产生,而ROS的氧化作用可导致细菌细胞膜损坏和细胞质泄漏;Thill等[5]观察到CeO2-NPs可在大肠杆菌表面吸附,认为CeO2-NPs能够改变细胞膜的粘滞性,破坏特定离子泵,从而影响细胞与外界的物质交换,抑制细菌生长.

城市污水处理厂是环境中 NPs迁移的重要途径.NPs进入污水生物处理系统后,很可能对各种微生物活性产生负面影响,进而影响污染物降解效率和生物系统稳定性.已有研究表明, 50mg/L Al2O3-NPs能明显降低活性污泥中反硝化细菌的丰度[6],ZnO-NPs浓度达到20mg/L时,微生物脱氮作用受到严重抑制[7].Zheng等[8]研究发现ZnO-NPs释放出的Zn2+能够导致微生物体内ROS增加,Zn2+和ROS共同作用抑制了聚磷菌的活性,降低了聚磷酸盐激酶及外切聚磷酸酶的数量,从而影响了系统的生物除磷效率.进入污水处理系统中的 NPs绝大多数最终将汇集到剩余污泥中[9].有调查显示,ZnO-NPs、Ag-NPs和碳纳米管(CNTs)在污泥中的浓度分别可以达到 57、5.86和0.147mg/kg[10-11].2011年(139所)与2009年(107所)中国的一些污水厂污泥中各种纳米材料的总浓度为 1.03g/kg SS,最大达到 9.14g/kg

SS[12-13].

目前采用厌氧消化技术对剩余污泥进行处理是主要的手段.因此,研究剩余污泥中存在的NPs对污泥厌氧消化过程的影响对于保证污泥处理系统的稳定运行以及加强NPs污染物的排放控制具有重要意义.Mu等[14]研究发现在厌氧生物处理过程中 ZnO-NPs的浓度为 10和50mg/g-TSS时,对厌氧颗粒污泥的EPS和甲烷产量影响较小,但是当暴露浓度为大于 100mg/ g-TSS时,ZnO-NPs使EPS和甲烷产量减少,对甲烷化过程有严重的抑制作用.Jorge等[15]研究了几种NPs对乙酸分解和产氢产甲烷过程的毒性效应,发现Cu0-NPs和ZnO-NPs对产甲烷过程有严重的抑制作用,主要是由于NPs侵蚀和解离释放出来的有毒 Cu2+和 Zn2+.Yang等[16]发现,40mg/ LAg-NPs对甲烷产量无明显影响,溶解氧是Ag- NPs氧化溶解的必要条件,厌氧条件下Ag-NPs不会释放Ag+,因此不会抑制厌氧消化过程产甲烷菌活性,但Ag-NPs对微生物群落结构影响十分显著,能够使与底物降解相关的菌群减少,而使和生物吸附､生物膨胀等相关的菌群增加.

纳米氧化锌作为应用最广泛的 3大纳米材料(纳米二氧化钛、纳米银和纳米氧化锌)之一,具有良好的抗菌性,对多种微生物具有一定的毒性作用[17].虽然 ZnO-NPs对污泥厌氧消化的影响已有报道,但缺乏系统研究.本文选取 ZnONPs为纳米材料的典型代表,建立污泥厌氧消化反应系统,研究了系统的产气量、挥发酸、有机物降解效率、污泥减量效果等,以揭示ZnO-NPs对厌氧消化过程的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用污泥取自哈尔滨信义污水处理厂二沉池污泥.污泥在冰柜中维持 4℃条件保存,静置沉淀 24h,将静置的污泥上层清液吸出.吸出清液后的污泥使用40目的筛子对污泥进行过滤,除去污泥中粒径较大的杂质用于后续实验.在自行设计的有效容积为8L的厌氧消化反应器中培养和驯化厌氧消化污泥,培养条件为(55±0.5)℃,pH为7±0.5,避光培养.

1.2 仪器和试剂

仪器:扫描电子显微镜( SEM,Philips XL30, FEI Company),气相色谱仪(安捷伦),COD消解仪,马弗炉.

试剂:ZnO-NPs分散液(CAS no.: 1314-13-2,＜100nm,Sigma公司).其他试剂均为分析纯.

