纳米ZnO作为一种重要的工程纳米材料,广泛应用于医疗、光电学、橡胶、陶瓷、化妆品、纺织品、食品卫生、水体修复、农业畜牧业等行业。但纳米ZnO在这些行业中的生产、运输、使用及处理处置过程中,不可避免地进入城市污水管网系统,必然对生物处理系统产生潜在威胁。反硝化同时甲烷化(SDM)体系能充分利用废水有机碳源,实现生物脱氮的同时回收能源(CH4),优化废水处理工艺,降低处理成本,对废水处理的意义重大。本文主要以SDM体系为研究对象,研究不同浓度的纳米ZnO在该体系中短期和长期暴露的影响作用及其迁移转化过程,完善纳米ZnO的毒性数据。基于颗粒碰撞理论和ADMl模型,构建纳米ZnO离子释放模型、ADM1和SDM耦合的扩展模型,模拟纳米ZnO的溶解和吸附过程,以及对各功能微生物抑制过程。具体研究结果如下:纳米ZnO离子释放模型合理地模拟如下过程:①纳米ZnO的溶解释放可溶性Zn2+;②悬浮纳米ZnO和可溶性Zn2+被颗粒污泥所吸附;③纳米ZnO和Zn2+对颗粒污泥的抑制作用。相应的动力学参数成功估计。对于纳米ZnO的浓度50、100、200、400mg/L,得到相应的ka、a、η的估计值。ka的估计值分别为5.48×10-2、3.23×10-2、4.70×10-3、3.59×10-3mg/(g.h);常数 a 估计值分别为 0.5702、0.5356、0.1615、0.0475;的值分别为 0.1699、0.1294、0.0697、0.1252。ADM1扩展模型较好地模拟纳米ZnO对酸化菌和产甲烷菌的抑制过程,相应抑制参数为:KI,su、KI,bu、KI,pro、KI,ac和KI,h2,其估计值分别为0.00051、0.0062、0.0057、0.00935和0.000312 mgZn/L。从实验过程和数学模拟两方面,均表现出纳米ZnO对酸化菌的抑制作用强于甲烷菌。SDM扩展模型成功模拟了纳米ZnO对酸化菌、产甲烷菌和反硝化菌的抑制作用,较好地分析出纳米ZnO对SDM体系的抑制作用,主要表现为底物利用速率的抑制。KI,NO2=0.00007<KI,NO3=0.042;KI,ZnO,bu=0.094<KI,ZnO,pro=0.10<KI,ZnO,ac=4.45,这也证实了 N02-对产甲烷菌的抑制强于N03-,纳米ZnO对酸化菌的抑制作用强于产甲烷菌。纳米ZnO的长期暴露实验表明,UASB反应器运行性能与纳米ZnO的浓度和污泥尺寸有明显相关性。在1.0、5.0、10 mg/L纳米ZnO暴露下,UASB的产甲烷量、COD、挥发性脂肪酸(VFA)等均产生部分抑制作用。随着纳米ZnO暴露浓度增加至50mg/L,产甲烷量和VFA被严重抑制。但在纳米ZnO的整个暴露过程中,产氮气量没有明显影响,表现了纳米ZnO对反硝化菌的抑制较弱。相比小尺寸颗粒污泥(<2mm),大尺寸颗粒污泥(≥2mm)表现出更强的抵御毒性冲击的能力。但在50 mg/L纳米ZnO暴露下,颗粒的污泥结构均严重破坏,生化过程也被严重抑制,表现了颗粒污泥抵御纳米ZnO毒性冲击的能力是有限的。此外,傅里叶红外(FTIR)、三维荧光(EEM)、扫描电镜(SEM)等对胞外聚合物(EPS)进行光谱分析,松散型胞外聚合物(LB-EPS)和紧密型胞内聚合物(TB-EPS)的荧光峰及羟基、C-H基、N-H基等官能团的特征锋位置及强度发生明显变化,表现了纳米ZnO对颗粒污泥产生不同的抑制效应。