低強度超聲波強化厭氧氨氧化工藝的機理及研究進展

周鵬

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽110168）

1 厭氧氨氧化工藝介紹以及存在的問題

厭氧氨氧化的發現完全改變了了人們對一般理念上氮循環的認識。厭氧氨氧化工藝是荷蘭Delft 技術大學Kluyver 生物技術實驗室開發的。厭氧氨氧化菌可在缺氧條件下以氨為電子供體,亞硝酸鹽為電子受體,產生N2,這比全程硝化即氨氧化為硝酸鹽節省幾乎60%以上的爆氣量。以氨為電子供體還可節省傳統生物脫氮工藝中所需的碳源。與傳統的脫氮工藝相比,厭氧氨氧化工藝能耗低,反應效率高,同時無需外加碳源。厭氧氨氮生物氧化技術脫氮是一種全新的低能耗、高效、經濟的高氨氮生物氧化脫氮技術,在處理高氨氮的廢水方面技術表現優越。厭氧氨氧化反應通過一種特殊的功能菌——厭氧氨氧化菌(Anammox)實現。但是,厭氧氨氧化菌是一種厭氧菌它的生長非常緩慢,細胞生長周期長,對生長環境要求苛刻。通常情況下,細胞增殖速率一般僅有0.0027 h-1,細胞倍增周期一般約為11 天。致使厭氧氨氧化菌的大量富集和繁殖難度較大。厭氧氨氧化工藝的啟動緩慢,制約了厭氧氨氧化工藝從實驗室向大規模工業化應用的轉化。為解決厭氧氨氧化工藝中存在的不足,國內外學者不斷努力深入研究厭氧氨氧化強化技術,通過強化工藝提高反應器功能菌活性、優化工藝中的反應條件以及增加反應器的穩定性等多個方面手段來研究和強化該工藝,進而實現厭氧氨氧化工藝的快速啟動和反應器的高效運行,推動其在實際科學研究項目中廣泛應用。

2 低強度超聲波處理技術在微生物領域的應用

2.1 超聲波的作用機制。超聲是指頻率高于20kHz的一種聲波,普遍存在于日常環境當中,在各個領域的應用十分廣泛。超聲的廣泛應用和它與其他物質之間相互作用的機制有非常密切關系,在對各種脆性金屬材料的超聲加工、塑料的焊接、超聲探傷和治療超聲波的診斷、醫學的治療、環境的保護等諸多方面都已經有廣泛應用。超聲在液體中傳播時,細胞內部會直接受到超聲波機械效應的作用,部分細胞受到的機械效應能在液體中轉化為熱能,當液體中超聲波的強度大到一定的程度時,液體中就會產生空化效應。在對污水的處理中超聲波作用的機制被廣泛認為主要的有空化效應、熱效應和機械效應。Zhang等認為機械效應是生物活性增強的主要因素。2.1.1 空化效應。空化效應是超聲波在介質水中傳播而產生的一種物理現象。在超聲沖擊波的作用下,液體的局部高溫高壓區域可能會暫時地形成若干負壓區,產生大量的空穴或者小氣泡。但是當超聲波強度低時,超聲空化的強度低,振動并不劇烈,稱為穩態空化。低強度的超聲波產生的穩態空化在污水處理方面的應用十分廣泛。相反當超聲波的強度過高并已經超過某一空化的閾值時,氣泡突然發生收縮,破裂后形成許多小氣泡,從而對液體產生強烈的沖擊和一定的局部高溫高壓,這種空化的現象稱為瞬態空化。瞬態空化的作用會對細菌細胞內膜產生一種永久性的損傷,因而不能直接地應用于廢水的生物凈化處理。2.1.2 熱效應。當聲強不變時,介質內溫度會先上升到一個數值,隨后溫度波動漸漸變緩,最后逐漸趨于穩定。這種溫度變化現象主要是由熱傳導作用引起的,液體介質局部受到大量超聲波的輻照, 局部液體介質的聲吸收不均勻,都會直接造成介質溫度的非均勻分布。熱傳導的相互作用最終會使液體局部介質的溫度相同,達到熱平衡的狀態。液體介質溫度升高有利于大大加快液體的化學、物理反應的速率。2.1.3 機械效應。當聲強較低時,介質運動會被機械效應增強,有利于增強物質傳遞速率。這個過程主要發生在生物細胞周圍即膜跟細胞壁,細胞質中。微流液體循環會因為超聲波機械效應而產生。這利于各種與反應有關的底物進入活性位點, 有利于反應產物在介質當中進行交換,這樣生物反應速率會提高。因為有合適強度的超聲,細胞中的細胞器會因此旋轉。適宜強度的超聲波作用于生物細胞會提高細胞的代謝功能,促進了細胞的增殖。

