低溫下超聲波強(qiáng)度對(duì)厭氧氨氧化污水處理工藝性能的影響

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院 遼寧 110168）

1.研究背景

厭氧氨氧化工藝是一種環(huán)境友好的能源節(jié)約的新型工藝，然而其對(duì)溫度敏感在低溫環(huán)境當(dāng)中沒(méi)有很好的活性，而污水的環(huán)境溫度均比較低，所以該技術(shù)在污水處理的過(guò)程中應(yīng)用受限。而超聲波容易獲得，通過(guò)電能即可轉(zhuǎn)換得到，它設(shè)備體積小很容易在已有的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行改造加裝，同時(shí)無(wú)需添加其他物質(zhì)，無(wú)毒無(wú)害，節(jié)能環(huán)保。

超聲波可以有效地起到改變生物處理污水菌種中微生物的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞的組分、增加污水微生物細(xì)胞和酶的活力、加速污水菌種細(xì)胞的良性生長(zhǎng)、有利于促進(jìn)污水菌種富集以及有利于促進(jìn)污水菌種細(xì)胞的選擇性生長(zhǎng)增殖，大大提高污水生物處理的效果。其強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)在生物領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，但是在厭氧氨氧化污水處理工程中應(yīng)用尚少，研究厭氧氨氧化的超聲強(qiáng)化顯得很有意義。超聲波是一種機(jī)械波，有著許多參數(shù)，對(duì)于不同的液體介質(zhì)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)也是不盡相同，因而探究超聲參數(shù)對(duì)厭氧氨氧化效能的影響很有意義。超聲強(qiáng)度是多種超聲參數(shù)中較為重要的，因而本次試驗(yàn)探究超聲強(qiáng)度對(duì)低溫下厭氧氨氧化菌脫氮效能的影響。

2.試驗(yàn)方法與材料

試驗(yàn)污泥取自UASB裝置中已經(jīng)在15℃下穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧氨氧化污泥，低強(qiáng)度超聲波的來(lái)源為超聲波清洗槽（廣東康士潔實(shí)驗(yàn)器材廠PL-S20T）。查閱相關(guān)資料，超聲頻率選擇為20kHz，超聲處理時(shí)間為4min，超聲功率分別選擇0.1W/cm2、0.2W/cm2、0.3W/cm2、0.4W/cm2、0.5W/cm2、0.6W/cm2。采用批次試驗(yàn)的方法分別使用錐形瓶進(jìn)行40h的試驗(yàn)。

為了快速識(shí)別氨厭氧氧化的細(xì)菌活性。將等量成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥放入150mL反應(yīng)瓶中，污泥濃度為4.5gVSS/L。培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)按照理論化學(xué)計(jì)量比添加。錐形瓶中充入氮?dú)庥靡耘懦恐醒鯕猓瑸閰捬醢毖趸磻?yīng)提供有利條件。錐形瓶用黑色塑料紙遮蓋避免光照，輻照超聲后，置于環(huán)境溫度15℃的恒溫?fù)u床，搖床轉(zhuǎn)速為140rpm/min培養(yǎng)40h并測(cè)量數(shù)據(jù)，污泥處理培養(yǎng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 批次試驗(yàn)污泥處理流程

3.結(jié)果與討論

(1)不同超聲強(qiáng)度對(duì)厭氧氨氧化菌性能的影響

圖2中展示的為不同超聲強(qiáng)度批次試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所有的數(shù)據(jù)均在40h時(shí)測(cè)量得到，采用計(jì)算參數(shù)總氮SAA來(lái)表示整個(gè)反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的活性。圖中可見(jiàn)經(jīng)過(guò)0.1W/cm2、0.2W/cm2、0.3W/cm2、0.4W/cm2、0.5W/cm2、0.6W/cm2超聲波處理后的污泥均比未處理組的污泥活性要高并且活性增加較為明顯。其中經(jīng)過(guò)0.3W/cm2超聲波處理后的實(shí)驗(yàn)組活性較未處理組厭氧氨氧化菌活性增加了37%，在功率為0.1～0.3W/cm2的范圍內(nèi)隨著超聲強(qiáng)度的提升，厭氧氨氧化菌的活性有升高的趨勢(shì)。當(dāng)超聲強(qiáng)度高于0.3W/cm2時(shí)厭氧氨氧化脫氮活性沒(méi)有繼續(xù)提高，而是呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。就是說(shuō)在一定的超聲強(qiáng)度范圍內(nèi)厭氧氨氧化菌活性提高的幅度與超聲強(qiáng)度正相關(guān)，當(dāng)超聲強(qiáng)度超過(guò)一定的閾值這種趨勢(shì)便不存在了。

