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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

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目录

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

NITRIFICATION INHIBITION ON NITRIFIERS AND ACTIVATE SEQUENCING BATCH REACTOR BY SILVER NANOPARTICLES

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摘 要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

CONTENTS

NOMENCLATURE

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Background

1.1.1 Definition of Nanotechnology

1.1.2 Environmental Risk by Nanoparticle

1.2 Properties of Silver Nanoparticles

1.2.1 Ultility of Silver Nanoparticles

1.2.2 Environmental Risk of Silver Nanop

1.3 Literature Review

1.3.1 Researches on Nitrogen Removal

1.3.2 Researches on Sequencing Batch Rea

1.3.3 Effect by Metal Nanoparticles to N

1.3.4 Nitrification Inhibition by Silver

1.4 Objective and Scope of Research

1.4.1 Objective of Research

1.4.2 Scope of Research

CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODS

2.1 Characteristics of Wastewater Used i

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 V

2.3.5 Total Nitrogen (TN)

2.3.6 Ammonia-Nitrogen (NH-N)

2.3.7 Nitrite-Nitrogen (NO-N)

2.3.8 Nitrate-Nitrogen (NO-N)

2.4 Synthesis of Silver Nanoparticles

2.4.1 Photochemical Process

2.4.2 Citrate Reduction - Heating Proces

2.4.3 Borohydride Reduction - Heating Pr

2.4.4 Silver Nanoparticles with Differen

2.4.5 Characterization of Silver Nanopar

2.5 Scanning Electron Microscope (SEM) E

2.5.1 Scanning Electron Microscope (SEM)

2.5.2 SEM Sample Preparation

2.5.3 SEM Imaging Experiment

CHAPTER 3 INHIBITION EXPERIMENTS

3.1 Nitrifier and Activated Sludge for I

3.1.1 Enrichment of Nitrifier

3.1.2 Cultivation of Activated Sludge

3.2 Silver Nanoparticles for Inhibition

3.2.1 Characterization of Silver Nanopar

3.2.2 Silver Nanoparticles with Differen

3.3 Determination of Reaction Time

3.4 Nitrification Inhibition with Silver

3.4.1 Preliminary Work

3.4.2 Inhibition Effect by Different Sil

3.5 Inhibition Experiments with Activate

3.5.1 Inhibition to Nitrifier Sludge

3.5.2 Inhibition to Activated Sludge for

3.6 Conclusion of this Chapter

CHAPTER 4 ALLEVIATION EXPERIMENTS

4.1 Alleviation Experiments with Inorgan

4.1.1 Preliminary Work

4.1.2 Results and Analysis

4.2 Alleviation Experiments with Organic

4.2.1 Preparation Work and Method

4.2.2 Results and Analysis

4.3 Conclusion of this Chapter

CHAPTER 5 PRELIMINARY MECHANISM OF NITRIFICATION INHIBITION

5.1 Preliminary Mechanism

5.2 Toxicities by Silver Nanoparticles

5.3 Conclusion of this Chapter

REFERENCES

APPENDIX I

APPENDIX II

APPENDIX III

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

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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。

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