多壁碳纳米管长期作用对活性污泥系统的影响

第27卷第12期2014年12月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciences王玉琳，闯韵，王晓慧，等.多璧碳纳米管长期作用对活性污泥系统的影响[JJ.环境科学研究，2014，27(12):1486-1492Vol.27,No.12Dec.,2014WANGYulin,WENYun,WANGXiaohui,etal.Long-terrneffectsofmulti-walledcarbonnanotubesonactivatedsludgesystemlJJ.ResearchofEnvironmentalSciences,2014,27(12):1486-1492.多壁碳纳米管长期作用对活性污泥系统的影晌王玉琳1，闻韵2，王晓慧1，杜志泽1，海热提1\李援I1.北京化工大学，北京市水处理环保材料工程技术中心，北京1000292.洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳471023摘要:为研究MWCNTs(multi-walledcarbonnanotubes，多壁碳纳米管)对活性污泥长期作用的影响，建立3组(每组包括3个平行反应器)序批式活性污泥反应器，研究了2种质量浓度(1、20mg/L)的MWCNTs长期(120d)作用对活性污泥系统废水处理效果的影响，并采用IlluminaMiSeq高通量测序技术研究MWCNTs长期作用后活性污泥中细菌群落结构的变化.结果表明:20mg/L的MWCNTs对生物脱氮效果存在明显的抑制作用，TN平均去除率由83.4%降至71.7%;1mg/L的MWCNTs长期作用后TN平均去除率由83.7%降至79.7%.1和20mg/L的MWCNTs对磷的去除均有抑制作用，TP平均去除率分别由98.0%和98.2%降至52.0%和34.0%.IlluminaMiSeq离通最澳u序结果表明，不同质量浓度的MWCNTs长期作用后降低了活性污泥中细菌群落的多样性.同时，活性污泥中细菌群落结构也发生了变化，其中α-Proteobαctena和γ-Proteobαctena的丰度升高，Bacteroidetes的丰度降低.1mg/L的MWCNTs长期作用可致以Defluviicoccus和Micropruina为代表的-类聚糖菌(glycogen-accumulatingorganisms,GAOs)丰度显著升高，20mg/L的MWCNTs长期作用可致16个核心屑的丰度明显降低.关键词:多壁碳纳米管;活性污泥;长期作用;细菌群落结构申图分类号:X592文献标志码:A文章编号:1001-6929(2014)12-1486叩07DOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2014.12.14Long-TermEffectsofMulti-WalledCarbonNanotubesonActivatedSludgeSystemWANGYu-lin1,WENYun2,WANGXiao-huil,DUZhi-ze1,Haireti1',LIYuan11.BeijingEngineeri吨ResearchCenterofEnvironmentalMaterialforWaterPurification,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beiji吨100029，China2.DepartmentofCivilEngineering,LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471023,ChinaAbstract:Threegroupsofsequencingbatchreactors(SBRs)wereoperatedtoinvestigatethelong-termeffeclsofmulti-walledcarbonnanot由es(MWCNTs)onactivatedsludgesystems.Eachgroupwassetupintriplicate.Thelong-termeffectsof1and20m/LMWCNTsonnutrientremovalofactivatedsludgeprocesswereinvestigated.Inaddition,bacterialcommunitystructureinactivatedsludgewasstudiedusin也MiSeqhigh-throughputsequencing.Itwasfoundthat20mg/LMWCNTsadverselyaffectedtheperformanceofbiologicalnitrogenremoval,whichsignificantlyreducedtheaverageTNremovalefficienciesfrom83.4%to71.7%,andaverageTNremovalefficienciesfrom83.7%to79.7%,afterlong-termexposureto1mg/LMWCNTs.Inaddition,both1and20mg/LMWCNTsinhibitedbiolo唱icalphosphorusremoval,withtheaverageTPremovalefficienciesdecreasingfrom98.0%to52.0%andfrom98.2%to34.0%,respectively.MiSeqsequencingindicatedthat1and20mg/LMWCNTsobviouslydecreasedthediversityofh配terialcommunityinactivatedsludge.MWCNTsdifferentiallyenhancedtheabundanceofα-Proteobacteriaandγ-Proteobαcte巾，andreducedtheabundanceofBacteroide阳.Thelong-termeffectsof1mg/LMWCNTssignificantlyenhancedtheabundanceofglycogenaccumulatingorganisms(GAOs)(i.e.DefluviicoccusandMicropruina),whicharethoughtωout-compe忧thepolyphosphate-accumulatingorganisms(PAOs)inactivatedsludgecommunitiesremovingphosphate.Thelon19-termeffectsof20mg/LMWCNTssignificantlydecreasedtheabundanceof16coregenera.收稿日期:2014-01-03修订日期:2014-04-26基金项目:北京市科技计划项目(Z121100∞1512008);环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项(13K06ESPCT)作者简介:王玉琳(1988-)，男，山东临沂人，yulinwang605@伊ail.com.*责任作者，海热提(1959斗，男，北京人，教授，博士，主要从事污水净化新型材料技术及装备、废水处理工程技术研究，[e-mail]:multi-walledcarbonnanotllbes;activatedsludge;long-termeffects;microbialcommllnitystructllreNMs(nanomaterials，纳米材料)是指物质的结构在三维空间中至少有一维处于nm尺度范围(1-100nm)的材料[l]，纳米技术正成为目前科学分支中发展第12期王玉琳等:多壁碳纳米管长期作用对活性污泥系统的影响1487最快的一项技术[2-3]NMs一般可分为金属及氧化物NMs、纳米金属盐和碳NMs、纳米晶体、量子点和纳米聚合物.碳NMs包括SWCNTs(single-walledcarbonnanotubes，单壁碳纳米管)、MWCNTs(multi-walledcarbonnanotubes，多壁碳纳米管)、富勒烯(C60)、炭黑等;纳米晶体和量子点、纳米聚合物[4-5]其中，富勒烯和CNTs(carbonnanotubes，碳纳米管)是应用最为广泛的碳NMs[6J•由于具有巨大的长径比、高抗拉强度和导电性能，CNTs及其衍生物被广泛应用于塑料、催化剂、电池和燃料电池电极、水净化系统、导电涂层和传感器材料等多种领域[7-8J由于NMs的广泛应用，导致其在生产和使用过程中不可避免地进入环境[9]，从而进入用于污水处理的活性污泥系统中.因此，研究NMs对活性污泥系统的影响显得尤为重要.到目前为止，关于NMs对活性污泥影响的研究仍较为鲜见，现有研究多集中于金属NPs(如CU-NPS['O-]、Ag-NPsI1川4])和金属氧化物NPs(如ZnO_NPs[15-171、Sí02-NPs[川、Tí02-NPs(191)对活性污泥的毒性研究.CNTs对活性污泥影响的研究更加匮乏，并且已有的研究也多集中于CNTs中SWCNTs对活性污泥系统影响作用方面.YIN等l20-21I关于270mg/L的SWCNTs对活性污泥反应器的冲击负荷试验结果表明，SWCNTs并未对活性污泥反应器的性能产生明显的抑制作用，反而提高了污泥的沉降性能和脱水能力，并发现SWCNTs在没有活性污泥污泥存在情况下就可以吸收废水中16.9%的洛解性CODc，'Goyal等问2]采用与YIN类似的试验条件进一步研究了SWCNTs对话性污泥系统中微生物群落结构的影响，发现其对黯脂单胞菌科产生较明显的抑制作用的同时，对其他群落也有不同程度的影响.TONG等[23]研究发现，修饰后的SWCNTs对土壤中的做生物群落结构和微生物新陈代谢产生影响.也有报道[24J称SWCNTs会破坏做生物细胞膜结构，从而使其具有抗菌性.目前关于MWCNTs生物毒性的研究多集中于其对水生动物的影响，)(1J勇信等[25J研究了3种质量浓度(2.5、5.0和10.0mg/L)的MWCNTs对斑马鱼的毒性作用，均未发现其对斑马鱼产生明显的毒性.Lauren等[6]通过呼吸抑制试验研究了MWCNTs对活性污泥的影响，发现MWCNTs对活性污泥的活性抑制作用随p(MWCNTs)的增高而增加，在MWCNTs作用下，EPS(extracellularpolymericsubstances，胞外聚合物)对活性污泥微生物具有一定的保护作用.该研究以MWCNTs为研究对象，研究其对活性污泥系统长期作用后，对废水处理效果和活性污泥中微生物群落结构的影响，以期为处理含MWCNTs的污水提供借鉴.1材料与方法1.1供试材料MWCNTs购自深圳纳米港有限公司，直径40-60nm，长度5-15μm，w(MWCNTs)959毛.试验所选化学物质均为分析纯及以上.1.2MWCNTs悬浊液配制称取120mgMWCNTs加入1L去离子水，并超声1h(25c、120W、40kHz).最终得到ρ为120mg/L的MWCNTs悬油液.通过稀释得到p(MWCNTs)分别为1和20mg/L的进水.1.3活性污泥培养接种污泥取自北京小汤山污水处理厂，分别接种到3组SBR反应器(编号为A、B和C)中，每组包括3个平行反应器(A1、A2、A3，B1、B2、囚，C1、C2、C3)，共9个反应器，并使用不含MWCNTs的人工合成污水对活性污泥进行培养.试验装置见图1.每个SBR反应器的有效工作容积为4L，接种污泥为1L.SBR反应器的运行温度为(21:t3)C，运行周期为8h.每周期各阶段时间为:厌氧1.5h，曝气3h，沉淀1.5h，潭水10min，闲置110min.每周期潭水2L，在厌氧阶段开始前10mín进水2L.活性污泥培养结束后，A组反应器进水ρ(MWCNTs)为omg/L(对照组)，B组进水ρ(MWCNTs)为1mg/L，模拟环境中质量