-
纳米银(nanosilver，nAg)因其具有强杀菌性而被广泛应用于玩具、衣物、洗手液等生活日用品及医疗用品中。截至2022年2月，在纳米材料数据库(The Nanodatabase)中共登记纳米材料5 224种，其中包含nAg的材料约占总数的1/7[1]。在nAg产品的生命周期中，约60%的nAg在制造、使用、废弃和循环过程中通过污水管网进入市政污水处理厂[2]。由于nAg的抑菌性能，进入污水生物处理系统中的nAg会影响微生物呼吸速率[3]，导致污水处理厂净化污水的性能下降[4]。进入污水处理系统中的nAg随污泥排出时也可能带来环境风险，FOSTNER等[5]发现进水中投加10 mg·L−1 nAg，在运行30 d和90 d后的SBRs外排活性污泥进入土壤后，对土壤细菌群落组成有显著影响(P<0.05)。
作为金属纳米材料，nAg进入活性污泥污水处理系统后，必然受到污水组成和系统工艺参数如溶解氧、曝气时间、混合强度等影响，经历团聚[6]、溶解[7]、氧化[8] 、硫化[9]等过程，形态发生变化，从而影响nAg抑菌性能[10]。CHEN等[11]认为，活性污泥系统中的nAg通常与H2S、S2−发生硫化反应转化成其最终环境形态Ag2S，nAg的硫化过程可显著降低其对微生物的毒性[12]。然而，研究者认为污水中可能存在多种金属离子(Mg2+、Fe2+/Fe3+)及生物分子如蛋白质等，均可与Ag+竞争S2-[13]，nAg在好氧环境中释放的Ag+远多于厌氧，抑菌能力显著高于厌氧[14]。也有研究表明，nAg在污水处理系统中可能转化为AgCl及AgO等形态[15]。nAg的化学形态显著影响其对活性污泥微生物的毒性效应。1 mg·L−1 AgCl胶体对硝化细菌硝化作用的抑制率为(46±4.0)%，与1 mg·L−1 Ag+对该菌的抑制效果相同[16]。以nAg、Ag+、可溶性银化合物、胶体银等形态存在的Ag，均具有很好的抑菌活性[17]。
研究者对nAg考察了活性污泥污水处理系统中的胁迫效应，明确了污水处理系统中nAg来源和进水浓度[18-19]，确定了nAg对污水生物处理系统脱氮除磷功能的干扰[20-21]，提出了nAg的生态毒性主不仅来源于nAg自身及还包括其释放的Ag+等[22-24]。但关于nAg在活性污泥污水处理系统中的分布、赋存形态等方面的研究却鲜有报道。基于此，本研究采用序批式反应器模拟活性污泥污水生物处理系统，在进水中分别添加不同浓度的nAg和Ag+，连续运行50 d，以分析污水处理系统中Ag在污泥、出水中的分布及Ag在污泥中的赋存形态，为解析、评估nAg对污水生物处理系统的胁迫效应及外排活性污泥的环境风险提供参考。
-
实验进水为人工模拟中等强度的城市生活污水，主要组成成分[25]为：30 mg·L−1 C6H12O6、400 mg·L−1 CH3COONa、150 mg·L−1 NH4Cl、45 mg·L−1 KH2PO4、20 mg·L−1 MgSO4·7 H2O和1 mL·L−1微量元素溶液。其中，微量元素溶液组成[26]为：150 mg·L−1 H3BO3、150 mg·L−1 CoCl2·6H2O、30 mg·L−1 CuSO4·5H2O、150 mg·L−1 FeCl2·6H2O、30 mg·L−1 KI、120 mg·L−1 MnCl2·2H2O、60 mg·L−1 Na2Mo7O4·2H2O、120 mg·L−1 ZnSO4·7H2O。采用NaHCO3调节污水pH，使其保持在6.5~7.5。
SBR有效体积为1.6 L，采用空气压缩机从底端曝气，空气流速为2.0 L·min−1，实验期间每天运行2个周期，每周期5 h，其中进水15 min，静置90 min，曝气90 min，静置90 min，排水15 min (图1)。运行周期内换水比为50%，其余时间静置，每8 d排泥1次。反应器接种污泥取自南京某市政污水处理厂生化池的回流污泥，反应器内初始污泥混合液悬浮固体(mixed liquor suspended solids，MLSS)质量浓度为4 282~4 628 mg·L−1，污泥容积指数(settling velocity index，SVI)为79~87 mL·g−1。
-
SBRs污水处理系统因具有出水水质好、占地面积小、可以同步脱氮除磷等优点被普遍应用于市政污水和工业污水处理。已有研究表明，市政污水中nAg或Ag质量浓度为16.4~74.7 ng·L−1，活性污泥中nAg或Ag含量为3~14 mg·kg−1[2]。nAg具有广谱抗菌性且不会导致细菌产生抗药性，因而nAg产品在环保、日用品、医疗等领域的使用日趋增多，这可能导致市政污水和活性污泥中Ag浓度不断升高[27]。本研究根据国内外相关研究中所使用的nAg浓度[4,28-30]，选取低浓度nAg(1 mg·L−1)和高浓度nAg(10 mg·L−1)作为实验进水中的nAg浓度。采用超滤法[31]测定nAg溶解释放出的Ag+约为nAg质量浓度的30%，因此在进水中分别添加质量浓度为0.3 mg·L−1和3.0 mg·L−1 的Ag+，同步观察nAg溶解释放出的Ag+对污水处理系统的影响。
SBRs运行稳定后(反应器启动后运行约20 d，对污染物的去除效率稳定，污泥沉降性能良好，即达到稳定状态)。在进水中分别加入1 mg·L−1、10 mg·L−1 nAg和0.3 mg·L−1、3 mg·L−1 Ag+，启动反应器。实验所用nAg购自北京德科岛金科技有限公司，表面包被物为聚乙烯吡咯烷酮，平均粒径为10~12 nm；Ag+由AgNO3(国药集团化学试剂有限公司，≥99.8%)与去离子水(电阻率为18 MΩ·cm)配制而成。设置5组反应器：进水中不添加nAg，也不添加Ag+的SBRs为对照(简称CK组)，进水中分别添加1 mg·L−1 nAg(简称1-nAg组)、10 mg·L−1 nAg(简称10-nAg组)、0.3 mg·L−1 Ag+(简称0.3-Ag+组)和3.0 mg·L−1 Ag+(简称3-Ag+组)，每组SBRs各3个重复，在室温(22~28 ℃)下运行。