圖2 SAA隨超聲強(qiáng)度變化圖

超聲波強(qiáng)度，又稱為聲功率，它是影響超聲波強(qiáng)化生物反應(yīng)效果的一個(gè)重要因素，一般以單位輻照面積上受到輻照的功率來(lái)衡量。而超聲波聲能密度是指單位體積介質(zhì)上被施加的能量，也是直接影響超生波強(qiáng)化生物反應(yīng)效果以及反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。許多學(xué)者認(rèn)為超聲波生物強(qiáng)化作用隨聲強(qiáng)的增大存在一個(gè)最大值，當(dāng)超過(guò)該值后，強(qiáng)化作用效果隨超聲輻射強(qiáng)度的增大而降低。劉耘等研究表明，在低的功率強(qiáng)度的超聲波輻照下，隨著超聲功率的增大，試驗(yàn)細(xì)菌逐漸被超聲處理所激活，使用超聲功率強(qiáng)度為96W、超聲頻率為20kHz的超聲輻射50min后，可以觀察到實(shí)驗(yàn)細(xì)菌的相對(duì)酶活性有所提高，而再次進(jìn)一步提高超聲功率，實(shí)驗(yàn)細(xì)菌的酶活性卻出現(xiàn)急劇下降，當(dāng)超聲輻射功率增至100W時(shí)，酶活性比實(shí)驗(yàn)對(duì)照組更加的低。國(guó)外研究學(xué)者研究細(xì)胞中的固定化葡萄糖化酶時(shí)，在7.6MHz超聲頻率下，分別采用1～5kW/m2低強(qiáng)度強(qiáng)度的超聲波，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)酶的催化效率的增加是與輻照超聲的強(qiáng)度成比例的。然而隨著超聲強(qiáng)度的繼續(xù)加大細(xì)胞內(nèi)酶的催化效率則降低，過(guò)高強(qiáng)度的超聲波輻照損壞了酶的結(jié)構(gòu)。結(jié)合大部分研究者的研究，以上討論均說(shuō)明對(duì)于不同的菌種，在不同的介質(zhì)當(dāng)中所對(duì)應(yīng)的需要的低強(qiáng)度超聲的超聲強(qiáng)度是不同的，不能一味的增大聲強(qiáng)度來(lái)提高活性的強(qiáng)化效果。

(2)不同超聲強(qiáng)度對(duì)厭氧氨氧化菌EPS的影響

圖3 EPS濃度變化圖

在一些探究低強(qiáng)度超聲波對(duì)其他生物膜和細(xì)胞的影響和作用研究當(dāng)中，有一些研究結(jié)果表明低強(qiáng)度的超聲波強(qiáng)化會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生微損傷，生物膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，為了更好地驗(yàn)證這種情況在低強(qiáng)度超聲強(qiáng)化氨厭氧氧化過(guò)程中的存在，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。圖3所示，R1、R2、R3分別為0.1W/cm2、0.3W/cm2、0.6W/cm2強(qiáng)度下的低強(qiáng)度超聲波處理后0.1小時(shí)后進(jìn)行的EPS測(cè)量結(jié)果。

結(jié)果表明最佳超聲強(qiáng)度下即實(shí)驗(yàn)組R2的EPS含量以及多糖、蛋白質(zhì)含量相較于R1來(lái)說(shuō)并沒(méi)有明顯的提升，而對(duì)于繼續(xù)加大超聲強(qiáng)度的R3來(lái)說(shuō)多糖、蛋白質(zhì)以及總EPS含量均有明顯的提高。然而短時(shí)間內(nèi)，即使是超聲波的損傷作用會(huì)加快EPS的分泌速度，也不會(huì)出現(xiàn)如此大的胞外聚合物EPS增幅。極有可能是由于細(xì)胞的過(guò)度損傷導(dǎo)致細(xì)胞膜的破裂通透性變大，細(xì)胞內(nèi)的多糖蛋白質(zhì)等物質(zhì)溢出而被檢測(cè)到。有超聲輻照研究表明，不合適的輻照時(shí)間，會(huì)使實(shí)驗(yàn)細(xì)胞過(guò)度“損傷”，可直接抑制污泥中的微生物活性。在其他研究者采用低強(qiáng)度超聲波處理其他生物細(xì)胞時(shí)這種現(xiàn)象仍然存在。這些研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的概念是近乎一致的，這一現(xiàn)象可能與超聲波自身的性質(zhì)有關(guān)。

4.總結(jié)與展望

對(duì)與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，隨著超聲強(qiáng)度的逐漸提高，厭氧氨氧化菌活性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)超聲強(qiáng)度為0.3W/cm2時(shí)厭氧氨氧化活性最高，之后隨著超聲強(qiáng)度的繼續(xù)增大，厭氧氨氧化菌活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)超聲強(qiáng)度為0.6W/cm2時(shí)，厭氧氨氧化菌活性已經(jīng)不如未經(jīng)處理的對(duì)照組試樣。隨著超聲強(qiáng)度的增大，在超聲波的刺激下多糖蛋白質(zhì)及總EPS含量逐漸增多。當(dāng)超聲強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，多糖蛋白質(zhì)總EPS含量驟增，細(xì)胞產(chǎn)生損傷與破裂厭氧氨氧化菌活性降低。

超聲波作為一種精密的機(jī)械波，它的能量的傳播在不同的介質(zhì)甚至是不同的反應(yīng)容器中傳播方式會(huì)有很大的不同，這些改變可能會(huì)影響超聲參數(shù)，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)設(shè)備所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境得出0.3W/cm2為最佳的超聲強(qiáng)度，如若改變實(shí)驗(yàn)條件，例如不同的污泥、環(huán)境溫度、超聲發(fā)生設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備，所對(duì)應(yīng)的最佳超聲強(qiáng)度均有可能不同，需要通過(guò)試驗(yàn)加以確定。本文研究涉及多方面的理論、方法還需要更多的研究者進(jìn)行探究，在后續(xù)的優(yōu)化超聲參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作當(dāng)中還有許多新的問(wèn)題需要解決。超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化技術(shù)實(shí)施方便，易于對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行改造。只需通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)調(diào)整超聲參數(shù)就可以應(yīng)用于工程當(dāng)中，相信這種工程技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛。