磁電誘導(dǎo)對(duì)厭氧氨氧化菌脫氮效率的影響初報(bào)

文/劉可慧 蔣永榮 文麒麟 黎海清 伍耀嬋 劉成良

前言

生物體一般因有生物電或含磁性物質(zhì)而具有磁性，（電）磁場(chǎng)對(duì)于磁性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生力的作用。因此，外加（電）磁場(chǎng)可以對(duì)生物的組織和生命活動(dòng)產(chǎn)生影響，其影響的大小和方向與磁場(chǎng)作用的強(qiáng)度、時(shí)間、方式及受體細(xì)胞的種類有關(guān)。在合適的條件下，（電）磁場(chǎng)能夠促進(jìn)細(xì)胞數(shù)量增加或促進(jìn)細(xì)胞活性物質(zhì)的增加[3]，從而提高有機(jī)體的代謝。（電）磁場(chǎng)對(duì)生物體的作用主要集中在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在污水生物治理領(lǐng)域的較少，在生物脫氮方面的更少。

荷蘭Delft大學(xué)對(duì)厭氧氨氧化（Anaerobic ammonia oxidation，Anammox）菌的發(fā)現(xiàn)和研究，以及在DOKHAVEN（2002年）的成功應(yīng)用，成為生物脫氮研究歷史上的新的里程碑。該工藝主要是在厭氧或缺氧的環(huán)境中，厭氧氨氧菌（Anammox）以NH＋4為電子供體，以NO2-或NO3-為電子受體，將NH4+、NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫诺娇諝?，該過(guò)程無(wú)需外加有機(jī)碳源，無(wú)需曝氣，是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的生物脫氮工藝。國(guó)外眾多專家學(xué)者認(rèn)為該工藝是最經(jīng)濟(jì)有效的脫氮手段之一，值得進(jìn)一步的深入研究。然而，厭氧氨氧化菌培養(yǎng)一段時(shí)間后，一般會(huì)出現(xiàn)顆粒死亡或膜死亡的現(xiàn)象；并且，Anammox菌生長(zhǎng)緩慢，倍增時(shí)間長(zhǎng)（11d） ，這都大大的影響了Anammox菌的實(shí)際應(yīng)用。為了解決厭氧氨氧化菌的退化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌持續(xù)增長(zhǎng)，保障厭氧氨氧化工藝實(shí)際應(yīng)用中菌種數(shù)量，本研究采用自制的磁電誘導(dǎo)裝置作用于Anammox菌，以未經(jīng)磁電誘導(dǎo)的Anammox菌為對(duì)照，探討磁電誘導(dǎo)是否能夠提高Anammox菌的脫氮效率，并以此表明該手段可以提高Anammox菌的活性，以期為進(jìn)一步研究磁電誘導(dǎo)技術(shù)在Anammox菌的活化提供理論依據(jù)，同時(shí)為磁電誘導(dǎo)技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用提供參考。

材料與方法

試驗(yàn)裝置及配水

本研究采用自行設(shè)計(jì)和制造的磁電誘導(dǎo)裝置，根據(jù)恒定電壓產(chǎn)生恒定電場(chǎng)，恒定電流產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的方法，使用恒壓源與恒流源控制電壓與電流，使相應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別穩(wěn)定在4.0Vm-1和56mT。

以模擬廢水為試驗(yàn)用水，模擬廢水組成如Table 1所示，其中NH4+-N、NO2--N和NO3--N的濃度相當(dāng)于139、114和0mgL-1。試驗(yàn)采用一次性進(jìn)水（6L），連續(xù)處理160h。試驗(yàn)共進(jìn)行7天，前2天每小時(shí)取一次樣，此后每天早晚8∶00取一次樣。每次取樣5ml用于相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

Table 1 Composition of synthetic wastewater

接種污泥

用于本實(shí)驗(yàn)接種的污泥（富含厭氧氨氧化菌）來(lái)自桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院水體富營(yíng)養(yǎng)治理研究室。污泥性狀如下：呈紅色顆粒和黃褐色顆粒相間，揮發(fā)性懸浮固體（VSS）為0.5g·L-1，濕泥比重1.30gcm3，污泥濃度11.2g·L-1。接種時(shí)，將2L污泥直接投入裝有模擬廢水的實(shí)驗(yàn)裝置中?？紤]到試驗(yàn)采用一次性進(jìn)水，在培養(yǎng)的過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)不斷消耗，細(xì)菌會(huì)因缺乏營(yíng)養(yǎng)而出現(xiàn)衰退，故接種后立即啟動(dòng)磁電誘導(dǎo)裝置。