实验期间，反应器内MLSS质量浓度为3 800~4 500 mg·L−1，SVI为50~85 mL·g−1，pH为7.73~8.71。一个工作周期(5 h)内活性污泥混合液中溶解氧(dissolved oxygen，DO)为0.2~8.0 mg·L−1，反应器出水DO在3 mg·L−1以上，满足活性污泥微生物脱氮除磷、去除有机物所需要的厌氧、缺氧和好氧生境。
-
1)基本指标。活性污泥混合液MLSS和SVI采用水和水质分析(第四版)[32]；DO和pH分别采用便携式溶解氧仪(JPB-607A，上海雷磁仪器厂)和pH测定仪(PB-10，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)测定。
2)活性污泥形态、粒径及Zeta电位。活性污泥形态及元素组成采用扫描电子显微镜(HITACHI，S-3400N Ⅱ，Japan)和X射线能谱仪(HORIBA，EX-250，Japan)测定；污泥絮体粒径及Zeta电位分别由Mastersizer 3000激光粒度分析仪(Malvern Instruments，UK)和Zs90纳米粒度电位仪(Malvern Instruments，UK)测定；活性污泥的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)采用离心法提取[33]，其含量以每克总固体悬浮物中含有的EPS量计算。
3) Ag含量测定。取曝气结束前30 min的泥水混合液，低温高速离心(4 ℃，20 000 r·min−1) 30 min、过0.45 µm醋酸纤维滤膜(Whatman，USA)，上清液即污水，沉淀部分为污泥。污泥于110 ℃烘箱中烘至恒重，冷却后采用石墨炉-王水消煮法[34]浸出污泥中Ag；污水、污泥及EPS中Ag含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，NexION 300，PerkinElmer，USA)测定。
4)活性污泥中Ag的形态。采用X-射线衍射分析仪(Thermo Fisher Scientific，XTRA，USA)和X射线光电子能谱仪(U1VAC-PHI，PHⅠ5000 VersaProbe，Japan)分析Ag在活性污泥中的赋存形态。XRD测定条件为Cu靶，管压40 kV，管流40 mA，扫描范围2Ɵ为30°~90°，步长0.02°。XPS中X射线源为是单色化AlKα，分析活性污泥中C、O、S、N、Ag可能的存在形态。
-
采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行统计分析，结果以平均值±标准差(Mean ± SE)表示，数据绘图采用Origin 8.1软件。利用SPSS Statistic 25软件进行数据显著性差异检验，P<0.05 代表数据间存在显著性差异。
-
1)活性污泥的形态。进水中投加不同浓度的nAg和Ag+，SBRs运行50 d后，活性污泥混合液形态如图2所示。CK组活性污泥呈黄褐色、毛绒状絮体；1-nAg组中活性污泥颜色略深、有少许黑色颗粒，其他性状与CK组污泥无明显差异；10-nAg组活性污泥呈黑褐色，且该组反应器中MLSS值比CK组低30%；0.3-Ag+组、3.0-Ag+组中活性污泥颜色与CK组及1-nAg组相近，但前者污泥中出现明显的黑色颗粒状物质。SBRs运行50 d后，在进水中分别投加nAg和Ag+会导致活性污泥形态发生改变，高浓度nAg (10 mg·L−1)暴露还可导致活性污泥生物量下降，这与李墨青[35]的研究结果一致。
2)活性污泥的微观形貌。采用扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)和能谱分析仪(energy dispersive spectroscopy，EDS)观察5组SBRs中活性污泥的微观形貌并分析主要的能谱元素含量。由图3可看出，CK组活性污泥表面粗糙、孔隙明显，进水分别添加nAg和Ag+处理的活性污泥表面结构逐渐致密化、孔隙缩小，其中10-nAg组和3.0-Ag+组中活性污泥结构致密化的现象尤其明显。已有研究表明，活性污泥的生物活性与其孔隙度相关，当受到毒性物质刺激时，活性污泥表面孔隙收缩，降低内部与外界流通性，污泥生物活性减弱[36-37]。这表明进水中的nAg和Ag+可能对活性污泥系统生物活性造成影响，影响后续污水处理效率。
对运行至50 d时的反应器中活性污泥进行能谱元素分析(表1)，1-nAg、3.0-Ag+和10-nAg组反应器活性污泥中均检测出Ag元素，分别占所测定元素总质量的0.22%、0.51%和4.38%；0.3-Ag+组的反应器活性污泥中Ag元素低于EDS检测下限(3‰)。由此可见，水中的Ag会被活性污泥所吸附，且进水中Ag含量越高，活性污泥中Ag含量也相应升高[38]。其中，3.0-Ag+组添加的Ag+含量与10-nAg组溶解的Ag+含量相同，但从能谱分析结果可知，3.0-Ag+组活性污泥中Ag含量远低于10-nAg组，这表明活性污泥吸附的不仅仅是nAg溶解释放出的Ag+，还包括nAg或其他形态Ag。
3)活性污泥中EPS的含量。活性污泥微生物分泌的EPS与污泥的沉降及重金属吸附性能密切相关[39]。运行至50 d时，进水中分别添加1 mg·L−1和10 mg·L−1 nAg的活性污泥中EPS含量分别为(33.39±1.59)、(54.10±10.73) mg·g−1，均显著高于CK组(P<0.05)，且活性污泥EPS含量随着进水中nAg质量浓度增加而显著增加。进水中分别添加0.3 mg·L−1和3.0 mg·L−1 Ag+的活性污泥EPS含量分别为(22.09±6.89) mg·g−和(27.43±3.17) mg·g−1，与CK组及1-nAg组没有显著性差异(P>0.05)，但进水中添加3.0 mg·L−1 Ag+的活性污泥EPS含量显著低于10-nAg组(P<0.05)。在外界毒性物质刺激下，活性污泥的EPS可在微生物细胞外形成保护性缓冲层，减缓细胞与外界基质的接触，从而减轻毒性物质对微生物的影响[40]，进水中添加高浓度nAg(10 mg·L−1)，其对活性污泥微生物刺激作用大于其释放出的Ag+(3 mg·L−1)。