1.3 实验方法

1.3.1 NPs在污泥中的形貌分析 对污泥进行扫描电镜分析以观测污泥加入ZnO-NPs前后的形态变化,预处理方法为[18]:(1)取样:取 50mL污泥混合液,在5000r/min离心3min,用pH为6.8的磷酸盐缓冲液(PBS)对下部成分进行清洗;(2)固定:用 pH=6.8的 2.5%的戊二醛淹没颗粒,于4℃条件下固定2h;(3)冲洗:用0.1mol/L的pH 6.8的磷酸盐缓冲液冲洗 3次,每次 10min;(4)脱水:污泥样品分别用30%、50%、70%、80%,90%的乙醇脱水,每次10min;然后用100%的乙醇脱水3次,每次 15min;(5)置换:先用乙醇:乙酸异戊酯=1:1的溶液置换 15min,再用乙酸异戊酯置换15min;(6)干燥:将处理后样品置于低温干燥机中烘干;(7)喷金:在样品表面喷上一层 1500nm的金膜.(8)观察:将喷金后的样品置于SEM下进行观察.由图1可以看出大部分的ZnO-NPs吸附在污泥颗粒的表面.

图1 投加120mg/g-VSS ZnO-NPs的扫描电镜分析(SEM)图(A)和能谱分析(EDS)图(B)Fig.1 SEM image (A) and EDS analysis (B) of sludge in the reactors exposed to ZnO-NPs, The dosage of nanoparticles was 120mg/g-VSS

1.3.2 污泥厌氧消化毒性实验 主要研究了不同浓度ZnO-NPs对厌氧消化过程包括水解、酸化、产甲烷的影响,厌氧发酵时间为期 20d.厌氧消化实验在反应瓶中进行,每个反应瓶的体积为500mL,污泥体积为400mL.实验开始前检查装置的密封性能,然后向反应瓶中充入氮气 5min,以去除瓶中的氧气,密封后放入55℃水浴锅中进行厌氧消化反应.实验装置如图2所示,厌氧消化瓶污泥每天早晚磁力搅拌各1次.启动厌氧消化反应器并使其稳定运行.在加入 ZnO-NPs之前,分别测定反应器的有机物去除率、TSS和VSS作为对照.每个指标做3个平行.

图2 厌氧消化反应实验装置Fig.2 Experimental setup and schematic of anaerobic digestion system

1.3.3 污泥指标的测定

表1 实验污泥的各项指标

1.4 数据统计分析

实验结果均以“平均值±标准误差”即(mean±SD)表示.采用SPSS18.0软件进行统计分析,多组间比较采用方差齐性检验和单因素方差分析.进一步进行组间两两比较时,采用 LSD检验,以P＜0.05表示差异显著.

2 结果与讨论

2.1 ZnO-NPs对污泥厌氧消化产气量的影响

由图 3(A)可知,ZnO-NPs暴露浓度为 2mg/ g-VSS时,对日产气量变化影响较小,而后随着ZnO-NPs暴露浓度的升高,厌氧消化系统的日产气量逐渐减少.由图3(B)可知,当ZnO-NPs暴露浓度为2mg/g-VSS时,总产气量降低1.9%;而当ZnO-NPs暴露浓度从2mg/g-VSS升高到120mg/ g-VSS时,相对日产气量直线下降至对照组的10%左右,而且可以看出在2～120mg/g-VSS浓度范围内存在显著的剂量-毒性正相关性.与对照相比,不同暴露浓度下厌氧消化系统的产气量差异显著(P＜0.05).

图3 不同浓度ZnO-NPs对污泥厌氧消化日产气量(A)、总产气量的和相对产气量(B)的影响Fig.3 Changes in daily biogas production ( A) ,Total biogas production and Relative biogas production ( B) of sludge anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

分析可知,随着 ZnO-NPs暴露浓度的升高, ZnO-NPs对产气量具有明显影响.ZnO-NPs能够溶于水,并释放出游离的 Zn2+和生成锌的氢氧化物.溶出 Zn2+会对一些污水的生物处理过程产生影响,并对细胞的生长产生毒性作用;锌的氢氧化物是中性和碱性条件下锌的主要存在形态,其对水生生物有高毒性[19].Mu等[20]研究发现,1mg/g-TSS ZnO-NPs不会对产甲烷过程产生影响,而30和150mg/g-TSS下表现出抑制作用,且毒性随浓度的增大而加,且ZnO-NPs对产气量的影响主要是来自于溶出Zn2+的释放.

