李大鵬，崔福義，楊曉南，李慧婷

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150090）

納米材料因其特有的納米尺度和納米結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)越的磁性、導(dǎo)電性、反應(yīng)活性和光學(xué)性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域［1－2］.2003年以來(lái)，“Science”，“Nature”等著名雜志先后刊登了評(píng)論員文章，呼吁加強(qiáng)納米材料的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)研究［3－4］；2005年，美、英等國(guó)的環(huán)保部門(mén)制訂并啟動(dòng)了納米材料環(huán)境行為、生態(tài)效應(yīng)的研究計(jì)劃［5－6］.近來(lái)，越來(lái)越多的研究證實(shí)，納米材料具有一定的生物毒性［7］，被認(rèn)為是一類(lèi)潛在的新型污染物.已有研究表明，人們的生產(chǎn)和生活過(guò)程中都會(huì)導(dǎo)致納米TiO2進(jìn)入到環(huán)境中［8－9］，尤其是水環(huán)境中［10］.Kaegi等發(fā)現(xiàn)，納米TiO2顆粒在受到雨水沖刷后，可以從涂漆過(guò)的房屋外墻被雨水沖落，最后排入水環(huán)境中［11］，其中檢測(cè)到的＜100nm 的納米TiO2密度達(dá)3.5×108個(gè)／L.

城市污水處理廠是環(huán)境中污染物重要的集中處理場(chǎng)所，而納米材料還可能通過(guò)生產(chǎn)事故、突發(fā)污染、生產(chǎn)廢水的泄漏或偷排等途徑進(jìn)入到地表水或江河中，從而以污水為載體進(jìn)入城市污水廠，最終富集在活性污泥中［12］.Paul Westerhoff等同時(shí)對(duì)10座具有代表性的污水處理廠的進(jìn)水和活性污泥中納米TiO2的濃度進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)［13］，結(jié)果顯示：進(jìn)入污水廠前，市政污水中納米TiO2的最高值為1 233μg／L；經(jīng)過(guò)處理后，活性污泥中富集的納米TiO2最高可達(dá)802μg／kg.

本文以納米TiO2為研究對(duì)象，將不同濃度梯度的納米TiO2投加到SBR 反應(yīng)器體系中，考察不同質(zhì)量濃度的納米TiO2在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)污水生物脫氮除磷過(guò)程及活性污泥的影響情況，以為深入研究納米材料對(duì)水環(huán)境的潛在危害提供理論基礎(chǔ).

1 研究方法

1.1 SBR 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

為考察短時(shí)、高質(zhì)量濃度投加納米TiO2對(duì)SBR 系統(tǒng)脫氮除磷及微生物群落的影響，在一臺(tái)ZR4－6混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上，加入光源、加熱裝置、曝氣裝置，用以模擬構(gòu)建同步運(yùn)行的6個(gè)小型SBR 反應(yīng)器裝置，同時(shí)監(jiān)測(cè)6個(gè)不同納米TiO2濃度下，反應(yīng)器內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化情況.所構(gòu)建的小型六聯(lián)同步SBR 反應(yīng)器裝置如圖1所示.

圖1 小型六聯(lián)同步SBR 反應(yīng)器裝置

1.2 納米材料的準(zhǔn)備及其性狀表征

實(shí)驗(yàn)用納米TiO2購(gòu)自美國(guó)Sigma－Aldrich公司.

不同濃度納米TiO2懸濁液的配置：首先配制儲(chǔ)備液，將5g／L，0.5g的納米TiO2溶于100mL超純水中，350 W 超聲20min備用；然后將配好的納米材料溶液，分別取出10 mL，115℃，30 min滅菌備用；最后將滅好菌的納米TiO2懸濁液母液稀釋，配置成質(zhì)量濃度分別為0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的納米TiO2懸濁液備用.

采用英國(guó)Malvern Instrument公司生產(chǎn)的Malvern Nano－S納米粒度分析儀對(duì)此納米顆粒樣品進(jìn)行粒度分布分析，結(jié)果見(jiàn)圖2.結(jié)果分析顯示，實(shí)際分散于水溶液體系中的納米TiO2顆粒的粒徑主要介于70～90nm 和200～300nm 之間，這與Sigma－Aldrich公司產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)標(biāo)示的25nm 有較大出入.

