低強度超聲波對短程硝化污泥的影響

任黎曄，朱易春，張光明，連軍鋒，章璋，李鑫，黃書昌，田帥，袁佳彬

（1江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2中國人民大學環境學院，北京100872）

1 材料與方法

1.1 反應器的啟動與運行

實驗所用污泥取自贛州市某污水處理廠。實驗由5 個有效容積1L 的序批式反應器（sequencing batch reactor，SBR）構成，其中一個為對照組，其余為超聲組，SBR 以480min 為一周期，包括進水5min，好氧/缺氧（30min/30min）交替運行240min[13]，缺氧攪拌120min，靜置110min，排水5min，好氧段曝氣量0.2L/min[14]。超聲組每日使用探頭式超聲波發生器（JY92-ⅡN）超聲處理一次，超聲方法為：在排水后，將反應器中全部泥水混合物置于500 mL 燒杯中，加水至500mL，將超聲波發生器探頭浸入液面下10mm進行超聲，超聲時間5min，超聲頻率20kHz，超聲1s停1s以防止污泥溫度過高，超聲組聲能密度依次為0.1W/mL、0.3W/mL、0.5W/mL、0.7W/mL，處理后將泥水混合物倒回SBR。

進水化學需氧量（COD）、NH4+-N、總磷（TP）濃度分別為60mg/L、60mg/L、6mg/L，每周期換水率70%，污泥停留時間（sludge retention time，SRT）40天，水溫(30±1)℃，起始污泥濃度約3500mg/L。

1.2 檢測與計算方法

在反應器運行穩定后再進行AMO[16-17]、NXR活性、SAOR、SNOR[18]、AOR、NOR、EPS濃度的測定。

AMO 與NXR 的提取與活性測定參考Juloette等[16]與Otte等[17]的方法，AMO的活性為單位質量的蛋白質在單位時間內催化的氨氮量，NXR 的活性為單位質量的蛋白質在單位時間內催化的亞硝態氮量，都以μmolN/mg·protein·min 計。LB-EPS 采用超聲提取法[19]；TB-EPS 采用熱提取法[20]；多糖的測定采用苯酚-硫酸法，標定物質葡萄糖；蛋白質的測定采用考馬斯亮藍法，標定物質牛血清白蛋白；DNA 的測定采用二苯胺比色法，標定物質小牛胸腺DNA。

SAOR（或SNOR）的測定參考Ma 等[18]與林秋健[21]的方法。SAOR（或SNOR）表示單位質量的污泥在單位時間內最大的- N（或- N）氧化量，計算方法如式(1)和式(2)。AOR（或NOR）的測定方法與SAOR（或SNOR）一致，計算方法不同。AOR（或NOR）表示單位容積的污泥在單位時間內最大的（或）氧化量，計算方法如式(3)和式(4)。

2 結果與討論

2.1 周期性超聲處理后的污泥變化

周期性超聲處理后，各SBR 的出水水質、短程硝化效果及污泥沉降性能等如表1所示。所有反應器均可以在去除的前提下實現短程硝化，超聲組的氨氮去除率和亞硝酸鹽積累率（nitrite accumulation rate，NAR）均高于對照組，超聲組間有一定差異，但氨氮去除率、NAR 的變化與聲能密度之間沒有明顯的相關性，各反應器的出水硝態氮濃度都很低。對照組的運行情況表明低曝氣量和A/O交替的運行方式可以實現短程硝化，與超聲組的對比表明超聲波的加入提高了短程硝化的效果。超聲作用明顯減少了污泥量，但不同聲能密度之間的污泥量相差不大，微弱的超聲波會顯著減少污泥量，但隨著聲能密度的提高，污泥的應激反應也隨之提高，因此污泥的MLSS 在0.1～0.7W/mL的聲能密度范圍內差距不大，超聲組污泥最多減少51.36%。此外，低聲能密度的超聲波引起了嚴重的污泥膨脹，在加大聲能密度后，污泥膨脹逐漸消失，在較高的聲能密度下污泥的沉降性能優于對照組，這說明適當的低強度超聲作用可以改變污泥表面特性和菌膠團之間的相互作用[22]，提高污泥的沉降性能。

2.2 聲能密度對污泥脫氮能力的影響

2.2.1 聲能密度對短程硝化關鍵酶活性的影響

超聲組粗酶提取液中蛋白質的濃度普遍高于對照組，但彼此之間相差不大。在不同的聲能密度下，AMO 的活性隨聲能密度先增加再減小后不斷增加。NXR 的活性隨聲能密度不斷下降。總體而言，超聲波在較寬的聲能密度范圍內增加了AMO的活性，抑制了NXR 的活性。粗酶提取液中蛋白質的濃度與兩種關鍵酶的活性變化之間不存在顯著聯系。