2.2 ZnO-NPs对挥发酸生成的影响

挥发酸主要指乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸,是厌氧消化过程的重要中间产物,检测挥发酸的产量可以更好的了解有机质的降解进程[21].不同浓度的ZnO-NPs暴露3d后,分别测定不同种类挥发酸的浓度,结果如图 3所示.由图 3可知,不同浓度 ZnO-NPs暴露下,总挥发酸的浓度在1860～1990mg-COD/L之间.不同种类挥发酸在不同浓度 ZnO-NPs暴露下浓度无显著差异(P＞0.05),由此可知,ZnO-NPs对污泥消化过程中水解酸化阶段的影响较小,这与Mu等[20]的研究结果一致.同时,有关研究表明,产酸菌对金属毒性的敏感程度低于产甲烷菌.因此,较高浓度(＞2mg/g-VSS)暴露情况下,ZnO-NPs可能主要影响了乙酸到甲烷的生物转化过程.

图4 不同浓度ZnO-NPs对污泥厌氧消化挥发酸产生量的影响Fig.4 the concentrations of volatile fatty acids(VFAs) products with time of 3d under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

2.3 ZnO-NPs对厌氧消化过程中有机物降解的影响

VSS/TSS值反映了污泥中挥发性有机物所占的比例,而有机物的多少直接关系到消化反应的进行,有机物多表示该样品的可生化性强. R(VSS/TSS)表示是 VSS/TSS值的减少量,即消化反应中有机物的减少量,反映了有机物的去除效果.因此以 R(VSS/TSS)作为评价指标来判断厌氧消化反应的程度,R(VSS/TSS)值越大说明有机物被降解的越多,厌氧消化反应进行的越完全.

R(VSS/TSS)的定义为:

式中:(VSS/TSS)0表示未经处理的原污泥样品的VSS/TSS值.

图5 ZnO-NPs对污泥厌氧消化过程中有机物降解效率(A)和有机物减少量(B)的影响Fig.5 Organic matter degradation efficiency(A), R(VSS/TSS)( B) of sludge in anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

由图5(A)可以看出,随着ZnO-NPs浓度的升高,有机物降解效率逐渐减少.当 ZnO-NPs浓度较低(2mg/g-VSS)时,对 COD去除率影响较小,SCOD去除率和TCOD去除率均为对照组的95%左右;而后随着ZnO-NPs浓度的升高,SCOD去除率和TCOD去除率减小,在ZnO-NPs浓度达到 120mg/g-VSS后达到稳定,SCOD去除率和TCOD去除率分别减少到对照组的3%和36.5%.从整体来看,对照组与所有 ZnO-NPs 暴露组有显著差异(P＜0.05).由图 5(B)可知,对照组R(VSS/TSS)值最高,达到23.01%,而后随着ZnO-NPs暴露浓度的升高,R(VSS/TSS)值减小,在 ZnO-NPs浓度为120mg/g-VSS后,达到稳定,约为17%.对照组与所有 ZnO-NPs暴露组均有显著差异(P＜0.05).

由以上结果推测高浓度的ZnO-NPs可能导致部分微生物死亡,进而影响厌氧消化的效率.类似地,Mei 等[22]研究发现ZnO-NPs会抑制MBR对NaAc的降解,暴露浓度越大抑制作用越强,加ZnO-NPs之前基质 4h可完全降解,而加入13.6mg/L ZnO-NPs后则需6h.

2.4 ZnO-NPs对污泥减量效果的影响

图6 ZnO-NPs对污泥厌氧消化系统污泥减量率的影响Fig.6 Reduction of sludge during sludge anaerobic digestion under exposure to various concentrations of ZnO-NPs

由于发酵时间的限制,厌氧消化过程只能分解部分有机组分.有机物的降解效率和 VSS的减少量通常作为一个重要参数来评价污泥厌氧消化的效果[23].从图 6可以看出,厌氧消化反应前VSS的含量为11.52g/L,发酵20d结束后,对于ZnO-NPs投加量为0、2、30、60、90、120和150mg/g-VSS浓度的暴露组VSS含量分别降低到 8.45、8.78、8.77、8.95、9.28、9.95和10.95g/L .随着ZnO-NPs浓度的升高,污泥减量率逐级减小,2和30mg/g-VSS的ZnO-NPs浓度污泥减量率在在23%左右,当ZnO-NPs浓度在 30～ 150mg/g-VSS时,污泥减量率随浓度下降较快,而当ZnO-NPs的浓度为150mg/g-VSS时,污泥减量下降至 4.8%左右,污泥减量效果下降.对照组与所有 ZnO-NPs暴露组有显著差异(P＜0.05).