圖2 納米TiO2 在超純水中的粒度分布

1.3 污泥來(lái)源及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用活性污泥取自哈爾濱市太平污水處理廠二沉池，其MLSS和MLVSS分別為2.76g／L 和1.94g／L.考慮到此實(shí)驗(yàn)的目的是考察短時(shí)、高濃度梯度投加納米TiO2對(duì)活性污泥穩(wěn)定性造成的沖擊情況，故未對(duì)活性污泥進(jìn)行稀釋和人工再培養(yǎng)，以真實(shí)反映實(shí)際情況.

1.4 SBR 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)及設(shè)置

納米TiO2懸濁液的投加方式：首先，量取新鮮的活性污泥分別加入體積為1L的6只燒杯中，每只燒杯加入污泥量為800mL；然后將不同質(zhì)量濃度的納米TiO2懸濁液同時(shí)加入至6只燒杯中并攪拌混勻，運(yùn)行反應(yīng)器.

6個(gè)小型SBR 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為同步運(yùn)行，運(yùn)行溫度控制在25℃，運(yùn)行周期為6h，其中厭氧2.5h、曝氣2h，厭氧1h、沉淀0.5h.隔15min取一次樣測(cè)定溶解氧（DO）及pH 值；隔30min取一次樣測(cè)定NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P的濃度.

1.5 溶解氧（DO）和pH 值的測(cè)定

使用德國(guó)WTW 公司生產(chǎn)的Multi350i型便攜式多參數(shù)（pH／DO／Cond）測(cè)定儀測(cè)定DO 和pH 值.

1.6 系統(tǒng)體系內(nèi)NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P的測(cè)定

采用納氏試劑光度法測(cè)定體系中氨氮（NH＋4—N）的含量；采用麝香草酚法測(cè)定體系中硝酸鹽（NO－3—N）的含量；采用鉬酸鹽分光光度法測(cè)定體系中磷酸鹽（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試劑盒提取活性污泥中微生物樣品的DNA；DGGE分析采用美國(guó)伯樂(lè)Bio－rad變性梯度凝膠電泳儀.

1.8 SEM 樣品的制備

固定：挑取一小塊兒污泥，用2.5%戊二醛（pH＝7.2）4℃條件下固定1.5h，以防止細(xì)菌等微生物體在后續(xù)脫水過(guò)程中變形.

沖洗：用0.1mol／L磷酸緩沖液（pH＝7.2）清洗3次，每次10min.

脫水：用50%，70%，90%，100%，100%，100%的乙醇進(jìn)行梯度脫水，每次10～15min.

置換：用100%乙醇／叔丁醇（V乙醇∶V叔丁醇＝1∶1）和純叔丁醇各置換一次，每次15min.

干燥：用ES－2030（HITACHI）型冷凍干燥儀對(duì)樣品進(jìn)行干燥（24h以上）.

粘樣：將樣品觀察面朝上，用導(dǎo)電膠帶粘在掃描電鏡樣品臺(tái)上.

鍍膜：用E－1010（HITACHI）型離子濺射鍍膜儀在樣品表面鍍上一層15nm 厚的金屬膜，時(shí)間20min.

將處理好的樣品放入樣品盒中待檢.

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR 反應(yīng)器體系內(nèi)溶解氧和pH 值的變化

由于取樣間隔時(shí)間較短，為降低實(shí)驗(yàn)誤差，采用6只相同的Multi350i型多參數(shù)測(cè)定儀同時(shí)測(cè)定DO 和pH 值，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4.如圖3所示，6個(gè)微型SBR 反應(yīng)器中，在周期運(yùn)行的厭氧階段，溶解氧的值一直維持在1mg／L左右，隨著曝氣階段開(kāi)始，在COD 降解過(guò)程中，DO 出現(xiàn)平臺(tái).這是因?yàn)樵诤愣ㄆ貧饬康臈l件下，有機(jī)污染物被微生物不斷氧化降解，微生物降解有機(jī)物過(guò)程的OUR（oxygen uptake rate，氧吸收率）基本不變，所以DO 出現(xiàn)平臺(tái).從圖中可以看出：未投加TiO2的SBR 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧隨曝氣時(shí)間的增加未發(fā)生明顯變化，基本維持在2mg／L左右；而投加了TiO2的SBR 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧隨投加的TiO2質(zhì)量濃度增加而增加，這可能是由于TiO2的光催化活性促進(jìn)了COD 的降解.