4)活性污泥絮体粒径及Zeta电位。SBRs运行至第50 天时，各组反应器中活性污泥絮体粒径和Zeta电位如表2所示。与CK组相比，进水中分别添加1 mg·L−1 、10 mg·L−1 nAg和0.3 mg·L−1、3.0 mg·L−1Ag+对活性污泥絮体粒径无显著影响；与CK组及1-nAg组、10-nAg组、0.3-Ag+ 组相比，进水中添加3.0 mg·L−1 Ag+导致污泥絮体的Zeta电位显著上升(P<0.05)。污泥絮体的Zeta电位与絮体的分散稳定性和絮凝效率有关[41]，Zeta电位上升代表絮凝体稳定性降低，团聚性增强[35]。进水中添加3.0 mg·L−1 Ag+直接增加了污水中阳离子浓度，可能发挥电中和及压缩双电层作用导致活性污泥絮体的Zeta电位上升。而进水中添加10 mg·L−1 nAg，尽管其在纯水中释放出3.0 mg·L−1 Ag+，但在污水系统中nAg释放Ag+会受到环境中溶解氧、温度及天然有机物等多重因素的影响[42-43]，且较易与污水中的阴离子形成化合物，例如CHOI等[44]发现nAg释放的Ag+会与Cl−、SO42−、PO43−等反应生成络合物，从而导致其对污泥絮体Zeta电位的影响与其他各组处理间无显著性差异。
-
在50 d的运行期内，不同处理组中SBRs出水、活性污泥以及污泥EPS中Ag含量的动态变化如图3所示。由于nAg和Ag+在污水处理系统中易发生形态转变[45]，测定时难以区分Ag的真实存在形态，因此，测定反应器各部分的总Ag含量表征进水中nAg和Ag+在SBR中的含量分布。
1)出水中Ag含量。如图4(a)所示，SBRs运行至50 d时，0.3-Ag+和3.0-Ag+组中出水Ag质量浓度分别为(3.18±1.46) μg·L−1和(7.72±0.90) μg·L−1；1-nAg组出水中Ag质量浓度为(13.50±2.55) μg·L−1，10-nAg组出水中Ag质量浓度达(3.96±0.16) mg·L−1。0.3-Ag+、3.0-Ag+组和1-nAg组反应器出水中Ag质量浓度均显著低于10-nAg组。YUAN等[46]连续37 d在SBRs进水中分别添加1 mg·L−1和5 mg·L−1 nAg，出水中总Ag含量分别为(26.0±3.0) μg·L−1和(1.88±0.06) mg·L−1，相差约70倍，与本研究结果相一致。
2)活性污泥中Ag含量。如图4(b)所示，1-nAg、10-nAg和3.0-Ag+组中活性污泥Ag质量浓度在SBRs运行至28 d后趋于稳定，约为3.20~4.30 mg·L−1，运行结束时，这3组反应器中活性污泥Ag质量浓度在3.28~3.67 mg·L−1。以上结果表明反应器运行28 d后活性污泥对Ag的吸附、积累达到稳定值，10-nAg组污泥中Ag的积累达到饱和后，导致出水中Ag含量逐渐升高(图4(a))。进水中添加0.3 mg·L−1 Ag+的SBRs活性污泥中Ag含量随着运行时间延长，持续升高，运行至第 50 天时，污泥中Ag质量浓度为2.38±0.19 mg·L−1。这可能因为进水中Ag含量较低，污泥中Ag含量未达到吸附最大值。SHENG等[38]也发现污泥中Ag积累存在阈值，当污泥中Ag积累达到阈值后，出水中总Ag含量升高。
3)污泥EPS中Ag含量。如图4(c)所示，0.3-Ag+组和3.0-Ag+组的活性污泥EPS中Ag含量与CK组无显著性差异；而1-nAg和10-nAg组的活性污泥EPS中Ag质量浓度明显高于CK和Ag+处理下的活性污泥(P<0.05)，分别为(34.79±6.19) μg·L−1和(714.50±37.45) μg·L−1。这表明污泥EPS对污水中nAg具有较强的吸附性。已有研究表明，活性污泥EPS能够捕获污水中nAg并阻止其扩散，有助于消耗纳米微粒诱导产生的活性氧，从而保护微生物细胞膜结构不受到损害[47-48]。
-
进水中分别添加1 mg·L−1和10 mg·L−1 nAg及0.3 mg·L−1和3 mg·L−1Ag+，SBRs连续运行至第50 天时采用XRD和XPS分析污泥中Ag的形态。XRD表征结果表明，1-nAg组及0.3-Ag+组活性污泥中均未检测到Ag及含Ag化合物，其可能原因是污泥中Ag含量低于所用XRD的检出限(5%)。因此，为了避免仪器的检出下限限制，采用与本文前述相同的反应器运行条件，增设2组反应器，将进水中的nAg和Ag+质量浓度分别增加至20 mg·L−1 nAg和6 mg·L−1 Ag+，在保证采用XRD可以检出污泥中Ag的前提下，进行Ag的形态分析。李金璞等[49-50]的研究表明，进水中分别添加20 mg·L−1 nAg和6 mg·L−1 Ag+对活性污泥理化性状的影响趋势、Ag在SBRs污泥和出水中的分布特征等与进水中分别添加10 mg·L−1 nAg和3 mg·L−1 Ag+的结果较一致，并未影响2.1与2.2中的结论。
1) XRD分析结果。图5为进水中分别添加10 mg·L−1 、20 mg·L−1 nAg和3 mg·L−1 、6 mg·L−1 Ag+以及CK组活性污泥的XRD图谱。进水中添加6 mg·L−1 Ag+处理的活性污泥中存在Ag2O3(PDF40-0909)；进水中添加10 mg·L−1 nAg处理的活性污泥中存在Ag0(PDF04-0783)和Ag2O3；进水中添加20 mg·L−1 nAg处理的活性污泥中存在Ag0，Ag2O3和Ag2S(PDF14-0072)。GORHAM等[51]发现在光照下，nAg悬浮液中有氧化银类物质和Ag+存在，而nAg释放的Ag+可被污水中Cl−、S2−等络合沉淀，形成溶度积较小的AgCl和Ag2S沉淀(Ksp[AgCl]=1.8×10−10；Ksp[Ag2S]=6.3×10−50)；在活性污泥系统的缺氧池内，nAg也可在2 h内被转化为Ag2S[52]。
本研究SBRs中泥水混合液DO为0.2~8.0 mg·L−1，存在厌氧/缺氧/好氧生境，nAg进入活性污泥系统后可能被氧化为Ag2O3，可能发生硫化形成Ag2S，也有可能未发生形态转化以Ag0的形式存在于污泥中。PVP包被的nAg等电点为3，在pH=6~9的污水中会发生表面羟基化(式(1))，与活性污泥中的R-NH2官能团结合，从而被吸附去除，同时nAg自身形态也会发生变化[53]。CHEN等[54]也发现，进水中添加0.1 mg·L−1 nAg反应4 h后，活性污泥中nAg被转化为Ag2S、Ag0和Ag+等多种形态。
