磁电诱导对厌氧氨氧化菌脱氮效率的影响初报

文/刘可慧 蒋永荣 文麒麟 黎海清 伍耀婵 刘成良

前言

生物体一般因有生物电或含磁性物质而具有磁性，（电）磁场对于磁性物质会产生力的作用。因此，外加（电）磁场可以对生物的组织和生命活动产生影响，其影响的大小和方向与磁场作用的强度、时间、方式及受体细胞的种类有关。在合适的条件下，（电）磁场能够促进细胞数量增加或促进细胞活性物质的增加[3]，从而提高有机体的代谢。（电）磁场对生物体的作用主要集中在生物医学领域，在污水生物治理领域的较少，在生物脱氮方面的更少。

荷兰Delft大学对厌氧氨氧化（Anaerobic ammonia oxidation，Anammox）菌的发现和研究，以及在DOKHAVEN（2002年）的成功应用，成为生物脱氮研究历史上的新的里程碑。该工艺主要是在厌氧或缺氧的环境中，厌氧氨氧菌（Anammox）以NH＋4为电子供体，以NO2-或NO3-为电子受体，将NH4+、NO2-和NO3-转化为氮气释放到空气，该过程无需外加有机碳源，无需曝气，是一种节能、高效、环保的生物脱氮工艺。国外众多专家学者认为该工艺是最经济有效的脱氮手段之一，值得进一步的深入研究。然而，厌氧氨氧化菌培养一段时间后，一般会出现颗粒死亡或膜死亡的现象；并且，Anammox菌生长缓慢，倍增时间长（11d） ，这都大大的影响了Anammox菌的实际应用。为了解决厌氧氨氧化菌的退化问题，实现厌氧氨氧化菌持续增长，保障厌氧氨氧化工艺实际应用中菌种数量，本研究采用自制的磁电诱导装置作用于Anammox菌，以未经磁电诱导的Anammox菌为对照，探讨磁电诱导是否能够提高Anammox菌的脱氮效率，并以此表明该手段可以提高Anammox菌的活性，以期为进一步研究磁电诱导技术在Anammox菌的活化提供理论依据，同时为磁电诱导技术在污水处理中的应用提供参考。

材料与方法

试验装置及配水

本研究采用自行设计和制造的磁电诱导装置，根据恒定电压产生恒定电场，恒定电流产生恒定磁场的方法，使用恒压源与恒流源控制电压与电流，使相应的电场和磁场分别稳定在4.0Vm-1和56mT。

以模拟废水为试验用水，模拟废水组成如Table 1所示，其中NH4+-N、NO2--N和NO3--N的浓度相当于139、114和0mgL-1。试验采用一次性进水（6L），连续处理160h。试验共进行7天，前2天每小时取一次样，此后每天早晚8∶00取一次样。每次取样5ml用于相关指标的测定。

Table 1 Composition of synthetic wastewater

接种污泥

用于本实验接种的污泥（富含厌氧氨氧化菌）来自桂林电子科技大学生命与环境科学学院水体富营养治理研究室。污泥性状如下：呈红色颗粒和黄褐色颗粒相间，挥发性悬浮固体（VSS）为0.5g·L-1，湿泥比重1.30gcm3，污泥浓度11.2g·L-1。接种时，将2L污泥直接投入装有模拟废水的实验装置中。考虑到试验采用一次性进水，在培养的过程中营养不断消耗，细菌会因缺乏营养而出现衰退，故接种后立即启动磁电诱导装置。

测定项目与方法

试验以系统的脱氮效率间接反映厌氧氨氧化菌的活性，主要测定了出水中NH4+-N，NO2--N和 NO3--N。氨氮采用石碳酸盐分析方法检测，并以2-羟基联苯作为取代品（APHA，AWWA，WPCF，1995）；亚氮采用N-（1-萘基）乙二胺光度法检测；硝氮采用紫外分光光度法检测，分析的紫外分光光度计型号为U-2010[18]。为方便起见，定义总氮（Total Nitrogen，TN）为NH4+-N、NO2--N与NO3--N之和。

结果

Anammox脱氮效率如Fig.1所示。模拟废水NH4+-N初始浓度为139mg·L-1，在处理前的14h，对照的NH4+-N去除率略高于处理（0.00% - 13.19%）；15h后，对照的去除率逐渐升高，这种趋势一直维持到实验结束。试验至第153h，经磁电诱导处理的NH4+-N，其去除率为67.30%，对照的相应值为53.512%。

模拟废水NO2--N初始浓度为114mg·L-1。总的来说，处理的NO2--N脱氮效率高于对照。试验结束时，处理的NO2--N脱除率为93.51%，比对照的相应值提高了14.84%；TN的相应值分别是70.16%和8.00%。试验过程中，NH4+-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比远离其理论值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)

讨论

近年来，随着生物技术和环境工程的不断发展，（电）磁场生物效应在环境工程中的应用变得更加广泛和深入。本研究将磁电诱导与污水处理相结合，采用一次性进水，在电场和磁场分别稳定在4.0Vm-1和56mT的条件下，探讨了Anammox的脱氮效率。

研究结果表明，磁电诱导技术作为一种生物诱导技术，确实能够提高Anammox菌的脱氮效率。实验结束时，处理的NH4+-N去除率为67.30%，比对照提高25.77%；NO2--N和TN的相应值分别为93.51%和14.84%；70.16%和8.00%。国内外一些研究也表明，在合适的条件下，（电）磁场能够通过提高细菌的数量或者活性物质的浓度，从而提高其处理污水的能力。如刘建荣等在厌氧流化床中投加磁粉形成稳恒弱磁场，可以对微生物产生正的磁生物效应，从而提高生化反应速率；冯霞的研究表明，当直流磁场强度为60GS，磁场作用时间为5 分钟时，或者磁场强度为5 0 G S，磁场作用时间为10分钟时，磁场对活性污泥有明显的强化作用；Yavuz和Celebi通过增加磁场强度，活性废水处理的底质去除率先增长后降低，17.8mT直流恒定电磁场不仅提高了微生物的生物量，而且提高了活性污泥的处理能力；Jung和Sofer的研究表明将微生物进行磁场驯化，可以引起生物降解的提高，且其降解速率是磁场强度和作用时间的函数。

虽然磁电诱导促进了Anammox菌的脱氮效率，但在整个实验过程中NH4+-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比远离其理论值1∶1.32∶0.26。可能是试验为一次性进水，并不是Anammox菌理想的反应条件。

未来将要重点研究磁电诱导参数的变化以及不同工艺条件对Anammox菌脱效率的影响，以进一步提高脱氮效率。同时，使NH4+-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比接近理论值，从而节约处理成本。