表1 不同聲能密度下的活性污泥性狀與短程硝化效果

圖1 粗酶提取液中蛋白質的濃度與AMO、NXR活性

2.2.2 聲能密度對短程硝化比脫氮速率和反應器脫氮效率的影響

為了更全面地研究超聲波對污泥脫氮能力的影響，分別從單位質量的污泥脫氮能力和單位體積的污泥脫氮能力兩個角度分析問題，即比脫氮速率和反應器脫氮效率。不同聲能密度下的污泥比脫氮速率與反應器脫氮速率如圖2 所示。從比脫氮速率看，微弱的超聲波增加了活性污泥系統的SAOR與SNOR，隨著聲能密度的增加，SAOR 先下降后上升，而SNOR整體呈不斷下降趨勢；從單位體積的污泥氧化能力看，隨著聲能密度的增加，污泥的AOR先下降后上升，NOR不斷下降。

僅從兩種脫氮效果的試驗結果看，在0.1W/mL下，超聲波促進了AOB活性，即提高了SAOR，另一方面，AOR 的測定結果則表明反應器整體的氨氮降解速率降低了，為了探究兩種脫氮速率產生差別的原因，以及它們與酶活性的關系，將超聲組酶活性、比脫氮速率、反應器脫氮速率相對于對照組的增長繪入一張圖中，如圖3 所示。可以看出，AMO 活性與SAOR 的變化呈正相關，AOB 的活性因關鍵酶活性的提高而提高，但二者的變化趨勢與AOR 相差較大；NXR 的活性與NOR 的變化呈正相關，二者與SNOR變化趨勢相差較大。

圖2 不同聲能密度下的SAOR、SNOR與AOR、NOR

據此可以推測：超聲波在酶活性的層面促進AOB活性，但由于MLSS的降低，AOB的數量也不斷減少，且減少率顯著高于MLSS減少率，AMO活性的增長率并不能抵消這種嚴重的數量削減，因此，盡管超聲組的AMO 活性和SAOR 都增加了，但AOR 反而降低了。而NOB 的情況與AOB 相反，NOB數量的減少比例與MLSS減少比例相當，所以當超聲波在酶活性層面抑制NOB 活性時，這種影響被同步反映在了NOR 變化上，但SNOR 的變化趨勢就與這兩者相去甚遠，即超聲波引起的污泥減少對AOB菌群數量的負面影響大于NOB。

圖3 不同聲能密度下酶活性、比脫氮速率、反應器脫氮速率相對于對照組的增長比例

由此也可以得出以下結論，超聲波可以促進污泥的短程硝化效果，但這種強化效果并不表現為氨氮的氧化速度上，而主要表現在抑制亞硝態氮的氧化上，就反應器整體的氨氮去除速度而言，0.1～0.5W/mL的超聲波對氨氮的去除甚至是不利的，但由于超聲波對亞硝態氮轉化的抑制更為強烈，最后表現為短程硝化效果受到強化。

2.3 聲能密度對EPS的影響

聲能密度對EPS 的影響將分別從LB-EPS 與TB-EPS的總量與分量（圖4）分析。0.1W/mL的超聲波會促進LB-EPS 與TB-EPS 的產生，更高的聲能密度使得LB-EPS 的含量總體呈現下降趨勢，TB-EPS 略有下降，但總體趨于穩定。LB-EPS 中多糖、蛋白質隨聲能密度先增加后減少，TB-EPS中多糖隨聲能密度先增加后減少，蛋白質先減少后在聲能密度為0.7W/mL 突然增加。這與朱易春等[9]提出的超聲波會增加污泥EPS 分泌的實驗結果一致，而隨著聲能密度的增加，超聲波對EPS的剝離作用高于EPS的額外分泌作用后，EPS的總量和各分量還是呈遞減趨勢。各超聲組EPS 中的DNA 含量都很少，這說明0.1～0.7W/mL 的長期周期性超聲輻照不會產生嚴重的溶胞作用。

圖4 不同聲能密度下的EPS變化

超聲波對不同的位置和成分的EPS的剝離有很大差別。LB-EPS 比TB-EPS 更易被剝離，多糖比蛋白質更易被剝離，在0.7W/mL處的增加可能是長期篩選的結果。從總EPS的角度分析，與污泥整體結合越松散的EPS 越易被剝離，周期性超聲處理后，聲能密度越高，篩選出來的EPS就越堅固，微生物就越不易被超聲波破壞，這可能是0.7W/mL下污泥仍能保持1000mg/L MLSS以上的原因。

3 結論

（1）周期性超聲輻照對單位質量污泥的氨氮降解速率有促進作用，同時伴有污泥減量，超聲波對短程硝化產生促進效果的主要原因是超聲輻照對亞硝態氮的氧化過程的抑制。

（2）超聲輻照處理會增加AMO 活性、抑制NXR 活性。SAOR 的變化與AMO 的變化呈正相關，NXR 的活性與NOR 的變化呈正相關，超聲波引起的污泥減少對AOB菌群數量的負面影響大于NOB。

（3）超聲波會剝離EPS，對LB-EPS 的剝離效果大于TB-EPS，對多糖的剝離效果大于蛋白質，周期性超聲處理會造成TB-EPS和蛋白質的積累。