2) XPS分析结果。由图6(a)可知，进水中分别添加10 mg·L−1、20 mg·L−1 nAg和3 mg·L−1、6 mg·L−1 Ag+的活性污泥中富含O、Na、P、Mg、Ca、N等元素，C、O元素原子百分比均高于40%(表3)，各活性污泥样品中均检测出Ag，Ag元素原子百分比分别为1.3%、1.9%和0.3%、0.5%，随进水中Ag浓度的上升而上升。图6(b)为进水中添加不同浓度nAg和Ag+处理下活性污泥中Ag元素的XPS能谱图。图6(b)中左峰和右峰数值分别对应Ag原子在3d5/2和3d3/2轨道上的结合能，2峰之间的结合能之差为6.00 eV，各组活性污泥Ag元素在3d5/2轨道上的结合能为367.1~367.4 eV，而XPS能谱分析手册中AgO在3d5/2轨道上的结合能为367.4 eV[55]，与本研究Ag元素3d5/2轨道上的结合能最为接近，因此，该结合能下Ag的存在形式可能为氧化物。当污水处理系统中DO充足时，nAg的团聚速率比缺氧状态时快3~8倍[56]，活性污泥对nAg的吸附率也更高[54]，因此，污水中的nAg可能吸附在污泥中并部分以银的氧化物形式存在。
由以上结果可知，进水中含有nAg和Ag+对污水处理系统中污泥形态、形貌、粒径及Zeta电位均存在影响，且进水中Ag含量越高，其影响越显著，其中nAg对污泥性状的影响大于其溶解释放的Ag+。CHOI等发现在相同条件下，nAg对硝化细菌的抑制率是Ag+的2倍[57]；相同浓度的nAg和Ag+对小球藻的毒性作用也并不相同[58]。因此，nAg对污泥生物活性的抑制作用不仅仅来自于溶解的Ag+，与nAg本身的空间结构也有关联，纳米尺度的nAg微粒由于比表面积大，能够吸附在细胞表面，破坏细胞膜导致微生物细胞膜损伤[4]，并影响细胞内遗传物质的复制促使细胞凋亡[59]。
进入活性污泥污水处理系统中的nAg，约有2.5%~5.0%的Ag随出水排出，其余部分被活性污泥吸附[60-61]，10~30 ℃条件下活性污泥对nAg的最大吸附量为12~30 mg·g−1[54]。在pH、DO及其污水中共存离子等环境因素影响下，污泥中nAg可能被转化为银的氧化物和Ag2S，未转化部分以Ag0的形式存在。有研究表明，银的氧化物和Ag0依然有较强的生物毒性。SHEN等发现金黄色葡萄球菌和大肠杆菌暴露于质量分数为8.5% AgO的复合抗菌材料上20 min后，致死率均达99.99%[62]。暴露1 mg·L−1 Ag0会导致芦苇人工湿地中植物根系活性显著降低[63]。而Ag2S溶解性低，具有很强的环境稳定性，能够有效降低nAg和Ag+ 的毒性。但LI等[64]发现含Ag2S的污水经次氯酸消毒45 min后会溶解出22.3%的Ag+，对后续污水生物处理系统或受纳污水的地表水生态系统产生影响。因此，对于进水中含Ag的活性污泥需要选择恰当的污泥处理方式，如生物法、热处理法和稳定化法等[65]，以防止污泥中含银化合物发生形态转化，转化为环境风险更高的银形态。
-
1)进水中分别添加1 mg·L−1、10 mg·L−1 nAg及0.3 mg·L−1 Ag+、3.0 mg·L−1 Ag+ 的SBRs连续运行50 d，与CK相比，进水中投加nAg 和Ag+对活性污泥颜色、形态及污泥EPS数量均有影响，nAg 或Ag+浓度越高，其影响越显著。
2)进水中投加的nAg或Ag+主要吸附、积累在活性污泥中。1-nAg、10-nAg和3.0-Ag+组反应器运行28 d后污泥对Ag的吸附达到稳定值，10-nAg组污泥中Ag积累量达到饱和后，出水中Ag含量逐渐升高，0.3-Ag+组活性污泥Ag含量随着运行时间持续升高，但未达到吸附饱和值。
3) SBRs连续运行50 d，随进水进入反应器的nAg及Ag+受活性污泥系统pH、DO及污水中共存离子等因素影响，部分nAg转化为银的氧化物和Ag2S等，其余以Ag0形态存在；Ag+被转化为银的氧化物和Ag2S等。
纳米银在活性污泥污水处理系统中的分布及形态转化
The distribution and morphology transformation of nanosilver in activated sludge treatment system
-
摘要: 纳米银(nanosilver，nAg)因其优越的抑菌性能成为全球应用最多的纳米材料之一。随着纳米技术的广泛应用，纳米银不可避免进入污水收集和处理系统。在污水生物处理过程中，纳米银可能发生化学形态转变，从而对污水处理微生物产生不同的抑制效应。本研究采用序批式反应器(sequencing batch reactors，SBRs)模拟活性污泥污水处理系统，连续运行50 d，在进水中分别添加1 mg·L−1、10 mg·L−1 nAg和0.3 mg·L−1、3 mg·L−1 Ag+，探究了Ag在活性污泥、出水中的分布以及污泥中Ag的化学形态变化。结果表明，进水中添加的Ag(nAg或Ag+)导致活性污泥颜色、絮体结构和Zeta电位等均发生了变化，进水中Ag含量越高，这些变化越明显；进水中分别添加1 mg·L−1、10 mg·L−1 nAg和3 mg·L−1 Ag+时，运行至第20 天后，活性污泥中Ag质量浓度稳定在3.28~3.67 mg·L−1，而进水中添加0.3 mg·L−1 Ag+时，活性污泥中Ag质量浓度持续升高，运行至第50天，达(2.38±0.19) mg·L−1；进水中分别添加1 mg·L−1 nAg和0.3 mg·L−1、3 mg·L−1 Ag+的反应器在50 d运行期内，出水中Ag质量浓度分别低于60.0、5.0、9.0 μg·L−1，而添加10 mg·L−1 nAg的反应器运行20 d后，出水中Ag含量快速升高，在第50 天时达(3.96±0.16) mg·L−1，这表明进水中添加的Ag主要累积在活性污泥中，活性污泥对进水中的Ag存在吸附饱和现象，超出污泥吸附阈值后，反应器出水中总Ag含量持续升高；对运行至第50 天的各反应器中活性污泥进行了X-射线衍射分析及X射线光电子能谱分析，发现进入活性污泥系统的nAg可以银的氧化物、Ag2S和Ag0等形态存在于污泥中。