3 结论

3.1 ZnO-NPs能使污泥厌氧消化过程的产气量减少并且暴露浓度与产气量变化呈一定的量剂-抑制效应关系;

3.2 不同浓度 ZnO-NPs暴露下,总挥发酸的浓度在1860～1990mg-COD/L之间,且ZnO-NPs在不同暴露浓度下,不同种类挥发酸浓度无显著差异(P＞0.05);较高暴露浓度情况下,ZnO-NPs可能主要影响乙酸到甲烷的生物转化过程;

3.3 ZnO-NPs对有机物降解效率和污泥减量率存在明显抑制作用,且随着 ZnO-NPs浓度的升高,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值降低,在ZnO-NPs浓度升高到120mg/g-VSS时达到最大,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值分别减少到对照组的3%、36.5%和74%.污泥减量率随着 ZnO-NPs浓度的升高逐级减小,2, 30mg/g-VSS的 ZnO-NPs浓度污泥减量率在23%左右,当ZnO-NPs 浓度在30～150mg/g-VSS时,污泥减量率随浓度下降较快,而当 ZnO-NPs浓度为 150mg/g-VSS时,污泥减量率下降至4.8%左右.

[1] Yang Yu, Zhang Chiqian, Hu Zhiqiang. Impact of metallic and metal oxide nanoparticles on wastewater treatment and anaerobic digestion [J]. Environmental Science: Processes & Impacts, 2013,15:39-48.

[2] Maynard A, Aitken R J, Butz T, et al. Safe handling of nanotechnology [J]. Nature, 2006,444:267.

[3] Brar S K, Verma M, Tyagi R D, et al. Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge-evidence and impacts [J]. Waste Management, 2010,30:504-520.

[4] Brayner R, Ferrari-Iliou R, Brivois N, et al. Toxicological impact studies based on Escherichia coli bacteria in ultra fine ZnO nano particles colloidal medium [J]. Nano Letters, 2006,6(4):866-870.

[5] Thill A, Zeyons O, Spalla O, et al. Cytotoxicity of CeO2nanoparticles for Escherichia coli. Physieo-chemieal insight of the cytotoxicity mechanism [J]. Environmental Science & Technology, 2006,40,19,6151-6156.

[6] Zheng X, Chen Y., Wu R. Long-term effects of titanium dioxide nanoparticles on nitrogen and phosphorus removal from wastewater and bacterial community shift in activated sludge [J]. Environ Sci Technol, 2011,45(17):7284-7290.

[7] 李素萍.纳米ZnO对SBR系统活性污泥活性及硝化作用的影响[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2014.

[8] Zheng X, Wu R, Chen Y. Effects of ZnO Nanoparticles on wastewater biological nitrogen and phosphorus removal [J]. Environmental Science &Technology, 2011,45(7):2826-2832.

[9] Koray Sakarya, Çağrı Akyol, Burak Demirel. The effect of shortterm exposure of engineered nanoparticles on methane production during mesophilic anaerobic digestion of primary sludge [J]. Water Air Soil Pollut, 2015,226:100.

[10] 杨晓楠.水中纳米TiO2特性及对SBR活性污泥系统稳定性的影响研究 [D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学市政工程, 2013.

[11] Westerhoff P. Occurrence and removal of titanium at full scale wastewater treatment plants:implications for TiO2nanomaterials [J]. Journal of Environmental Monitoring, 2011(13):1195-1203.

[12] Ma X W, Weng H X, Zhang J J. Regional characteristics and trend of heavy metals and nutrients of sewage sludge in China [J]. China Environmental Science, 2011,31:1306-1313.

[13] Ma H B,Phillip L W, Stephen A D. Ecotoxicity of manufactured ZnO nanoparticles-a review [J]. Environ. Pollut., 2013,172:76-85.

