低温下超声波强度对厌氧氨氧化污水处理工艺性能的影响

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院 辽宁 110168）

1.研究背景

厌氧氨氧化工艺是一种环境友好的能源节约的新型工艺，然而其对温度敏感在低温环境当中没有很好的活性，而污水的环境温度均比较低，所以该技术在污水处理的过程中应用受限。而超声波容易获得，通过电能即可转换得到，它设备体积小很容易在已有的实验装置上进行改造加装，同时无需添加其他物质，无毒无害，节能环保。

超声波可以有效地起到改变生物处理污水菌种中微生物的结构与细胞的组分、增加污水微生物细胞和酶的活力、加速污水菌种细胞的良性生长、有利于促进污水菌种富集以及有利于促进污水菌种细胞的选择性生长增殖，大大提高污水生物处理的效果。其强度超声波强化技术已经在生物领域广泛的应用，但是在厌氧氨氧化污水处理工程中应用尚少，研究厌氧氨氧化的超声强化显得很有意义。超声波是一种机械波，有着许多参数，对于不同的液体介质所对应的参数也是不尽相同，因而探究超声参数对厌氧氨氧化效能的影响很有意义。超声强度是多种超声参数中较为重要的，因而本次试验探究超声强度对低温下厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响。

2.试验方法与材料

试验污泥取自UASB装置中已经在15℃下稳定运行的厌氧氨氧化污泥，低强度超声波的来源为超声波清洗槽（广东康士洁实验器材厂PL-S20T）。查阅相关资料，超声频率选择为20kHz，超声处理时间为4min，超声功率分别选择0.1W/cm2、0.2W/cm2、0.3W/cm2、0.4W/cm2、0.5W/cm2、0.6W/cm2。采用批次试验的方法分别使用锥形瓶进行40h的试验。

为了快速识别氨厌氧氧化的细菌活性。将等量成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥放入150mL反应瓶中，污泥浓度为4.5gVSS/L。培养基中的营养物质按照理论化学计量比添加。锥形瓶中充入氮气用以排除瓶中氧气，为厌氧氨氧化反应提供有利条件。锥形瓶用黑色塑料纸遮盖避免光照，辐照超声后，置于环境温度15℃的恒温摇床，摇床转速为140rpm/min培养40h并测量数据，污泥处理培养流程见图1。

图1 批次试验污泥处理流程

3.结果与讨论

(1)不同超声强度对厌氧氨氧化菌性能的影响

图2中展示的为不同超声强度批次试验的实验结果，所有的数据均在40h时测量得到，采用计算参数总氮SAA来表示整个反应器中厌氧氨氧化菌的活性。图中可见经过0.1W/cm2、0.2W/cm2、0.3W/cm2、0.4W/cm2、0.5W/cm2、0.6W/cm2超声波处理后的污泥均比未处理组的污泥活性要高并且活性增加较为明显。其中经过0.3W/cm2超声波处理后的实验组活性较未处理组厌氧氨氧化菌活性增加了37%，在功率为0.1～0.3W/cm2的范围内随着超声强度的提升，厌氧氨氧化菌的活性有升高的趋势。当超声强度高于0.3W/cm2时厌氧氨氧化脱氮活性没有继续提高，而是呈现出下降的趋势。就是说在一定的超声强度范围内厌氧氨氧化菌活性提高的幅度与超声强度正相关，当超声强度超过一定的阈值这种趋势便不存在了。