測(cè)定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)以系統(tǒng)的脫氮效率間接反映厭氧氨氧化菌的活性，主要測(cè)定了出水中NH4+-N，NO2--N和 NO3--N。氨氮采用石碳酸鹽分析方法檢測(cè)，并以2-羥基聯(lián)苯作為取代品（APHA，AWWA，WPCF，1995）；亞氮采用N-（1-萘基）乙二胺光度法檢測(cè)；硝氮采用紫外分光光度法檢測(cè)，分析的紫外分光光度計(jì)型號(hào)為U-2010[18]。為方便起見(jiàn)，定義總氮（Total Nitrogen，TN）為NH4+-N、NO2--N與NO3--N之和。

結(jié)果

Anammox脫氮效率如Fig.1所示。模擬廢水NH4+-N初始濃度為139mg·L-1，在處理前的14h，對(duì)照的NH4+-N去除率略高于處理（0.00% - 13.19%）；15h后，對(duì)照的去除率逐漸升高，這種趨勢(shì)一直維持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)至第153h，經(jīng)磁電誘導(dǎo)處理的NH4+-N，其去除率為67.30%，對(duì)照的相應(yīng)值為53.512%。

模擬廢水NO2--N初始濃度為114mg·L-1?？偟膩?lái)說(shuō)，處理的NO2--N脫氮效率高于對(duì)照。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理的NO2--N脫除率為93.51%，比對(duì)照的相應(yīng)值提高了14.84%；TN的相應(yīng)值分別是70.16%和8.00%。試驗(yàn)過(guò)程中，NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠(yuǎn)離其理論值1∶1.32∶0.26。

Fig.1 Effects of magnetic electricity inductive effect on nitrogen removal efficiency of the Anammox (A:NH4+-N；B:NO2--N；C:TN)

討論

近年來(lái)，隨著生物技術(shù)和環(huán)境工程的不斷發(fā)展，（電）磁場(chǎng)生物效應(yīng)在環(huán)境工程中的應(yīng)用變得更加廣泛和深入。本研究將磁電誘導(dǎo)與污水處理相結(jié)合，采用一次性進(jìn)水，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別穩(wěn)定在4.0Vm-1和56mT的條件下，探討了Anammox的脫氮效率。

研究結(jié)果表明，磁電誘導(dǎo)技術(shù)作為一種生物誘導(dǎo)技術(shù)，確實(shí)能夠提高Anammox菌的脫氮效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理的NH4+-N去除率為67.30%，比對(duì)照提高25.77%；NO2--N和TN的相應(yīng)值分別為93.51%和14.84%；70.16%和8.00%。國(guó)內(nèi)外一些研究也表明，在合適的條件下，（電）磁場(chǎng)能夠通過(guò)提高細(xì)菌的數(shù)量或者活性物質(zhì)的濃度，從而提高其處理污水的能力。如劉建榮等在厭氧流化床中投加磁粉形成穩(wěn)恒弱磁場(chǎng)，可以對(duì)微生物產(chǎn)生正的磁生物效應(yīng)，從而提高生化反應(yīng)速率；馮霞的研究表明，當(dāng)直流磁場(chǎng)強(qiáng)度為60GS，磁場(chǎng)作用時(shí)間為5 分鐘時(shí)，或者磁場(chǎng)強(qiáng)度為5 0 G S，磁場(chǎng)作用時(shí)間為10分鐘時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)活性污泥有明顯的強(qiáng)化作用；Yavuz和Celebi通過(guò)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，活性廢水處理的底質(zhì)去除率先增長(zhǎng)后降低，17.8mT直流恒定電磁場(chǎng)不僅提高了微生物的生物量，而且提高了活性污泥的處理能力；Jung和Sofer的研究表明將微生物進(jìn)行磁場(chǎng)馴化，可以引起生物降解的提高，且其降解速率是磁場(chǎng)強(qiáng)度和作用時(shí)間的函數(shù)。

雖然磁電誘導(dǎo)促進(jìn)了Anammox菌的脫氮效率，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠(yuǎn)離其理論值1∶1.32∶0.26?？赡苁窃囼?yàn)為一次性進(jìn)水，并不是Anammox菌理想的反應(yīng)條件。

未來(lái)將要重點(diǎn)研究磁電誘導(dǎo)參數(shù)的變化以及不同工藝條件對(duì)Anammox菌脫效率的影響，以進(jìn)一步提高脫氮效率。同時(shí)，使NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比接近理論值，從而節(jié)約處理成本。