纳米银对硝化细菌以及SBR反应器中的活性污泥的抑制作用的研究

论文摘要

随着纳米技术以及纳米材料的广泛应用,大量纳米粒子被释放进入环境。尽管部分纳米材料的毒性已被确定,并已引起人们的关注,然而,人们对于纳米材料的毒性机理以及毒性水平仍缺乏深入认识。本文集中研究了消费品中最为广泛应用的纳米材料之一——纳米银（AgNPs）对硝化细菌以及活性污泥的毒性,研究纳米银对于硝化反应的抑制。粒径分别为9,13,15以及23 nm的纳米银颗粒（AgNPs）被配制成浓度0.12到4.82 mg/L的悬浊液,分别应用于对氨氧化细菌（亚硝化细菌）以及亚硝酸盐氧化细菌（硝化细菌）的抑制实验。实验结果显示,氨氧化细菌相比亚硝酸盐氧化细菌更容易受到纳米银的毒害作用,当使用浓度为4.82 mg/L,含粒径为23 nm的纳米银的悬浊液时,投加已驯化的氨氧化细菌的生活污水中,氨氮去除率下降至原始水平的30%,而对于投加已驯化的亚硝酸盐氧化细菌的生活污水,亚硝酸盐氮的去除效率没有明显变化。在SBR反应器中进行的实验显示,在添加不同浓度的、含有不同粒径纳米银颗粒的悬浊液后,反应器中的硝化污泥以及普通活性污泥同样受到抑制,氨氮的去除率分别下降到原来的60%和70%。实验结果显示,在实际生活污水处理中,纳米银的释放会对硝化作用造成毒害和抑制。进一步的研究中,使用不同药剂对纳米银进行缓解实验。实验结果显示,纳米银造成的抑制作用可以通过添加无机离子得到一定程度的缓解,其中氯离子（Cl-）和硫离子（S2-）可以恢复氨氧化细菌30%的氨氮去除能力;而使用有机物的实验显示,有机配体对抑制作用没有明显缓解效果,甚至会造成更严重的抑制作用。使用扫描电镜（SEM）成像分析,可以观察到纳米粒子附着于胞外聚合物上。实验最终得到结论,细胞与纳米银粒子的反应首先发生在细胞膜上,银与组成细胞膜的物质反应,造成细胞膜被逐步破坏,进而导致大量粒子进入细胞,最后导致细胞死亡。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• NOMENCLATURE
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• 1. INTRODUCTION
• 1.1 Background
• 1.1.1 Definition of Nanotechnology
• 1.1.2 Environmental Risk by Nanoparticles
• 1.2 Properties of Silver Nanoparticles
• 1.2.1 Ultility of Silver Nanoparticles
• 1.2.2 Environmental Risk of Silver Nanoparticles
• 1.3 Literature Review
• 1.3.1 Researches on Nitrogen Removal
• 1.3.2 Researches on Sequencing Batch Reactor （SBR）
• 1.3.3 Effect by Metal Nanoparticles to Nitrifier
• 1.3.4 Nitrification Inhibition by Silver Nanoparticles
• 1.4 Objective and Scope of Research
• 1.4.1 Objective of Research
• 1.4.2 Scope of Research
• 2. MATERIALS AND METHODS
• 2.1 Characteristics of Wastewater Used in the Research
• 2.2 Reactor Setup
• 2.2.1 Bench Reactor
• 2.2.2 Nitrosomonas and Nitrobacter
• 2.2.3 Equipments Used in this Research
• 2.2.4 Starting Up of the Research
• 2.3 Analytical Methods
• 2.3.1 pH value
• 2.3.2 Dissolved Oxygen （DO）
• 2.3.3 Chemical Oxygen Demand （COD）
• 2.3.4 Mixed Liquor Suspended Solid and Volatile Suspended Solids
• 2.3.5 Total Nitrogen （TN）
• 4⁺-N）'>2.3.6 Ammonia-Nitrogen （NH₄⁺-N）
• 2^--N）'>2.3.7 Nitrite-Nitrogen （NO₂^--N）
• 3^--N）'>2.3.8 Nitrate-Nitrogen （NO₃^--N）
• 2.4 Synthesis of Silver Nanoparticles
• 2.4.1 Photochemical Process
• 2.4.2 Citrate Reduction - Heating Process
• 2.4.3 Borohydride Reduction - Heating Process
• 2.4.4 Silver Nanoparticles with Different Sizes and Concentrations
• 2.4.5 Characterization of Silver Nanoparticles
• 2.5 Scanning Electron Microscope （SEM） Experiment
• 2.5.1 Scanning Electron Microscope （SEM）
• 2.5.2 SEM Sample Preparation
• 2.5.3 SEM Imaging Experiment
• 3. INHIBITION EXPERIMENTS
• 3.1 Nitrifier and Activated Sludge for Inhibition Experiments
• 3.1.1 Enrichment of Nitrifier
• 3.1.2 Cultivation of Activated Sludge
• 3.2 Silver Nanoparticles for Inhibition Experiment
• 3.2.1 Characterization of Silver Nanoparticles
• 3.2.2 Silver Nanoparticles with Different Sizes and Concentrations
• 3.3 Determination of Reaction Time
• 3.4 Nitrification Inhibition with Silver Nanoparticles
• 3.4.1 Preliminary Work
• 3.4.2 Inhibition Effect by Different Silver Nanoparticles
• 3.5 Inhibition Experiments with Activated Sludge
• 3.5.1 Inhibition to Nitrifier Sludge
• 3.5.2 Inhibition to Activated Sludge for Municipal Wastewater
• 3.6 Conclusion of this Chapter
• 4. ALLEVIATION EXPERIMENTS
• 4.1 Alleviation Experiments with Inorganic Ions
• 4.1.1 Preliminary Work
• 4.1.2 Results and Analysis
• 4.2 Alleviation Experiments with Organic Ligands
• 4.2.1 Preparation Work and Method
• 4.2.2 Results and Analysis
• 4.3 Conclusion of this Chapter
• 5. PRELIMINARY MECHANISM OF NITRIFICATION INHIBITION
• 5.1 Preliminary Mechanism
• 5.2 Toxicities by Silver Nanoparticles
• 5.3 Conclusion of this Chapter
• CONCLUSION
• REFERENCES
• APPENDIX I
• APPENDIX II
• APPENDIX III