图2 SAA随超声强度变化图

超声波强度，又称为声功率，它是影响超声波强化生物反应效果的一个重要因素，一般以单位辐照面积上受到辐照的功率来衡量。而超声波声能密度是指单位体积介质上被施加的能量，也是直接影响超生波强化生物反应效果以及反应器设计的重要参数之一。许多学者认为超声波生物强化作用随声强的增大存在一个最大值，当超过该值后，强化作用效果随超声辐射强度的增大而降低。刘耘等研究表明，在低的功率强度的超声波辐照下，随着超声功率的增大，试验细菌逐渐被超声处理所激活，使用超声功率强度为96W、超声频率为20kHz的超声辐射50min后，可以观察到实验细菌的相对酶活性有所提高，而再次进一步提高超声功率，实验细菌的酶活性却出现急剧下降，当超声辐射功率增至100W时，酶活性比实验对照组更加的低。国外研究学者研究细胞中的固定化葡萄糖化酶时，在7.6MHz超声频率下，分别采用1～5kW/m2低强度强度的超声波，发现细胞内酶的催化效率的增加是与辐照超声的强度成比例的。然而随着超声强度的继续加大细胞内酶的催化效率则降低，过高强度的超声波辐照损坏了酶的结构。结合大部分研究者的研究，以上讨论均说明对于不同的菌种，在不同的介质当中所对应的需要的低强度超声的超声强度是不同的，不能一味的增大声强度来提高活性的强化效果。

(2)不同超声强度对厌氧氨氧化菌EPS的影响

图3 EPS浓度变化图

在一些探究低强度超声波对其他生物膜和细胞的影响和作用研究当中，有一些研究结果表明低强度的超声波强化会对细胞产生微损伤，生物膜和细胞壁结构严重受损，为了更好地验证这种情况在低强度超声强化氨厌氧氧化过程中的存在，进行了以下试验。图3所示，R1、R2、R3分别为0.1W/cm2、0.3W/cm2、0.6W/cm2强度下的低强度超声波处理后0.1小时后进行的EPS测量结果。

结果表明最佳超声强度下即实验组R2的EPS含量以及多糖、蛋白质含量相较于R1来说并没有明显的提升，而对于继续加大超声强度的R3来说多糖、蛋白质以及总EPS含量均有明显的提高。然而短时间内，即使是超声波的损伤作用会加快EPS的分泌速度，也不会出现如此大的胞外聚合物EPS增幅。极有可能是由于细胞的过度损伤导致细胞膜的破裂通透性变大，细胞内的多糖蛋白质等物质溢出而被检测到。有超声辐照研究表明，不合适的辐照时间，会使实验细胞过度“损伤”，可直接抑制污泥中的微生物活性。在其他研究者采用低强度超声波处理其他生物细胞时这种现象仍然存在。这些研究结果与本实验结果分析的概念是近乎一致的，这一现象可能与超声波自身的性质有关。

4.总结与展望

对与本次实验结果进行综合分析，随着超声强度的逐渐提高，厌氧氨氧化菌活性逐渐增强。当超声强度为0.3W/cm2时厌氧氨氧化活性最高，之后随着超声强度的继续增大，厌氧氨氧化菌活性呈现下降趋势。当超声强度为0.6W/cm2时，厌氧氨氧化菌活性已经不如未经处理的对照组试样。随着超声强度的增大，在超声波的刺激下多糖蛋白质及总EPS含量逐渐增多。当超声强度过大时，多糖蛋白质总EPS含量骤增，细胞产生损伤与破裂厌氧氨氧化菌活性降低。

超声波作为一种精密的机械波，它的能量的传播在不同的介质甚至是不同的反应容器中传播方式会有很大的不同，这些改变可能会影响超声参数，从而影响实验效果。对于本实验设备所处的实验环境得出0.3W/cm2为最佳的超声强度，如若改变实验条件，例如不同的污泥、环境温度、超声发生设备、反应设备，所对应的最佳超声强度均有可能不同，需要通过试验加以确定。本文研究涉及多方面的理论、方法还需要更多的研究者进行探究，在后续的优化超声参数的实验设计和进行实际实验操作当中还有许多新的问题需要解决。超声波强化厌氧氨氧化技术实施方便，易于对已有设备进行改造。只需通过简单的试验调整超声参数就可以应用于工程当中，相信这种工程技术的应用场景十分广泛。