评价nAg对污水处理微生物的毒性影响应结合nAg的化学形态转化，含有较高浓度Ag的活性污泥在处理处置过程也应评估不同形态Ag的环境影响。Abstract: Nanosilver (nAg) has been used broadly in nanotechnology enhanced consumer products because of its excellent antimicrobial properties. With wide application of nanotechnology, nAg will be inevitably released into sewage collection systems and wastewater treatment plants (WWTPs). During sewage biological treatment, the chemical form transformation of nAg will occur, which will cause different inhibitory effect on the microbial communities in WWTPs. To explore the distribution of Ag in activated sludge and effluent, and chemical form variation of Ag in sludge, the sequencing batch reactors (SBRs) were selected to simulate activated sludge treatment system for 50d running, the test experiments were conducted with addition of 1 mg·L−1 nAg (1-nAg) in influent, 10 mg·L−1 nAg (10-nAg) in influent, 0.3 mg·L−1 Ag+ (0.3-Ag+) in influent or 3 mg·L−1 Ag+ (3-Ag+) in influent, as well as the control (CK) group, respectively. The results showed that the changes in color, floc structure and Zeta potential of activated sludge occurred with the addition of nAg or Ag+ in the influent. The changes became more significant with the increase of nAg or Ag+ concentrations in the influent. The Ag concentrations in activated sludge of 1-nAg, 10- nAg and 3.0-Ag+ groups were ranged from 3.28 to 3.67 mg·L−1 after 20d SBR running. For 0.3-Ag+ group, the Ag concentration in activated sludge continued to increase and reached (2.38±0.19) mg·L−1 at the end of operation. The Ag concentrations in SBR effluent were lower than 5.0 μg·L−1, 9.0 μg·L−1 and 60.0 μg·L−1 with addition of 0.3 mg·L−1, 3 mg·L−1 Ag+ and 1 mg·L−1 nAg during 50 d operation, respectively. However, the Ag concentrations in SBR effluent with 10 mg·L−1 nAg addition increased rapidly after 20d running, and reached (3.96±0.16) mg·L−1 at the operation end. This indicates that Ag mainly accumulated in the activated sludge and the adsorption threshold for Ag occurred on it, when this threshold was exceeded, the total Ag concentration in the effluent continued to increase. X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis on SBR activated sludge after 50d running indicated that nAg in activated sludge formed silver oxide, Ag2S or silver complexes. The toxic effects of nAg on microorganisms in WWTP should be evaluated in combination with the chemical transformation of nAg. The environmental impact of Ag should also be assessed in activated sludge treatment and disposal with high concentration Ag.