2.2 低強度超聲波強化生物處理的機理。生物處理的可以利用超聲范圍內的超聲波一般是低強度超聲波。選擇一個適宜的超聲輻照條件可以有效地改變污水微生物的結構與細胞組分、增加微生物酶的活力、加速細胞的生長、有利于促進菌種富集以及有利于菌種的選擇性增值,能夠有效地改善和提高對污水生物超聲處理的效果.。Lin 等使用功率密度為13.7mW/cm3的超聲輻照細胞,樣品中檢測到的紫草醌從20%左右增加到65%-70%, 部分的原因主要是低強度超聲輻照的處理使得細胞膜的通透性明顯增加。楊霏認為在有機工業廢水中,低強度的超聲輻照會直接刺激污水微生物的細胞活性,從而有效地使得混合液污水中的eps 含量明顯增加,并且超聲輻照會直接刺激細胞分泌蛋白質,減少糖類分泌。

3 低強度超聲波強化厭氧氨氧化的效果與機理

3.1 低強度超聲波強化厭氧氨氧化的效果。Duan Xiumei 等對厭氧氨氧化菌混和培養物施加低強度超聲波,探討厭氧氨氧化反應最適溫度下低強度超聲波對厭氧氨氧化菌群活性和脫氮能力的影響。實驗的結果表明, 當超聲輻照頻率為25khz、超聲輻照強度為0.3w/cm2、超聲輻照持續時間為4min 時,總聚合物中氮的去除效果較之前增加了約25.5%。這種效果一共持續了6 天。 胞外聚合物EPS數據分析表明,在低強度超聲波輻照后的24h 內,試樣菌群中碳水化合物、蛋白質和總胞外聚合物的增幅最大。實驗者并且通過電子顯微鏡觀察超聲輻照后厭氧氨氧化菌發現,該菌細胞壁較未處理細胞相比變薄許多同時出現了更多的胞外物質。

3.2 低強度超聲波強化厭氧氨氧化機理分析。根據上述實驗結果,生物細胞組織結構會受到超聲輻照的影響,過高的超聲強度、頻率或超聲連續輻照時間過長都會嚴重損壞厭氧氨氧化菌細胞的結構,對厭氧氨氧化菌細胞造成永久不可逆的損傷,使厭氧氨氮氧化菌活性明顯下降,嚴重的時會對該菌細胞產生失活影響。合適參數范圍的低強度低頻率超聲間歇輻照更有利于厭氧氨氧化菌活性的提高。這種超聲狀態輻照可以對細胞產生合適參數強度的超聲穩態空化效應,這種穩態空化效應可以對細胞造成暫時可逆的細胞損傷,增強了細胞壁和細胞膜的通透性、加速電子傳遞和膜內外物質交換。低強低頻超聲處理可增加生物酶和eps 含量,從而提高厭氧氨氧化菌在細胞增殖的速率。超聲處理實驗中,有一些研究人員發現, 低強低頻的超聲處理在強化厭氧氨氧化菌群的過程中會伴隨ttc- 脫氫酶和eps 的增加, 可以認為eps 形成是厭氧氨氧化菌在低頻超聲連續輻照的條件下自我再生保護的策略,通過這一保護過程厭氧氨氧化菌活性和對不良生長環境的適應和耐受能力均得到了提高, 工藝總體的運行效果和反應器效能也都得到了大幅度的強化。

4 結論

厭氧氨氧化菌對周圍環境敏感、世代時間通常為11 天,這些不利因素使厭氧氨氧化工藝啟動周期過長,導致其難以在實際工程中應用。所以研究厭氧氨氧化工藝的強化技術有很高的價值。超聲波是一種機械波,超聲波在傳播時,方向性強,在水中的傳遞效果良好。與其他強化技術相比例如添加鐵元素、添加氧化石墨烯更加的環保,易于控制,方便在原有設備基礎上進行改造。使用成本低,經濟效益高。因而有很高的研究價值。低強度超聲波強化厭氧氨氧化工藝在于為該菌提供最佳的生長代謝條件, 促進厭氧氨氧化菌新陳代謝,通過物理效應改變了細菌自身的屬性與結構,進而加快厭氧氨氧化工藝啟動速度,提高了運行效能,加強了該工藝對不良環境的抵抗能力。 雖然這項強化工藝已取得一定的研究成果, 但仍有一些問題需要進一步研究:4.1 低強度超聲波強化厭氧氨氧化技術的詳細機理有待進一步被解釋。目前常見研究僅僅是展示了強化結果,對具體的如何強化只是做出了初步討論。還缺少更進一步的研究。在低強度超聲波強化厭氧氨氧化工藝的過程中具體哪些關鍵酶收到了影響,以及細胞發生的生理變化還不明確。4.2 低強度超聲波強化厭氧氨氧化技術與其他強化技術,如添加鐵元素、外加磁場或電場等是否存在協同作用有待研究。4.3 低強度超聲波強化厭氧氨氧化技術能否在工程當中應用有待研究。目前這種強化技術在實驗室的小型裝置中被證實有效,當應用到實際工程時可能會有一些問題出現。這種經濟效益很高的強化技術能否在實際工程當中進行應用還需要更多的嘗試與研究。