水中納米TiO2特性及對(duì)SBR活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響研究.pdf

1、納米技術(shù)是世界發(fā)達(dá)國(guó)家最優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一,納米材料已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科技等領(lǐng)域。在創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)利益的同時(shí),納米材料通過(guò)直接或間接方式被排放入環(huán)境,由此引發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。水環(huán)境是納米材料的主要?dú)w宿地之一,復(fù)雜的水環(huán)境會(huì)改變納米顆粒在水中的環(huán)境行為與穩(wěn)定性,與活性污泥的相互作用也會(huì)對(duì)污水處理效能和微生物特性產(chǎn)生抑制作用,最終危害水生環(huán)境安全。針對(duì)此問(wèn)題,本文以應(yīng)用最為廣泛的納米二氧化鈦(納米TiO2)為研究對(duì)象,研究納

2、米TiO2在水中的存在特性,分析TiO2在天然水與污水中的粒度分布、穩(wěn)定性及其影響因素。同時(shí)研究納米TiO2對(duì)污水生物處理系統(tǒng)中活性污泥絮體穩(wěn)定性和表面特性的影響,確定納米TiO2對(duì)活性污泥絮體物理化學(xué)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。采用最新的焦磷酸測(cè)序技術(shù)解析納米TiO2對(duì)活性污泥絮體生物穩(wěn)定性的作用行為,考察了微生物生理生化特性及群落生態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)納米TiO2長(zhǎng)期影響下的環(huán)境響應(yīng),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)。
　　納米Ti

3、O2在水中的表面電荷、粒徑范圍和濃度是影響其在水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。在去離子水中,納米TiO2顆粒分布均勻,粒徑大小差異較小,分散程度較好。納米TiO2的等電點(diǎn)為pH=6.50,當(dāng)pH<6.50時(shí),納米TiO2顆粒表面帶正電荷,而溶液pH>6.50時(shí)帶負(fù)電荷。納米TiO2與水中溶解性有機(jī)質(zhì)(天然有機(jī)物DOM、污水中有機(jī)物)之間的相互作用形式主要為配位體交換和靜電力作用,其中配位體交換作用主要為羧基和酚羥基官能團(tuán)的相互作用。天然水環(huán)

4、境條件下,當(dāng)pH為7時(shí),納米TiO2與低分子量DOM配位體反應(yīng)程度較高,而靜電排斥為高分子量DOM與納米TiO2的作用主導(dǎo),導(dǎo)致水體顆粒聚集體穩(wěn)定性增加。pH為5時(shí),納米TiO2與DOM之間的相互作用由兩種方式共同完成。與天然水環(huán)境相似,城市污水環(huán)境中低分子量有機(jī)物與納米TiO2相互作用主要以配位體交換反應(yīng)為主,而靜電斥力作用是高分子量有機(jī)物與納米TiO2作用的主導(dǎo),因此城市污水環(huán)境中主要為小分子量有機(jī)物與納米TiO2的相互作用,這為有

5、效去除進(jìn)入進(jìn)入城市污水處理廠后的納米材料提供理論依據(jù)。
　　通過(guò)擴(kuò)展的DLVO理論的解析和熱力學(xué)分析手段,應(yīng)用開爾文顯微鏡原位檢測(cè)活性污泥絮體表面電勢(shì)的創(chuàng)新手段,考察了納米TiO2對(duì)活性污泥生物處理系統(tǒng)中活性污泥絮體物化穩(wěn)定性的影響。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)期暴露的納米TiO2使活性污泥絮體與納米顆粒碰撞幾率增加。由于活性污泥胞外聚合物(EPS)的作用使納米TiO2包裹于絮體表面。通過(guò)活性污泥絮體表面電勢(shì)的表征,分析了納米TiO

6、2對(duì)活性污泥絮體表面電勢(shì)的影響。結(jié)果顯示納米TiO2的存在導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)微生物膠體穩(wěn)定性增加,降低了絮體沉淀性能,從而增加了活性污泥處理系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)擴(kuò)展的DLVO理論解析了納米TiO2存在的活性污泥微生物體系的穩(wěn)定性。在范德華吸引作用、靜電力作用和水合作用共同作用下,短程范圍內(nèi)活性污泥微生物體系中的縱斥力勢(shì)壘不斷增加,吸引作用和有效Hamaker值均呈下降趨勢(shì)。在中程范圍內(nèi)靜電力自由能對(duì)總位能的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì),而且隨著納米TiO2

7、濃度的增加呈增加趨勢(shì),導(dǎo)致活性污泥的穩(wěn)定性增加、凝聚能力降低,直接降低泥水分離效果。
　　采用序批式活性污泥工藝(SBR)模擬城市污水活性污泥生物處理系統(tǒng),研究長(zhǎng)期暴露下(30天)不同濃度納米TiO2對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下SBR系統(tǒng)處理效能和微生物生理生化與菌群群落生態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同濃度納米TiO2對(duì)活性污泥系統(tǒng)有機(jī)物和NH3-N的去除能力具有顯著的抑制作用,且隨著投加量的增加抑制程度加強(qiáng),而整個(gè)過(guò)程對(duì)PO43-去除沒(méi)有影響

8、。不同濃度納米TiO2對(duì)微生物數(shù)量和活性影響研究結(jié)果證實(shí),微生物數(shù)量和活性受納米TiO2的影響結(jié)果與污水處理效能結(jié)果一致,在低濃度投加條件下,系統(tǒng)微生物濃度和活性并未受到較大影響,而當(dāng)投加濃度提高后(25和100mg/L),由于活性污泥胞外聚合物(EPS)中的羧基和羰基與納米TiO2發(fā)生了配位體作用,導(dǎo)致系統(tǒng)MLVSS含量與未投加系統(tǒng)相比分別降低了18.4％和22.9%,以TTC-電子傳遞體系(TTC-ETS)表征的污泥活性分別降低了1

9、9.95%和44.77%,EPS中蛋白質(zhì)和多糖含量均有不同程度的降低。
　　應(yīng)用焦磷酸測(cè)序技術(shù)深度分析了微生物對(duì)納米TiO2長(zhǎng)期影響的群落結(jié)構(gòu)響應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在納米TiO2長(zhǎng)期存在下的活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)與無(wú)納米TiO2存在時(shí)存在明顯差異。活性污泥菌群Shannon指數(shù)隨著納米TiO2投加濃度的提高逐漸降低,生物群落多樣性受抑制于納米TiO2,導(dǎo)致菌群穩(wěn)定性降低。微生物群落差異性分析結(jié)果顯示,活性污泥系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)對(duì)不同濃