纳米银对模拟城市污水生物处理系统处理性能的影响开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

课题的意义：

随着纳米技术的不断发展，纳米银由于具有较好的灭菌、催化、传导、光学、电学等性能，使其在医学、航空航天、环境治理、服饰、包装等领域的应用越来越广泛。纳米银对空气中的有害菌及病毒也能做到有效消灭，并对空气中的甲醛等有害气体做到一定降解，这使得纳米银在日常生活中得到了广泛的应用，包括家用水过滤器、杀菌喷雾、化妆品、食品添加剂、玩具、抗菌玻璃等，几乎在人类生活中随处可见[1、2、3]。纳米银的商品化生产使用使得其向环境中释放的机会大大增加，伴随而来的是对其产生的环境效应的愈发关注与担忧。纳米银在环境中与不同介质间的吸附、迁移等行为会使得环境中纳米银含量逐步上升，这将会对环境微生物造成未知的影响，同时增大了与人类接触的可能性。目前的研究对纳米银的毒性、在环境中的归趋等行为仍不够明确，所以环境中纳米银含量的不断增加对环境与人类的影响还难以确定。部分研究表明，纳米银对微生物、动物、植物等都具有一定毒性。生物处理方法是城市污水处理厂的主要处理手段，由于纳米银的抗菌性将对生物处理系统中微生物群落产生一定抑制，从而影响其处理效果。本实验将研究纳米银对模拟城市污水生物处理系统处理性能的影响，以期望能对纳米银对污水生物处理领域添砖加瓦。

国内外研究进展：

2. 研究的基本内容和问题

研究目标：

研究不同浓度的纳米银对模拟城市污水生物处理系统处理效率的影响。

3. 研究的方法与方案

研究方法：

实验装置采用模拟SBRs装置，实验接种污泥取自南京某城市污水处理厂，所用污水采用人工配置，模拟中等强度城市生活污水水质。系统运行稳定后，在进水中加入不同浓度的nAg和 Ag ，同时设置进水中不添加nAg和Ag 的SBRs作为对照。进行混合液DO和pH测定、活性污泥混合液MLSS和SVI的测定、水样氮、磷及COD测定。测得结果后，进行数据分析。

技术路线：

图1 技术路线图

实验方案：

实验所用模拟 SBRs如图2所示。SBRs有效容积为1.6 L，采用空气压缩机曝气，空气流速为 2.0 L/min。在实验期间系统每日运行2个周期，每周期5 h，包括进水15 min，静置90 min，曝气90 min，静置90 min，排水15 min。接种污泥取自南京某城市污水处理厂，实验所用污水采用人工配置，模拟中等强度城市生活污水水质。实验用SBRs分为5组，每组SBRs设置3个重复，接种污泥与人工污水配比为1：2（V/V），运行14天后，各反应器污泥混合液悬浮固体浓度（mixed liquor suspended solids，MLSS）达到4430 ± 148 mg/L ，污泥容积指数（settling velocity index，SVI）达到83 ± 4 mL/g，SBRs运行稳定，在进水中加入不同浓度的nAg和 Ag ，这个时间点记为实验开始，即第1天。

根据城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）总银最高允许排放浓度（日均值）为0.1 mg/L，生物处理法一般去除率高达90%，因此当进水中含有1 mg/L Ag时，符合污水处理厂污染物排放标准。根据现有文献，城市污水中nAg浓度约为100~200 ng/L，考虑到nAg产品使用量日趋增加，进入到污水中的nAg数量也会随之增加。为进行对照及做出毒性试验，本实验将进水中nAg浓度分别设置为1 mg/L和10 mg/L。同时，根据超滤法测得nAg在纯水中释放Ag 的数量为0.3 mg/L和3.0 mg/L。因此，进水中添加nAg浓度分别为1 mg/L nAg、10 mg/L nAg，进水中添加Ag 浓度分别为0.3 mg/L Ag ，3.0 mg/L Ag ，每个浓度设置3个重复，以进水中不添加nAg和Ag 的SBRs作为对照（以CK表示）。其中投加的Ag 以AgNO3配制。模拟SBRs持续运行50天，运行期间水温为20~30℃，运行周期内换水率为50%。