圖4所示為SBR 反應(yīng)器體系一個(gè)周期內(nèi)pH 值的變化，6個(gè)微型SBR 反應(yīng)器中的pH 值變化趨于同步，隨著反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行，從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，趨于平穩(wěn).pH 在COD 降解過(guò)程中不斷大幅度上升，這是因?yàn)椋海?）異養(yǎng)微生物對(duì)有機(jī)底物的分解代謝和合成代謝均可產(chǎn)生CO2，CO2溶解在水中可導(dǎo)致pH 下降，但是曝氣過(guò)程不斷地將產(chǎn)生的CO2吹脫，這就引起了pH 值的大幅上升；（2）好氧微生物降解了廢水中的有機(jī)酸引起pH 值的上升.

圖3 SBR 反應(yīng)器體系一個(gè)周期內(nèi)溶解氧的變化

圖4 SBR 反應(yīng)器體系一個(gè)周期內(nèi)pH 值的變化

當(dāng)COD 降解停止時(shí)，pH 曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（見(jiàn)圖4中150min的拐點(diǎn)），并開(kāi)始不斷下降，這是因?yàn)橄趸磻?yīng)過(guò)程中產(chǎn)生了H＋.pH 的下降一直進(jìn)行至硝化反應(yīng)的停止或結(jié)束，然后pH 會(huì)迅速上升，繼而維持不變或在硝化反應(yīng)結(jié)束時(shí)就基本維持不變.pH 迅速上升的原因是因?yàn)閴A度含量大于硝化所需，曝氣吹脫了CO2；pH 在硝化反應(yīng)停止時(shí)就維持不變，是因?yàn)閴A度不足或沒(méi)有剩余［14］.

2.2 納米TiO2 質(zhì)量濃度對(duì)反應(yīng)體系中NH＋4 —N，NO－3 —N，PO3－4 —P去除的影響

不同納米TiO2質(zhì)量濃度對(duì)反應(yīng)體系中NH＋4—N，NO－3—N，PO3－4—P 去除的影響結(jié)果見(jiàn)圖5—圖7.

由圖5可知，隨著加入6個(gè)微型SBR 反應(yīng)器體系內(nèi)TiO2質(zhì)量濃度的增加，NH＋4—N 的去除率均比未投加TiO2的要高，這可能是由于TiO2具有較高的氧化活性，在光催化條件下，氧化能力進(jìn)一步提高，使NH＋4—N 逐步氧化，導(dǎo)致NH＋4—N 的去除率有所提高.但不同質(zhì)量濃度的納米TiO2對(duì)反應(yīng)體系中NH＋4—N 的去除趨勢(shì)大體相同.

圖5 不同濃度納米TiO2 對(duì)反應(yīng)體系中NH＋4 —N 的影響

圖6 不同濃度納米TiO2對(duì)反應(yīng)體系中 NO－3 —N 濃度變化的影響情況

不同質(zhì)量濃度的納米TiO2對(duì)反應(yīng)體系中NO－3—N 的影響情況如圖6所示，前5個(gè)微型SBR 反應(yīng)器體系內(nèi)TiO2的質(zhì)量濃度分別為0，125，250，500和1 000mg／L，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，體系內(nèi)硝酸鹽含量的變化趨勢(shì)基本相同；但當(dāng)納米TiO2質(zhì)量濃度為2 000mg／L時(shí)，體系內(nèi)硝酸鹽含量在反應(yīng)體系運(yùn)行120min后，開(kāi)始大幅增加，到270min時(shí)達(dá)到1.2mg／L的最大值，說(shuō)明當(dāng)TiO2的質(zhì)量濃度增大到2 000mg／L時(shí)開(kāi)始對(duì)硝酸鹽還原細(xì)菌產(chǎn)生較大的毒害作用，致使硝酸鹽得不到轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生硝酸鹽大量積累的現(xiàn)象.

不同質(zhì)量濃度納米TiO2對(duì)反應(yīng)體系中PO3－4—P濃度變化的影響情況如圖7所示.前5個(gè)微型SBR 反應(yīng)器體系內(nèi)TiO2的濃度分別為0，125，250，500 和1 000mg／L時(shí)，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，體系內(nèi)磷酸鹽含量的變化趨勢(shì)基本相同；但第6個(gè)微型SBR 反應(yīng)器體系內(nèi)TiO2的質(zhì)量濃度為2 000mg／L，體系內(nèi)磷酸鹽含量從反應(yīng)的開(kāi)始階段一直到反應(yīng)結(jié)束始終處于一個(gè)較低的水平，說(shuō)明當(dāng)TiO2的質(zhì)量濃度增大到2 000mg／L時(shí)可對(duì)聚磷菌產(chǎn)生了較大的毒害作用，致使聚磷菌不能夠有效放磷.

