人工金属氧化物纳米颗粒在污水生物处理系统中的归趋及对微生物聚集体活性的影响

随着纳米技术的蓬勃发展，由此引发的纳米污染问题值得高度警惕。污水处理厂是控制纳米材料进入自然水体的重要关口，对防止和减轻纳米污染发挥重要作用。我国在纳米材料环境归趋和环境影响方面的研究基础还比较薄弱，特别是以污水处理厂为背景，缺乏系统调研及相关机理分析，开展该领域的基础研究十分必要且非常紧迫。本课题以人工金属氧化物纳米颗粒为研究对象，综合运用AFM、XAFS、TEM-EDX、DLS等多种先进的实验分析技术，通过解析纳米颗粒在污水环境中的聚集行为，以及纳米颗粒与微生物之间的相互作用机理及其生物吸附特性，构建纳米颗粒的归趋模型，从理论分析和实验研究两个方面深入探究纳米颗粒在污水生物处理系统中的去向、分布及赋存形态。此外，运用微电极技术，揭示纳米颗粒对生物处理系统中微生物聚集体碳氧化、硝化及反硝化活性的影响，剖析由聚集体结构造成的微环境的抑制差异。以期为纳米污染控制和风险评价提供理论和技术指导。

以常见的金属氧化物纳米颗粒为研究对象，考察纳米颗粒在污水中的分散特性及聚集动力学，以及对活性污泥的活性影响及其群落结构动态变化特征。取得的重要研究进展如下：.动态光散射（DLS）结合投射电镜（TEM）分析表明，纳米颗粒在污水系统中具有良好的分散特性，其粒径保持在300-400 nm。溶解性有机物是促使纳米颗粒稳定的主要因素，三维荧光光谱分析表明可能是污水中的类蛋白物质以及异生状有机组分在起作用。此外，一价钠盐和二价钙盐均不能引起纳米颗粒脱稳，说明纳米颗粒脱稳定不能依靠压缩双电层的作用，这与已经报道的纳米颗粒在天然水体中DLVO特性截然不同。然而，硫酸铝加入后，推测由于吸附架桥作用，会引起纳米颗粒的迅速脱稳聚集，可能的脱稳机理是由于硫酸铝溶液形成了氢氧化铝水合物而引起的架桥作用。.通过静态和动态吸附实验研究了活性污泥对纳米颗粒吸附的机理和影响因素。结果表明：准二级方程、Freundlich模型是能够较好的模拟纳米TiO2和ZnO在活性污泥上的吸附过程的模型。缺氧污泥比好氧污泥对纳米颗粒的吸附量大。好氧污泥浓度越大，吸附平衡时上清液中各种纳米材料的含量越低。活性污泥联合吸附4种纳米颗粒时，上清液中各种纳米材料的含量大小顺序是：Al> Ti> Zn>Ag。.非损伤微电极测试结果表明，当TiO2和ZnO纳米颗粒浓度分别为1 mg/L，10 mg/L和100 mg/L时，暴露4.5 h后均对微生物聚集体产生明显的抑制作用。其中TiO2纳米颗粒样本与控制样本相比，氧通量分别下降了70%，74%和58%；ZnO纳米颗粒样本与控制样本相比，氧通量分别下降了51%，50%和40%。纳米颗粒对微生物聚集体的氧通量抑制程度与暴露时间有关。.氧呼吸速率（OUR）分析表明，在暴露时间4.5 h，纳米颗粒浓度10 mg/L的条件下，投加TiO2和ZnO纳米颗粒的实验组活性污泥的呼吸速率相比于空白实验分别降低了11%，12%。而通过对连续运行的三个小试SBR反应器进出水COD、氨氮、硝氮、亚硝氮等常规指标的测试结果也表明，金属氧化物纳米颗粒的添加会对生物反应系统的除碳、脱氮过程产生不利影响。变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析结果表明，当活性污泥暴露在10 mg/L金属氧化物纳米颗粒中，暴露时间13 d，微生物群落结构并没有出现因为金属氧化物纳米颗粒的添加而引起的显著性变化。