氧化锌纳米颗粒对污水生物除磷的影响及其机理研究*

王立璇 杨平平

(1.河北化工医药职业技术学院化学与环境工程系，河北 石家庄 050026；2.太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024)

氧化锌纳米颗粒对污水生物除磷的影响及其机理研究*

王立璇1杨平平2#

(1.河北化工医药职业技术学院化学与环境工程系，河北 石家庄 050026；2.太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024)

在序批式反应器中探究了不同浓度氧化锌纳米材料(ZnO NPs)对污水生物强化除磷的影响。结果表明：(1)低质量浓度(1 mg/L)ZnO NPs对污水生物除磷影响不明显，而高质量浓度(32 mg/L)ZnO NPs能明显降低生物除磷效率(除磷效率仅为55%左右)。(2)高浓度ZnO NPs的存在能抑制厌氧释磷和好氧吸磷。32 mg/L ZnO NPs作用下聚磷菌相对丰度仅为21.6%，明显低于空白组，与除磷相关的酶活也明显低于空白组。

生物除磷 氧化锌纳米材料 聚磷菌 酶活

污水中过量氮磷的释放会导致水体富营养化，活性污泥系统可实现污水中氮磷元素的去除进而减少自然水体中富营养化的程度[1]。生物除磷(BPR)能有效遏制水体的富营养化。BPR主要依赖污泥中的聚磷菌(PAO)超量吸收水体中的磷酸盐并贮存在体内，最后通过排放富含磷酸盐的污泥实现磷的去除[2]。

纳米材料由于其具有较小的直径(一般在1～100 nm)和较大的比表面积(>60 m2/cm3)而受到人们的关注[3]，其被广泛应用于工业工程、化妆品等领域。纳米材料的大量应用必然导致其在环境中的释放量增大。氧化锌纳米材料(ZnO NPs)是一种较常用的纳米材料，常被应用于半导体、塑料添加剂和染料等领域[4]。ZnO NPs已在污水处理厂中被检测到[5]，污泥样本检测中ZnO NPs高达9.14 g/kg(以单位质量悬浮固体计)[6-7]。ZnO NPs在污水中的存在必然导致其对污水处理微生物的影响，进而影响到污水脱氮除磷效率。ZHENG等[8]向厌氧—缺氧的反应体系中投加ZnO NPs，探究了ZnO NPs对反应体系氮的去除情况，研究表明，10、50 mg/L ZnO NPs能明显降低生物脱氮效率，其中脱氮效率由空白组的81.5%降到75.6%、70.8%。PUAY等[9]探究了ZnO NPs对反应系统中微生物种群结构的变化，研究发现，ZnO NPs的存在能导致微生物种群的减少。然而，关于投加ZnO NPs的污水系统中污泥的除磷情况的研究较少见。本研究重点探讨了ZnO NPs对污水BPR的影响，并从胞内聚合物和胞外聚合物(EPS)的变化以及相关酶活阐述其影响机理。

1 材料与方法

1.1 序批式反应器(SBR)的建立

在实验室规模的SBR(有效体积1.0 L)中进行，每日运行3个周期，每个周期运行8 h，每个周期的具体分配为迅速进水-120 min厌氧-240 min曝气好氧-60 min沉淀排水-60 min闲置。

1.2 合成废水与ZnO NPs

所采用的污水为人工合成废水，每日配兑，以乙酸钠为主要碳源、NH4Cl为氮源，KH2PO4模拟进水中的磷元素，控制进水COD、氨氮和磷酸盐分别为350、40、15 mg/L。合成废水中微量元素具体见参考文献[9]。

ZnO NPs的比表面积为41.2 m2/g，使用前先配置ZnO NPs为100 mg/L的悬浮液。

1.3 ZnO NPs投加对污水BPR的影响

组建5个相同的SBR，当反应器运行稳定后除磷效率均保持在90%以上。向上述5个SBR中投加ZnO NPs使其质量浓度分别为0、1、8、16、32 mg/L，其中0 mg/L即为空白组。反应器中初始混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)控制在4 000 mg/L。好氧期间利用鼓风曝气，通气量控制3 L/min，在曝气过程中利用搅拌器将混合物搅拌均匀，转速150 r/min。每个周期好氧期末排掉500 mL的泥水混合物，这样使得SBR的水力停留时间为16 h，在好氧末端排掉适量体积的泥水混合物以便实现排泥的目的，控制污泥龄约15 d。整个反应的温度控制在35 ℃。

1.4 ZnO NPs对磷酸盐吸附的影响

在4个相同的SBR中进行，注入800 mL合成废水，然后投加ZnO NPs使其质量浓度分别为1、8、16、32 mg/L，其他反应条件同1.3节。通过排水可确定ZnO NPs对磷酸盐的吸附量。