前期的研究曾對(duì)有無(wú)光照條件下納米TiO2對(duì)SBR 反應(yīng)器處理污水的脫氮效果影響進(jìn)行了考察［15］，結(jié)果表明：在有無(wú)光照條件下，低質(zhì)量濃度的納米TiO2均不會(huì)對(duì)SBR 反應(yīng)器中污水的脫氮效果產(chǎn)生影響；然而當(dāng)納米TiO2質(zhì)量濃度較高時(shí)，無(wú)論有無(wú)光照納米TiO2均會(huì)對(duì)SBR 反應(yīng)器中污水的脫氮效果產(chǎn)生影響，這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的，然而具體機(jī)制有待于進(jìn)一步考察.

圖7 不同濃度納米TiO2對(duì)反應(yīng)體系中 PO3－4 —P濃度變化的影響

2.3 納米TiO2 質(zhì)量濃度對(duì)活性污泥中微生物群落變化的影響

在納米TiO2質(zhì)量濃度分別為0，125，250，500，1 000，2 000mg／L的6個(gè)微型SBR 反應(yīng)器的活性污泥中提取細(xì)菌DNA，并進(jìn)行PCR－DGGE圖譜分析，結(jié)果如圖8所示.從結(jié)果可以看出，樣品1至樣品6的條帶清晰完整，數(shù)量基本相同，條帶的顏色深淺也無(wú)大的變化，說(shuō)明短時(shí)、高濃度梯度投加納米TiO2對(duì)SBR 系統(tǒng)中微生物種群多樣性無(wú)明顯影響.

此外，在前期的研究中，連續(xù)7d 逐漸遞增納米TiO2在SBR 反應(yīng)器中的質(zhì)量濃度，通過(guò)PCRDGGE的方法，考察了納米TiO2對(duì)SBR 反應(yīng)器中微生物種群多樣性的影響.結(jié)果表明，在逐漸向反應(yīng)器中加入納米TiO2后，活性污泥中種群多樣性受到了較明顯的影響，種群數(shù)量明顯減少，結(jié)合納米TiO2對(duì)脫氮效果的影響，發(fā)現(xiàn)納米TiO2對(duì)于SBR 反應(yīng)器中污水脫氮效果的影響主要是源于對(duì)活性污泥中微生物種群數(shù)量及種類(lèi)的影響［15］.結(jié)合當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明納米TiO2如發(fā)生突發(fā)性大量泄露于污水處理裝置時(shí)，其短時(shí)對(duì)處理裝置中的微生物群落不會(huì)產(chǎn)生影響，然而當(dāng)納米TiO2發(fā)生長(zhǎng)期連續(xù)累加時(shí)，微生物群落將會(huì)受到影響進(jìn)而會(huì)影響生物反應(yīng)器對(duì)污水的處理效果.

圖8 表征活性污泥中微生物群落變化的PCR－DGGE圖譜

2.4 不同質(zhì)量濃度納米TiO2 對(duì)活性污泥微觀形貌和微生物形態(tài)的影響

采用SEM 的手段表征納米TiO2存在下活性污泥的微觀形貌和微生物形態(tài)，結(jié)果如圖9所示.圖9中，白色顆粒狀物體為納米TiO2，納米TiO2顆粒覆蓋在活性污泥內(nèi)菌體的表面，可以看出，納米TiO2并沒(méi)有對(duì)污泥基本形貌和細(xì)菌形態(tài)造成大的破壞作用，菌體相對(duì)飽滿，菌體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整.

圖9 表征活性污泥微觀形貌和微生物形態(tài)的SEM 圖

3 結(jié)論

（1）在SBR 反應(yīng)器一個(gè)運(yùn)行周期（6h）內(nèi)，質(zhì)量濃度低于2 000mg／L 的納米TiO2對(duì)體系內(nèi)DO，pH，NH＋4—N 的濃度變化影響不大；當(dāng)納米TiO2的質(zhì)量濃度為2 000mg／L 時(shí)，對(duì)體系內(nèi)NO－3—N，PO3－4—P的濃度變化產(chǎn)生了較大影響.

（2）PCR－DGGE結(jié)果顯示，短時(shí)、高濃度梯度投加納米TiO2對(duì)SBR 系統(tǒng)中微生物種群多樣性無(wú)明顯影響.

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