磁電誘導(dǎo)對厭氧氨氧化菌脫氮效率的影響初報

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）磁場對于磁性物質(zhì)會產(chǎn)生力的作用。因此，外加（電）磁場可以對生物的組織和生命活動產(chǎn)生影響，其影響的大小和方向與磁場作用的強度、時間、方式及受體細胞的種類有關(guān)。在合適的條件下，（電）磁場能夠促進細胞數(shù)量增加或促進細胞活性物質(zhì)的增加[3]，從而提高有機體的代謝。（電）磁場對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)化為氮氣釋放到空氣，該過程無需外加有機碳源，無需曝氣，是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的生物脫氮工藝。國外眾多專家學(xué)者認為該工藝是最經(jīng)濟有效的脫氮手段之一，值得進一步的深入研究。然而，厭氧氨氧化菌培養(yǎng)一段時間后，一般會出現(xiàn)顆粒死亡或膜死亡的現(xiàn)象；并且，Anammox菌生長緩慢，倍增時間長（11d） ，這都大大的影響了Anammox菌的實際應(yīng)用。為了解決厭氧氨氧化菌的退化問題，實現(xiàn)厭氧氨氧化菌持續(xù)增長，保障厭氧氨氧化工藝實際應(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

試驗裝置及配水

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

以模擬廢水為試驗用水，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。試驗采用一次性進水（6L），連續(xù)處理160h。試驗共進行7天，前2天每小時取一次樣，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)的測定。

Table 1 Composition of synthetic wastewater

接種污泥

用于本實驗接種的污泥（富含厭氧氨氧化菌）來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，將2L污泥直接投入裝有模擬廢水的實驗裝置中。考慮到試驗采用一次性進水，在培養(yǎng)的過程中營養(yǎng)不斷消耗，細菌會因缺乏營養(yǎng)而出現(xiàn)衰退，故接種后立即啟動磁電誘導(dǎo)裝置。

測定項目與方法

試驗以系統(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，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；硝氮采用紫外分光光度法檢測，分析的紫外分光光度計型號為U-2010[18]。為方便起見，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，對照的NH4+-N去除率略高于處理（0.00% - 13.19%）；15h后，對照的去除率逐漸升高，這種趨勢一直維持到實驗結(jié)束。試驗至第153h，經(jīng)磁電誘導(dǎo)處理的NH4+-N，其去除率為67.30%，對照的相應(yīng)值為53.512%。

模擬廢水NO2--N初始濃度為114mg·L-1。總的來說，處理的NO2--N脫氮效率高于對照。試驗結(jié)束時，處理的NO2--N脫除率為93.51%，比對照的相應(yīng)值提高了14.84%；TN的相應(yīng)值分別是70.16%和8.00%。試驗過程中，NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠離其理論值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，隨著生物技術(shù)和環(huán)境工程的不斷發(fā)展，（電）磁場生物效應(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，采用一次性進水，在電場和磁場分別穩(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)，確實能夠提高Anammox菌的脫氮效率。實驗結(jié)束時，處理的NH4+-N去除率為67.30%，比對照提高25.77%；NO2--N和TN的相應(yīng)值分別為93.51%和14.84%；70.16%和8.00%。國內(nèi)外一些研究也表明，在合適的條件下，（電）磁場能夠通過提高細菌的數(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，可以對微生物產(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)直流磁場強度為60GS，磁場作用時間為5 分鐘時，或者磁場強度為5 0 G S，磁場作用時間為10分鐘時，磁場對活性污泥有明顯的強化作用；Yavuz和Celebi通過增加磁場強度，活性廢水處理的底質(zhì)去除率先增長后降低，17.8mT直流恒定電磁場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行磁場馴化，可以引起生物降解的提高，且其降解速率是磁場強度和作用時間的函數(shù)。

雖然磁電誘導(dǎo)促進了Anammox菌的脫氮效率，但在整個實驗過程中NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠離其理論值1∶1.32∶0.26。可能是試驗為一次性進水，并不是Anammox菌理想的反應(yīng)條件。

未來將要重點研究磁電誘導(dǎo)參數(shù)的變化以及不同工藝條件對Anammox菌脫效率的影響，以進一步提高脫氮效率。同時，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。