分析测定方法

（1）混合液DO和pH测定

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）采用便携式溶解氧仪（JPB-607A，上海雷磁）测定。

pH值采用pH测定仪（PB-10, 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）进行测定。

（2）活性污泥混合液MLSS和SVI的测定

混合液MLSS、SVI均采用水和废水标准监测方法测定。

（3）水样COD测定

化学需氧量（Chemical oxygen demand，COD）采用HACH COD 快速测定仪（HACH，DR1010，USA）测定。COD消解液采用HACH COD预制管试剂（Cat.2125925，20-1500 mg/L）。

（4）水样中氮和磷的测定

NH4 -N、NO2--N、NO3--N、PO43-采用离子色谱仪（ICS-600，赛默飞世尔（上海）仪器有限公司），方法参照国家环境保护标准《水质 可溶性阳离子（Li 、Na 、NH4 、K 、Ca2 、Mg2 ）的测定 离子色谱法》（HJ 812-2016）、《水质 无机阴离子（F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、PO43-、SO32-、SO42-）的测定 离子色谱法》（HJ 84-2016）测定。

数据统计分析

所有数据均采用3个平行样的平均值 ± 标准偏差来表示。数据统计使用Excel 2016软件，使用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA），使用Tukey检验进行平均值之间的显著性差异分析，处理间的显著性差异（p 0.05）用不同英文字母表示。采用Origin 9.2软件绘图。

图2 SBRs反应装置图

可行性分析：

由于城市污水处理的流程安排，纳米银首先接触到的是厌氧环境。厌氧环境下纳米银较难释放银离子，这在一定程度上抑制了纳米银的毒性。纳米银在厌氧环境下与活性污泥接触后会快速团聚被活性污泥吸附，但在一定时间内会保持分散产生毒性效应，进而对厌氧下的磷释放能力产生影响，从而导致污水除磷效果减弱。根据研究表明，纳米银对好氧生物处理段的影响是取决于纳米银的量。Yuan 等经过195天的长期纳米银暴露实验得到：当纳米银的含量小于5mg/L时，其对污水的有机物及氮化合物处理没有明显的影响，当纳米银含量大于1mg/L是，其对磷去除产生了明显的影响，但是由于实验采用的活性污泥的不同，也有研究认为 5mg/L 的纳米银对磷去除没有影响。有研究表明 10mg/L 的纳米银对污水生物处理产生了明显的消极影响。目前，纳米银对污水好氧生物处理的影响仍不够明确，还需要进一步研究以确定不同条件下纳米银对好氧生物处理的影响情况。纳米银对污水生物处理影响的主要原因是会对污水中的生物产生一定影响，尤其是对有关氮磷循环的微生物产生较为明显的抑制作用，导致生物活性降低，进而降低污水处理效率。其次，纳米银会破坏污泥絮体和生物膜的结构，引起活性污泥絮体的解体、污泥颗粒变小等，这也会导致污水处理效率的降低。但由于不同生物处理系统中活性污泥的组成不同，纳米银对污水生物处理的毒性和影响，还要结合污水性质和活性污泥的组成、纳米银的含量等具体研究。

4. 研究创新点

采用了nAg与Ag 进行实验，以此对比nAg与Ag 对模拟城市污水生物处理系统的影响。

5. 研究计划与进展

研究计划:

模拟sbrs系统运行14天后，各反应器污泥混合液悬浮固体浓度达到4430 ± 148 mg/l ，污泥容积指数达到83 ± 4 ml/g，sbrs运行稳定，在进水中加入不同浓度的nag和 ag ，这个时间点记为实验开始，即第1天。而后模拟sbrs持续运行50天，每日运行2个周期，每周期5 h。在运行同时，对出水等进行分析测定。运行结束后，对所有数据进行处理、分析。