低溫下超聲波強度對厭氧氨氧化污水處理工藝性能的影響

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院 遼寧 110168）

1.研究背景

厭氧氨氧化工藝是一種環境友好的能源節約的新型工藝，然而其對溫度敏感在低溫環境當中沒有很好的活性，而污水的環境溫度均比較低，所以該技術在污水處理的過程中應用受限。而超聲波容易獲得，通過電能即可轉換得到，它設備體積小很容易在已有的實驗裝置上進行改造加裝，同時無需添加其他物質，無毒無害，節能環保。

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構與細胞的組分、增加污水微生物細胞和酶的活力、加速污水菌種細胞的良性生長、有利于促進污水菌種富集以及有利于促進污水菌種細胞的選擇性生長增殖，大大提高污水生物處理的效果。其強度超聲波強化技術已經在生物領域廣泛的應用，但是在厭氧氨氧化污水處理工程中應用尚少，研究厭氧氨氧化的超聲強化顯得很有意義。超聲波是一種機械波，有著許多參數，對于不同的液體介質所對應的參數也是不盡相同，因而探究超聲參數對厭氧氨氧化效能的影響很有意義。超聲強度是多種超聲參數中較為重要的，因而本次試驗探究超聲強度對低溫下厭氧氨氧化菌脫氮效能的影響。

2.試驗方法與材料

試驗污泥取自UASB裝置中已經在15℃下穩定運行的厭氧氨氧化污泥，低強度超聲波的來源為超聲波清洗槽（廣東康士潔實驗器材廠PL-S20T）。查閱相關資料，超聲頻率選擇為20kHz，超聲處理時間為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。采用批次試驗的方法分別使用錐形瓶進行40h的試驗。

為了快速識別氨厭氧氧化的細菌活性。將等量成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥放入150mL反應瓶中，污泥濃度為4.5gVSS/L。培養基中的營養物質按照理論化學計量比添加。錐形瓶中充入氮氣用以排除瓶中氧氣，為厭氧氨氧化反應提供有利條件。錐形瓶用黑色塑料紙遮蓋避免光照，輻照超聲后，置于環境溫度15℃的恒溫搖床，搖床轉速為140rpm/min培養40h并測量數據，污泥處理培養流程見圖1。

圖1 批次試驗污泥處理流程

3.結果與討論

(1)不同超聲強度對厭氧氨氧化菌性能的影響

圖2中展示的為不同超聲強度批次試驗的實驗結果，所有的數據均在40h時測量得到，采用計算參數總氮SAA來表示整個反應器中厭氧氨氧化菌的活性。圖中可見經過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。其中經過0.3W/cm2超聲波處理后的實驗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的范圍內隨著超聲強度的提升，厭氧氨氧化菌的活性有升高的趨勢。當超聲強度高于0.3W/cm2時厭氧氨氧化脫氮活性沒有繼續提高，而是呈現出下降的趨勢。就是說在一定的超聲強度范圍內厭氧氨氧化菌活性提高的幅度與超聲強度正相關，當超聲強度超過一定的閾值這種趨勢便不存在了。

圖2 SAA隨超聲強度變化圖

超聲波強度，又稱為聲功率，它是影響超聲波強化生物反應效果的一個重要因素，一般以單位輻照面積上受到輻照的功率來衡量。而超聲波聲能密度是指單位體積介質上被施加的能量，也是直接影響超生波強化生物反應效果以及反應器設計的重要參數之一。許多學者認為超聲波生物強化作用隨聲強的增大存在一個最大值，當超過該值后，強化作用效果隨超聲輻射強度的增大而降低。劉耘等研究表明，在低的功率強度的超聲波輻照下，隨著超聲功率的增大，試驗細菌逐漸被超聲處理所激活，使用超聲功率強度為96W、超聲頻率為20kHz的超聲輻射50min后，可以觀察到實驗細菌的相對酶活性有所提高，而再次進一步提高超聲功率，實驗細菌的酶活性卻出現急劇下降，當超聲輻射功率增至100W時，酶活性比實驗對照組更加的低。國外研究學者研究細胞中的固定化葡萄糖化酶時，在7.6MHz超聲頻率下，分別采用1～5kW/m2低強度強度的超聲波，發現細胞內酶的催化效率的增加是與輻照超聲的強度成比例的。然而隨著超聲強度的繼續加大細胞內酶的催化效率則降低，過高強度的超聲波輻照損壞了酶的結構。結合大部分研究者的研究，以上討論均說明對于不同的菌種，在不同的介質當中所對應的需要的低強度超聲的超聲強度是不同的，不能一味的增大聲強度來提高活性的強化效果。

(2)不同超聲強度對厭氧氨氧化菌EPS的影響

圖3 EPS濃度變化圖

在一些探究低強度超聲波對其他生物膜和細胞的影響和作用研究當中，有一些研究結果表明低強度的超聲波強化會對細胞產生微損傷，生物膜和細胞壁結構嚴重受損，為了更好地驗證這種情況在低強度超聲強化氨厭氧氧化過程中的存在，進行了以下試驗。圖3所示，R1、R2、R3分別為0.1W/cm2、0.3W/cm2、0.6W/cm2強度下的低強度超聲波處理后0.1小時后進行的EPS測量結果。

結果表明最佳超聲強度下即實驗組R2的EPS含量以及多糖、蛋白質含量相較于R1來說并沒有明顯的提升，而對于繼續加大超聲強度的R3來說多糖、蛋白質以及總EPS含量均有明顯的提高。然而短時間內，即使是超聲波的損傷作用會加快EPS的分泌速度，也不會出現如此大的胞外聚合物EPS增幅。極有可能是由于細胞的過度損傷導致細胞膜的破裂通透性變大，細胞內的多糖蛋白質等物質溢出而被檢測到。有超聲輻照研究表明，不合適的輻照時間，會使實驗細胞過度“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度超聲波處理其他生物細胞時這種現象仍然存在。這些研究結果與本實驗結果分析的概念是近乎一致的，這一現象可能與超聲波自身的性質有關。

4.總結與展望

對與本次實驗結果進行綜合分析，隨著超聲強度的逐漸提高，厭氧氨氧化菌活性逐漸增強。當超聲強度為0.3W/cm2時厭氧氨氧化活性最高，之后隨著超聲強度的繼續增大，厭氧氨氧化菌活性呈現下降趨勢。當超聲強度為0.6W/cm2時，厭氧氨氧化菌活性已經不如未經處理的對照組試樣。隨著超聲強度的增大，在超聲波的刺激下多糖蛋白質及總EPS含量逐漸增多。當超聲強度過大時，多糖蛋白質總EPS含量驟增，細胞產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械波，它的能量的傳播在不同的介質甚至是不同的反應容器中傳播方式會有很大的不同，這些改變可能會影響超聲參數，從而影響實驗效果。對于本實驗設備所處的實驗環境得出0.3W/cm2為最佳的超聲強度，如若改變實驗條件，例如不同的污泥、環境溫度、超聲發生設備、反應設備，所對應的最佳超聲強度均有可能不同，需要通過試驗加以確定。本文研究涉及多方面的理論、方法還需要更多的研究者進行探究，在后續的優化超聲參數的實驗設計和進行實際實驗操作當中還有許多新的問題需要解決。超聲波強化厭氧氨氧化技術實施方便，易于對已有設備進行改造。只需通過簡單的試驗調整超聲參數就可以應用于工程當中，相信這種工程技術的應用場景十分廣泛。