-
Key words:
- nanosilver /
- silver ion /
- activated sludge /
- sequencing batch reactors /
- morphology transformation
-
-
图 2 进水中添加不同浓度nAg和Ag+的SBRs活性污泥的外在形态
Figure 2. Morphology of activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
图 3 nAg 和 Ag+处理下SBRs运行至第50 天时活性污泥的SEM图像
Figure 3. SEM images of activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
图 4 50 d运行期Ag在SBRs出水、活性污泥和EPS中的含量
Figure 4. Silver concentration in effluent, activated sludge and EPS during 50-day operation of SBRs
图 5 nAg 和 Ag+处理下SBRs中活性污泥运行至50 d的XRD图谱
Figure 5. XRD spectra of activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
图 6 nAg 和 Ag+处理下第50 天时活性污泥X-射线光电子能谱全谱图与Ag元素窄谱图
Figure 6. Full-range XPS spectra and fitted XPS spectra of Ag3p for activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
表 1 nAg 和 Ag+处理下SBRs运行至50 d时活性污泥的能谱元素含量
% Table 1. EDS spectra analysis of activated sludgea with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
% 处理组 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Fe Ag CK 1.18 0.45 2.92 1.95 2.80 0.29 0.27 0.39 3.20 0.74 -- 1-nAg 0.87 0.36 1.89 1.21 2.14 0.23 0.18 0.26 2.15 0.45 0.22 10-nAg 0.96 0.48 2.79 1.70 3.62 0.93 0.24 0.45 4.01 0.76 4.38 0.3-Ag+ 1.56 0.48 2.78 1.51 3.08 0.36 0.38 0.47 3.60 0.72 -- 3.0-Ag+ 1.18 0.41 2.36 1.62 2.57 0.39 0.26 0.32 3.16 0.58 0.51 
下载: 导出CSV
表 2 nAg 和 Ag+处理下SBRs运行至第50 天时活性污泥的粒径及Zeta电位
Table 2. The floc size and Zeta potential of activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
处理 污泥粒径(10%)＞μm 污泥粒径(90%)＞μm Zeta电位/mV CK 80.02±4.84a 12.34±0.69a −13.57±0.83a 1-nAg 105.01±21.28a 15.26±3.15a −11.90±1.15a 10-nAg 92.80±4.47a 13.98±1.19a −11.32±1.93ab 0.3-Ag+ 90.41±8.10a 13.31±0.90a −10.97±0.65ab 3.0-Ag+ 99.70±30.01a 12.06±0.84a −8.35±1.32b 注: 10%和90%表示SBRs中体积分数为10%和90%以上的活性污泥粒径；每列中不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。
下载: 导出CSV
表 3 nAg 和 Ag+处理下活性污泥中6种元素原子百分比含量
Table 3. Distribution proportion of six elementsin activated sludge in SBRs with addition of different nAg and Ag+ concentrations in influent after 50 days running
处理组 原子百分比/% C1s N1s O1s P2p S2p Ag3d CK 40.98 3.81 48.84 5.82 0.56 10 mg·L−1 nAg 47.42 4.83 41.45 4.25 0.77 1.28 20 mg·L−1 nAg 45.65 5.62 41.74 4.32 0.82 1.85 3 mg·L−1 Ag+ 43.35 4.00 46.37 5.67 0.33 0.3 6 mg·L−1 Ag+ 42.01 3.71 47.28 5.86 0.65 0.49
下载: 导出CSV
-
[1] The Danish Ecological Council and Danish Consumer. The Nanodatabase[EB/OL]. [2022-2-1].https://www.nanodb.dk/, 2013. [2] GOTTSCHALK F, T SONDERER, R W SCHOLZ, et al. Modeled environmental concentrations of engineered nanomaterials (TiO2, ZnO, Ag, CNT, Fullerenes) for different regions[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(24): 9216-22. [3] YAZDANBAKHSH A R, RAFIEE M, DARAEI H, et al. Responses of flocculated activated sludge to bimetallic Ag-Fe nanoparticles toxicity: Performance, activity enzymatic, and bacterial community shift[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 366: 114-123. doi: 10.1016/j.jhazmat.2018.11.098 [4] RASOOL K and LEE D S. Inhibitory effects of silver nanoparticles on removal of organic pollutants and sulfate in an anaerobic biological wastewater treatment process[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2016, 16(5): 4456-4463. doi: 10.1166/jnn.2016.10984 [5] FORSTNER C, ORTON T G, WANG P, et al. Wastewater treatment processing of silver nanoparticles strongly influences their effects on soil microbial diversity[J]. Environmental Science and Technology, 2020, 54(21): 13538-13547. doi: 10.1021/acs.est.0c01312 [6] FERNANDO I, LU D, and ZHOU Y. Interactive influence of extracellular polymeric substances (EPS) and electrolytes on the colloidal stability of silver nanoparticles[J]. Environmental Science-Nano, 2020, 7(1): 186-197. doi: 10.1039/C9EN00861F [7] VILELA P, LIU H B, LEE S, et al. A systematic approach of removal mechanisms, control and optimization of silver nanoparticle in wastewater treatment plants[J]. Science of the Total Environment, 2018, 633: 989-998. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.247 [8] LEVARD C, MITRA S, YANG T, et al. Effect of chloride on the dissolution rate of silver nanoparticles and toxicity to E. coli[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(11): 5738-5745. [9] BRUNETTI G, DONNER E, LAERA G, et al. Fate of zinc and silver engineered nanoparticles in sewerage networks[J]. Water Research, 2015, 77: 72-84. doi: 10.1016/j.watres.2015.03.003 [10] ZHANG C, HU Z, DENG B. Silver nanoparticles in aquatic environments: physiochemical behavior and antimicrobial mechanisms[J]. Water Research, 2016, 88: 403-427. doi: 10.1016/j.watres.2015.10.025 [11] CHEN W P, SONG J H, JIANG S J, et al. Influence of extracellular polymeric substances from activated sludge on the aggregation kinetics of silver and silver sulfide nanoparticles[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2021, 16(2). [12] REINSCH B C, LEVARD C, LI Z, et al. Sulfidation of silver nanoparticles decreases escherichia coli growth inhibition[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(13): 6992-7000. [13] LEVARD C, REINSCH B C, MICHEL F M, et al. Sulfidation processes of pvp-coated silver nanoparticles in aqueous solution: Impact on dissolution rate[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(12): 5260-5266. [14] XIU Z, MA J, Alvarez P J J, Differential effect of common ligands and molecular oxygen on antimicrobial activity of silver nanoparticles versus silver ions[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(20): 9003-9008. [15] KIM B, PARK C S, MURAYAMA M, et al. Discovery and characterization of silver sulfide nanoparticles in final sewage sludge products[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(19): 7509-7514. [16] CHOI O, DENG K K, KIM N J, et al. The inhibitory effects of silver nanoparticles, silver ions, and silver chloride colloids on microbial growth[J]. Water Research, 2008, 42(12): 3066-3074. doi: 10.1016/j.watres.2008.02.021 [17] TKACHENKO O, KARAS J A, Standardizing an in vitro procedure for the evaluation of the antimicrobial activity of wound dressings and the assessment of three wound dressings[J]. Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2012, 67(7): 1697-1700. [18] MCGILLICUDDY E. , MURRAY I., KAVANAGH S., et al. Silver nanoparticles in the environment: Sources, detection and ecotoxicology[J]. Science of the Total Environment, 2017, 575: 231-246. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.10.041 [19] HAO Z N, F S LI, R LIU, et al. Reduction of ionic silver by sulfur dioxide as a source of silver nanoparticles in the environment[J]. Environmental Science & Technology, 2021, 55(8): 5569-5578. [20] ALIZADEH, S, RAHIM, AA, GUO, B, et al. Impacts of continuous inflow of low concentrations of silver nanoparticles on biological performance and microbial communities of aerobic heterotrophic wastewater biofilm[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(15): 9148-9159. [21] CHEN Y G, H CHEN, X ZHENG, et al. The impacts of silver nanoparticles and silver ions on wastewater biological phosphorous removal and the mechanisms[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 239: 88-94. [22] WANG F, Z CHEN, Y WANG, et al. Silver nanoparticles induce apoptosis in HepG2 cells through particle-specific effects on mitochondria[J]. Environmental science & technology, 2022, 56(9): 5706-5713. [23] MO F, H B LI, Y H LI, et al. Exploration of defense and tolerance mechanisms in dominant species of mining area - Trifolium pratense L. upon exposure to silver[J]. Science of the Total Environment, 2022: 811. [24] GAO Y F, W R WU, K X QIAO, et al. Bioavailability and toxicity of silver nanoparticles: Determination based on toxicokinetic-toxicodynamic processes[J]. Water Research, 2021: 204. [25] ALITO C L and GUNSCH C K. Assessing the effects of silver nanoparticles on biological nutrient removal in bench-scale activated sludge sequencing batch reactors[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(2): 970-976. [26] RAINIER H, LATIFI M A, ROCHEL N. Optimal design and operation of activated sludge processes: State-of-the-art[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 281: 900-920. doi: 10.1016/j.cej.2015.06.125 [27] TANG S H and ZHENG J. Antibacterial activity of silver nanoparticles: Structural effects[J]. Advanced Healthcare Materials, 2018, 7(13). [28] XU Q Y, LI S S, WAN Y P, et al. Impacts of silver nanoparticles on performance and microbial community and enzymatic activity of a sequencing batch reactor[J]. Journal of Environmental Management, 2017, 204: 667-673. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.09.050 [29] ZHOU H X and XU G R. Effect of silver nanoparticles on an integrated fixed-film activated sludge-sequencing batch reactor: Performance and community structure[J]. Journal of Environmental Sciences, 2019, 80: 229-239. doi: 10.1016/j.jes.2018.12.016 [30] 段颖, 孙秀玥, 盛涛, 等 纳米银和银离子对活性污泥系统污染物去除效率的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(7): 2450-2459. [31] JEMEC A, KAHRU A, POTTHOFF A, et al. An interlaboratory comparison of nanosilver characterisation and hazard identification: Harmonising techniques for high quality data[J]. Environment International, 2016, 87: 20-32. doi: 10.1016/j.envint.2015.10.014 [32] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法(第四版)[M]. 北京: 中国环境科学出版社. 2002. [33] YUAN D Q, WANG Y L, and QIAN X. Variations of internal structure and moisture distribution in activated sludge with stratified extracellular polymeric substances extraction[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2017, 116: 1-9. [34] MCGRATH S P and CUNLIFFE C H. A simplified method for the extraction of the metals Fe, Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Cr, Co and Mn from soils and sewage sludges[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1985, 36(9): 794-798. doi: 10.1002/jsfa.2740360906 [35] 李墨青. 纳米银对SBR系统水处理效能及微生物菌群的影响研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014. [36] NING Y F, CHEN Y P, SHEN Y, et al. A new approach for estimating aerobic-anaerobic biofilm structure in wastewater treatment via dissolved oxygen microdistribution[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 255: 171-177. doi: 10.1016/j.cej.2014.06.042 [37] ZHANG P, FANG F, CHEN Y P, et al. Composition of EPS fractions from suspended sludge and biofilm and their roles in microbial cell aggregation[J]. Chemosphere, 2014, 117: 59-65. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.05.070 [38] SHENG Z Y, VAN NOSTRAND J D, ZHOU J Z, et al. Contradictory effects of silver nanoparticles on activated sludge wastewater treatment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 341: 448-456. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.07.051 [39] SUN J, GUO L, LI Q, et al. Structural and functional properties of organic matters in extracellular polymeric substances (EPS) and dissolved organic matters (DOM) after heat pretreatment with waste sludge[J]. Bioresource Technology, 2016, 219: 614-623. doi: 10.1016/j.biortech.2016.08.042 [40] HONG P-N, HONDA R, NOGUCHI M, et al. Optimum selection of extraction methods of extracellular polymeric substances in activated sludge for effective extraction of the target components[J]. Biochemical Engineering Journal, 2017, 127: 136-146. doi: 10.1016/j.bej.2017.08.002 [41] LI Z, LU P, ZHANG D, et al. Population balance modeling of activated sludge flocculation: Investigating the influence of Extracellular Polymeric Substances (EPS) content and zeta potential on flocculation dynamics[J]. Separation and Purification Technology, 2016, 162: 91-100. doi: 10.1016/j.seppur.2016.02.011 [42] DONG B, LIU G, ZHOU J, et al. Transformation of silver ions to silver nanoparticles mediated by humic acid under dark conditions at ambient temperature[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 383: 121190. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121190 [43] LIU J and HURT R H. Ion release kinetics and particle persistence in aqueous nano-silver colloids[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(6): 2169-2175. [44] CHOI O K and HU Z Q. Nitrification inhibition by silver nanoparticles[J]. Water Science and Technology, 2009, 59(9): 1699-1702. doi: 10.2166/wst.2009.205 [45] HOU L, LI K, DING Y, et al. Removal of silver nanoparticles in simulated wastewater treatment processes and its impact on COD and NH(4) reduction[J]. Chemosphere, 2012, 87(3): 248-52. doi: 10.1016/j.chemosphere.2011.12.042 [46] YUAN Z H, YANG X Y, HU A Y, et al. Assessment of the fate of silver nanoparticles in the A(2)O-MBR system[J]. Science of the Total Environment, 2016, 544: 901-907. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.11.158 [47] SUN X, SHENG Z, and LIU Y. Effects of silver nanoparticles on microbial community structure in activated sludge[J]. Science of the Total Environment, 2013, 443: 828-35. doi: 10.1016/j.scitotenv.2012.11.019 [48] BURKHARDT M, ZULEEG S, KAEGI R, et al. Fate of nanosilver in wastewater treatment plants and their impact on nitrification activity in sewage sludge[J]. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung, 2010, 22(5): 529-540. doi: 10.1007/s12302-010-0153-2 [49] 李金璞, 唐珠, 杨新萍. 纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2942-2951. doi: 10.12030/j.cjee.202104088 [50] 李金璞. 群体感应AHLs信号分子对活性污泥污水处理系统抵抗纳米银胁迫的作用[D]. 南京: 南京农业大学, 2020. [51] GORHAM J M, ROHLFING A B, LIPPA K A, et al. Storage wars: how citrate-capped silver nanoparticle suspensions are affected by not-so-trivial decisions[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2014, 16(4): 2339. doi: 10.1007/s11051-014-2339-9 [52] KAEGI R, VOEGELIN A, SINNET B, et al. Behavior of metallic silver nanoparticles in a pilot wastewater treatment plant[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(9): 3902-8. [53] LIU J F, CHAO J B, LIU R, et al. Cloud point extraction as an advantageous preconcentration approach for analysis of trace silver nanoparticles in environmental waters[J]. Analytical Chemistry, 2009, 81(15): 6496-6502. doi: 10.1021/ac900918e [54] CHEN L R, FENG W R, FAN J, et al. Removal of silver nanoparticles in aqueous solution by activated sludge: Mechanism and characteristics[J]. Science of the Total Environment, 2020: 711. [55] NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy. National Institute of Standards and Technology(Version 4.1 )[EB/OL]. [2021-08-01]. http://srdata.nist.gov/xps/, 2012. [56] ZHANG W, YAO Y, LI K G, et al. Influence of dissolved oxygen on aggregation kinetics of citrate-coated silver nanoparticles[J]. Environmental Pollution, 2011, 159(12): 3757-3762. doi: 10.1016/j.envpol.2011.07.013 [57] CHOI O and HU Z Q. Size dependent and reactive oxygen species related nanosilver toxicity to nitrifying bacteria[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(12): 4583-4588. [58] EGOROVA E M. Interaction of silver nanoparticles with biological objects: Antimicrobial properties and toxicity for the other living organisms[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2011: 291. [59] BASTOS V, FERREIRA-DE-OLIVEIRA J M P, CARROLA J, et al. Coating independent cytotoxicity of citrate- and PEG-coated silver nanoparticles on a human hepatoma cell line[J]. Journal of Environmental Sciences, 2017, 51: 191-201. doi: 10.1016/j.jes.2016.05.028 [60] JOHNSON A C, JURGENS M D, LAWLOR A J, et al. Particulate and colloidal silver in sewage effluent and sludge discharged from British wastewater treatment plants[J]. Chemosphere, 2014, 112: 49-55. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.03.039 [61] QIU G L, WIRIANTO K, SUN Y L, et al. Effect of silver nanoparticles on system performance and microbial community dynamics in a sequencing batch reactor[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 130: 137-142. doi: 10.1016/j.jclepro.2015.10.051 [62] SHEN W N, FENG L J, FENG H, et al. Ultrafine silver(II) oxide particles decorated porous ceramic composites for water treatment[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 175: 592-599. doi: 10.1016/j.cej.2011.09.121 [63] BAO S, LIANG L, HUANG J, et al. Removal and fate of silver nanoparticles in lab-scale vertical flow constructed wetland[J]. Chemosphere, 2019, 214: 203-209. doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.09.110 [64] LI L, XU Z, WIMMER A, et al. New insights into the stability of silver sulfide nanoparticles in surface water: dissolution through hypochlorite oxidation[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(14): 7920-7927. [65] 陈冠益, 韩克旋, 刘彩霞, 等. 污泥中重金属处理方法[J]. 化学进展, 2021, 33(6): 998-1009. -
点击查看大图
图( 6) 表( 3)
计量
- 文章访问数: 3732
- HTML全文浏览数: 3732
- PDF下载数: 78
- 施引文献: 0
