纳米银对EBPR系统除磷效能及微生物种群影响的试验研究

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随着纳米银的大规模应用,其引发的生态环境效应引起了人们的关注。污水处理厂进水的纳米银含量逐年增多,纳米银的抑菌性可能会对污水生物处理的功能微生物产生影响,进而影响污水处理厂的高效运行。为探究纳米银对强化生物除磷(EBPR)系统的除磷效能和微生物种群结构的影响,本研究以人工模拟废水为研究对象,构建EBPR系统,选取不同浓度的纳米银(0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4mg/L、6 mg/L、8 mg/L和10 mg/L)进行短期暴露(6 h)影响EBPR系统的批次试验,然后根据试验结果,选取4个浓度的纳米银(0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L和8 mg/L),并将0.8 mg/L的银离子作为毒性对比,考察纳米银的长期暴露(104 d)对EBPR系统的影响,最后基于16S r RNA高通量测序技术,深入分析长期运行的EBPR系统的微生物种群结构,并通过SEM和TEM对活性污泥进行表征,主要结果如下:基于纳米银短期暴露影响EBPR系统除磷效能的批次试验,本研究发现:纳米银对EBPR系统的厌氧释磷速率、厌氧COD去除速率和好氧吸磷速率有显著抑制作用,对好氧COD去除速率的影响较小;纳米银浓度高于8 mg/L时对好氧吸磷的抑制程度高于对厌氧释磷的抑制程度,而纳米银对厌氧COD去除的抑制程度始终高于好氧COD去除率为-10%,纳米银浓度越高对除磷效能的抑制作用越强;在非基质抑制动力学模型中,Vadivelu模型能够较好地反映纳米银对厌氧释磷和好氧吸磷的抑制规律,为纳米银短期暴露抑制动力学最优模型。基于纳米银长期暴露影响EBPR系统除磷效能的试验,本研究发现:在长期运行过程中,未投加纳米银和投加银离子的EBPR系统的除磷率较高,活性污泥的生物活性、生物量和脱水性能均较为稳定;投加纳米银的EBPR系统无法保持较高的除磷率,活性污泥的生物活性、生物量和脱水性能均不断恶化,且纳米银浓度越高,恶化的程度越高。基于16S rRNA高通量测序技术分析微生物的种群结构,本研究发现:投加的纳米银浓度越高,EBPR系统的物种丰富度、多样性和均匀度越低;不同浓度的纳米银可培养驯化出各自独特的微生物菌群,纳米银浓度越高,样品的微生物种群结构越相似;最优势菌门变形菌门的相对丰度随纳米银浓度的增加而增加,EBPR系统的主要功能菌属Ca.Accumulibacter和其竞争者Ca.Competibacter的相对丰度都随纳米银浓度的增加而降低;拟杆菌纲、β-变形菌目、硫发菌科、γ-变形菌纲分别是纳米银浓度为0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L下的显著标志物种;未投加纳米银和投加银离子的系统内微生物细胞表面完整且光滑,而投加高浓度纳米银的EBPR系统内微生物细胞表面存在较多凹陷和褶皱。本研究较为全面地探究了纳米银对EBPR系统的影响,明确了纳米银对EBPR系统影响的过程,为全面评估纳米银对污水生物处理系统的影响研究提供了参考和借鉴。
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