1.5 检测方法

COD、氨氮、挥发性悬浮固体(VSS)、MLVSS的检测参照文献[10]；磷酸盐采用钼锑抗分光光度法、糖原采用苯酚/硫酸法测定[11]；聚羟基脂肪酸酯(PHA)采用气相色谱法测定[12]；蛋白质和多糖的测定参照文献[13]。

2 结果与讨论

2.1 长期运行中ZnO NPs对污水除磷的影响

反应器运行稳定后，每个周期进水时向反应器中投加不同量的ZnO NPs，并每隔5天检测一下系统的除磷效率。由图1可知，ZnO NPs≤1 mg/L对反应体系除磷效率影响不明显，1 mg/L ZnO NPs作用下除磷效率仍总体维持在90%以上。然而，当ZnO NPs增加至8 mg/L时，除磷效率明显降低，稳定在81%左右，说明8 mg/L ZnO NPs已对反应体系除磷能力造成一定的抑制作用。继续提高ZnO NPs至16、32 mg/L时，除磷效率继续降低至69%、55%左右。为更加准确反映单位质量污泥的除磷效率，本研究同时计算了除磷量(以单位质量VSS计)。空白组除磷量为6.2 mg/g，而1、8、16、32 mg/L ZnO NPs作用下的除磷量分别为6.0、4.5、3.2、1.5 mg/g。表明低浓度的ZnO NPs对污水的除磷效率影响不大，而高浓度ZnO NPs严重抑制污水的除磷效率。因此，需要探究不同浓度ZnO NPs对污水除磷效率的影响机理。

图1 不同质量浓度ZnO NPs对污水除磷效率的影响Fig.1 Effect of different ZnO NPs dosage on biological phosphorus removal efficiency

2.2 ZnO NPs对磷酸盐吸附的影响

由于ZnO NPs具有一定的吸附能力，本研究同时探究了其对磷酸盐的吸附量。结果表明，ZnO NPs的存在对磷酸盐有一定的吸附量，1、8、16、32 mg/L ZnO NPs对磷酸盐的吸附量分别为0.01、0.05、0.11、0.19 mg/g。表明ZnO NPs浓度越大，磷酸盐的吸附量越大。但是，本实验中ZnO NPs对磷酸盐的吸附量最大才为0.19 mg/g，说明本研究中磷酸盐的去除仍以生物去除为主。

2.3 ZnO NPs对典型周期内磷酸盐和胞内聚合物的影响

由图2可知，ZnO NPs浓度的增加明显影响典型周期内磷酸盐的变化。PAO在厌氧期会水解体内的磷酸盐并利用水解产生的能量吸收水体中的有机物，而在好氧的环境下过量吸收水体中的磷酸盐实现污水除磷。当ZnO NPs为0、1、32 mg/L时，在厌氧末期磷酸盐最大质量浓度分别为68、64、38 mg/L，说明高浓度ZnO NPs会抑制磷酸盐的释放，而低浓度ZnO NPs对厌氧磷酸盐的释放影响不大。而在好氧过程中，PAO超量吸收水体中的磷酸盐，当ZnO NPs为0、1、32 mg/L时，好氧净吸磷酸盐质量浓度为67、62、31 mg/L。表明ZnO NPs的投加能影响聚磷微生物好氧期的吸磷，ZnO NPs浓度越高，ZnO NPs对磷酸盐的吸收抑制程度越大。

图2 ZnO NPs对典型周期内磷酸盐的影响Fig.2 Effect of ZnO NPs on the phosphate during a typical cycle

PHA和糖原是PAO体内两种重要的胞内聚合物，他们的含量与BPR有着密切的关联[14]。本研究以乙酸钠为单一碳源，乙酸钠经过三羧酸循环在微生物体内合成PHA并伴随少量糖原的产生[15]。由图3可知，1 mg/L ZnO NPs作用下PHA的合成量与空白组相差不明显，而32 mg/L ZnO NPs作用下PHA的合成量(最大仅为1.9 mmol/g)明显小于空白组(最大为3.4 mmol/g)。高含量的PHA在好氧时期会优先被利用并分解产生生物能吸收水体中过量的磷酸盐。高浓度ZnO NPs作用下PHA的合成量小，进而造成后期吸磷量较低。糖原在厌氧期被分解并在好氧期得到补给，但是高浓度ZnO NPs作用下糖原的降解量明显大于空白组。厌氧、好氧末期，空白组糖原分别为2.9、3.6 mmol/g，而高浓度ZnO NPs作用下则分别为2.2、3.8 mmol/g。表明高浓度ZnO NPs作用下，反应体系中糖原的变化程度明显高于空白组。以往的研究表明，糖原的变化程度较高说明反应体系中聚糖菌(GAO)的含量较高[16]。这也说明，ZnO NPs浓度的增大能增加反应体系中GAO比例，因为糖原是GAO的主要能源物质。GAO是污水中存在的另外一种细菌，它能与PAO争夺污水中有限的碳源，然而对除磷并没有贡献。

