环境工程学报
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污水厂中纳米颗粒物的去除与控制

  摘 要 随着纳米科学的迅速发展,人工合成的纳米材料已经广泛应用于各种领域,包括涂料、染料、防晒、半导体和剂光催化剂等。普通的人工合成纳米微粒包括炭、 银和金等单质纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒,它们的形态互不相同。自然水体中的纳米粒子,很可能进入水生生物体内,并通过生物富集影响人类的健康。因此,如何去除纳米颗粒物,在目前亟待解决的重要问题。


  关键词 污水厂;纳米颗粒物;去除与控制中图分类号X5 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2013)90-0156-02目前,世界上已经有接近500个公司生产与纳米粒子相关的消费品,新增品种数量可达1000种每年,纳米技术的应用遍布全球20多个发达国家。截至目前,关于纳米粒子的毒性与危害的研究与报道已有很多,涉及到的纳米粒子包括纳米氧化锌、纳米二氧化钛粒子、碳纳米管、二纳米氧化硅粒子以及纳米银粒子等等。纳米粒子经胃肠道、皮肤、呼吸道、静脉注射等方式进入生物体后,可被血液循环携带至身体各个器官,并在不同器官中沉积。随着纳米技术研究的逐步深入,人们逐渐开始认识到纳米粒子对人类的健康存在难以预见的危害。因此,分析污水厂中纳米粒子的存在特性以及控制方法具有显著的工程意义。


  1 水环境中纳米粒子的来源和迁移规律自然水环境中纳米粒子的来源极为多样与广泛,总体上可分为两类,分别为自然形成和人工合成。自然形成的颗粒亦非常多样,最典型的莫过于C60(富勒烯)和碳纳米管。在燃烧过程中如果存在硫的情况,就可能产生这些纳米粒子。在高温条件(300℃~500℃)下分解藻类物质也可以得到纳米粒子。此外,无机纳米粒子广泛存在于地质系统和土壤中,例如海盐和烟尘。纳米颗粒的最终归宿有以下几类:纳米颗粒在水中被溶解,转变成离子;自身发生团聚,形成粒径更大的团聚体,失去纳米粒子的特性,最终在其自身重力的作用下发生沉降;附着在其他固体颗粒表面,然后聚沉;经过水生微生物的吸附或吸收进入生物体。


  2水环境纳米颗粒稳定性的影响因素自然水环境中纳米颗粒的转化和迁移与很多因素有联系,可分为自身因素和外界因素两类。自身因素包括纳米颗粒的比表面积、尺寸和表面特性等。总的来说,纳米颗粒表面会携带羟基官能团,可能与水分发生水合作用。在不同的酸碱性条件下,颗粒表面的羟基官能团会分别通过去质子化和质子化作用而相应带上负电荷和正电荷。


  天然有机物对纳米颗粒在自然水环境中迁移规律的影响非常大,纳米颗粒巨大的比表面积导致其必然的热力学不稳定性,纳米粒子之间的团聚现象难以避免。为了制备分散性更高、尺寸更小的纳米微粒,人们通常利用表面活性剂来阻止纳米粒子的团聚。天然有机物通常能够充当表面活性剂的角色,通过与纳米粒子发生吸附或其他物理化学作用,使纳米粒子的表面特性发生变化,增强稳定性。这一现象已被许多实验证实。


  3 污水处理厂对纳米颗粒物的去除与控制污水处理厂是城市水循环的必经途径,由于人类生活和工业生产带入水体的纳米颗粒势必经过城市污水处理厂。因此,污水厂中纳米粒子特性及其去除的研究具有重要意义。美国学者 Westerhoff等对亚利桑那州中部至南部 的十多家污水厂进水和出进行了系统的检测,着重分析了纳米二氧化钛的浓度,他研究发现污水厂进水中二氧化铁浓度在 181μg/L~1233μg/L之间波动。而以传统的活性污泥法二级处理工艺对纳米二氧化钛的去除率高达98.3%,使得污水厂出水中纳米二氧化铁浓度小于 25μg/L。


  生物降解是现代污水处理技术的核心,换句话说,利用微生物的新陈代谢作用达到去除污染物的目的。悬浮微生物可以通过吸附的实现多种类别的纳米粒子的去除。一些研究表明,活性污泥法对二氧化钛纳米颗粒的去除效能最高,微生物吸附和聚沉是核心的去除机理。对于生物膜相关工艺,纳米粒子则可能吸附在滤料的生物膜上,其中微生物释放的胞外聚合物会促进纳米粒子在生物膜上的吸附。Raesh等研究了活性污泥工艺对纳米铜颗粒和 铜离子的去除效能, 认为当COD在20mg/L~40mg/L、离子强度在12.7mmol/L左右、溶解性有机物在15mg/L~30 mg/L之间时,纳米铜颗粒的去除机理是以纳米铜颗粒凝聚为主,而生物吸附作用没有表现出明显的作用。Liang等人研究发现尽管 纳米银颗粒 不能影响活性污泥中微生物的生长,但它仍会抑制硝化作用,并将持续>1 个月的时间。 最大抑制率可达 45.6%,导致出水中的氨氮浓度明显增加。然而,活性污泥对不同的纳米颗粒的吸附能力明显 不一样,当总悬浮固体接近 387mg/L 时污泥对纳米银颗粒的吸附能力最大, 并伴随着团聚和聚沉现象, 去除效能接近96.7%。


  4结论自然水环境中纳米微粒的存在和危害及其去除研究已受到学术界的极大关注。如何消除或至少减轻纳米粒子对水环境质量以及污水处理系统的影响已经成为当前水处理技术领域的一个研究热点。核心的研究内容如下:


  1)纳米微粒在自然水环境的迁移转化规律研究及其稳定地影响因素分析;2)纳米颗粒的化学混凝去除研究、生物吸附和生物混凝去除研究;3)基于膜技术的纳米粒子去除及机理研究。


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