[14] Mu Hui, Zheng Xiong, Chen Yinguang, et al. Response of anaerobic granular sludge to a shock load of zinc oxide nanoparticles during biological wastewater treatment [J]. Environmental Science & Technology, 2012,46:5997−6003.

[15] Jorge Gonzalez-Estrella, Reyes Sierra-Alvarez, James A. Field. Toxicity assessment of inorganic nanoparticles to acetoclastic and hydrogenotrophic methanogenic activity in anaerobic granular sludge [J]. Journal of Hazardous Materials, 2013,260:278–285.

[16] Yang Y, Chen Q, Wall J D, et al. Potential nanosilver impact on anaerobic digestion at moderate silver concentrations [J]. WaterResearch, 2012,46(4):1176-1184.

[17] Jones N B, Ray K T. Ranjit,et al.Antibacterial activity of ZnO nanoparticle suspensions on a broad spectrum of microorganisms [J]. FEMS Microbiol Lett, 2008,279(1):71-76.

[18] 严 杰,罗海波,陆德源.现代微生物学试验技术及其应用 [M].北京:人民卫生出版社, 1997.

[19] S W Wong, Leung P T, Djurisić A B, et al. Toxicities of nano zinc oxide to five marine organisms: influences of aggregate size and ion solubility. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2010, 396(2):609-618.

[20] Mu Hui, Chen Yinguang. Long-term effect of ZnO nanoparticles on waste activated sludge anaerobic digestion [J]. Water Rwasearch, 2011,45:5612-5620.

[21] Wang Qunhui, Kuninobub M, Ogawa H I. Degradation of volatile fatty acids in highly efficient anaerobic digestion [J]. Biomass and Bioenergy, 1999,16:407-416.

[22] Mei Xiaojie, Wang Zhiwei, Zheng Xiang, et al. Soluble microbial products in membrane bioreactors in the presence of ZnO nanoparticles [J]. Journal of Membrane Science, 2014,451:169-176.

[23] Arnaiz C, Gutierrez J C, Lebrato J. Biomass stabilization in the anaerobic digestion of wastewater sludges [J]. Bioresource Technology, 2006,97:1179–1184.

Effect of Zinc oxide nanoparticles on anaerobic digestion of excess activated sludge.

WANG Shu-tao1*, CHEN Ling-bo1, ZHANG Zhen-rui1, WU Chuan1, JIANG Rui2, YOU Hong1
(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.Heilongjiang Research Academy of Environmental Sciences, Harbin 150056, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：174～180

The impact of Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) (0, 2, 30, 60, 90, 120 and 150mg/g-VSS) on the anaerobic digestion of excess activated sludge was investigated and the possible dose-effect relationship was achieved. Results indicated that less adverse effects of ZnO-NPs were found on anaerobic digestion of excess activated sludge at the low exposure concentration (2mg/g-VSS). However, significant effects were observed on the anaerobic digestion including biogas production, degradation efficiency of organics as well as reduction rate of sludge, but no significant effects was found on the volatile fatty acids (VFAs). The average daily gas production plummeted when the exposure concentration of ZnO-NPs was increased from 30mg/g-VSS to 120mg/g-VSS, but no obvious decrease of daily gas production was observed as the concentration was increased from 120mg/g-VSS to 150mg/g-VSS. In additon, ZnO-NPs could significantly inhibit the degradation efficiency of organic matter and the sludge reduction rate, and with the increasing of ZnO-NPs concentration from 30mg/g-VSS to 120mg/g-VSS, soluble chemical oxygen demand (SCOD) removal rate, total chemical oxygen demand (TCOD) removal rate and R(VSS/TSS)value was decreased to 3%, 36.5% and 74% of the control. Sludge reduction rate was reduced from 23% to 4.8% of the control when the ZnO-NPs concentration increased from 2mg/g-VSS to 150mg/g-VSS. The results help evaluating the inhibitory effects of nanoparticles on anaerobic digestion process.

Zinc oxide nanoparticles；biological toxicity；nludge anaerobic digestion；sludge reduction

X703

A

1000-6923(2017)01-0174-07

王树涛(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,博士,讲师,主要研究方向为环境毒理学和催化氧化法污水深度处理理论与技术.

2016-05-14

教育部留学回国科研启动基金;哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金(QA201608)

* 责任作者, 讲师, wshutao@hit.edu.cn