注：PHA及糖原均以单位质量VSS计。图3 ZnO NPs对典型周期内PHA及糖原的影响Fig.3 Effect of ZnO NPs on PHA and glycogen during a typical cycle

2.4 ZnO NPs对EPS的影响

EPS是细菌在遇到外界不良条件时分泌的一类物质，主要成分为蛋白质和多糖。由图4可见，经过长期运行，空白组EPS中蛋白质和多糖分别为159.6、103.5 mg/g。当ZnO NPs为1 mg/L时，EPS中蛋白质和多糖分别为145.8、98.6 mg/g，与空白组相差不明显，这也与低浓度ZnO NPs对污水除磷影响不大相对应。然而，当ZnO NPs为32 mg/L时，EPS中蛋白质和多糖仅为62.3、42.6 mg/g，分别是空白组的0.39、0.41。这一结果表明，高浓度ZnO NPs能明显降低污泥EPS中蛋白质和多糖的含量。EPS含量与污水除磷效率有一定的相关性，EPS可吸收或吸附污泥中的磷，并进一步转化为微生物体内含磷化合物，当污泥中EPS含量降低时，相应的磷吸收量也随之降低，这也是高浓度ZnO NPs降低系统除磷效率的原因之一[17]。

注：蛋白质和多糖质量浓度均以单位质量VSS计。图4 ZnO NPs对EPS中蛋白质和多糖的影响Fig.4 Effect of ZnO NPs on protein and carbohydrate in EPS

2.5 ZnO NPs对微生物及相关酶活的影响

表1 ZnO NPs对微生物种群相对丰度及相关酶活的影响

BPR过程离不开PAO及相关酶的催化，与BPR密切相关的两种酶分别为外切聚磷酸酶(PPX)与多聚磷酸盐激酶(PPK)。由表1可以看出，低浓度ZnO NPs作用下反应体系中PAO相对丰度、PPX酶活、PPK酶活与空白组相差不大。然而，高浓度ZnO NPs作用下PAO相对丰度明显低于空白组，而GAO相对丰度却明显高于空白组，这也是造成整个反应体系除磷效率下降的主要原因，PPX、PPK酶活也明显低于空白组。

3 结 论

(1) 低浓度ZnO NPs对污水BPR影响不明显，而高浓度ZnO NPs明显降低了污水除磷效率。

(2) 高浓度ZnO NPs能抑制厌氧释磷和好氧吸磷，进而造成系统的除磷效率下降，也能明显降低污泥EPS中蛋白质与多糖的含量。

(3) ZnO NPs降低除磷效率的主要原因在于降低了污水体系中PAO相对丰度，而增加了GAO相对丰度。

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Studyontheeffectandmechanismofzincoxidenanoparticlesonthebiologicalphosphorusremovalfromwastewater

WANGLixuan1，YANGPingping2.

(1.DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering，HebeiChemicalandPharmaceuticalVocationalTechnologyCollege，ShijiazhuangHebei050026;2.DepartmentofChemistryandChemicalEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，TaiyuanShanxi030024)

The effect of different concentrations of ZnO nanoparticles (NPs) on biological phosphorus removal (BPR) in sequencing batch reactor was investigated. Experimental results showed that：(1) low mass concentration of ZnO NPs (1 mg/L) caused no obvious effect on BPR，however，high mass concentration of ZnO NPs (32 mg/L) significantly decreased the efficiency of BPR，and the BPR efficiency decreased to 55%. (2) High concentration of ZnO NPs inhibited the anaerobic phosphorus release and oxic phosphorus uptake. When the mass concentration of ZnO NPs was 32 mg/L，the abundance of phosphorus accumulating organisms was only 21.6%，which was much lower than that in blank. Additionally，the key enzymes activities related to phosphorus removal in the presence of high ZnO NPs were also lower than those in blank.

biological phosphorus removal； ZnO NPs； phosphorus accumulating organisms； enzymes activities

王立璇，女，1978年生，硕士，讲师，研究方向为水处理、固废资源化处理。#

。

*国家自然科学基金青年基金资助项目(No.21206103)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.006

2016-06-14)