低强度超声波强化厌氧氨氧化工艺的机理及研究进展

周鹏

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳110168）

1 厌氧氨氧化工艺介绍以及存在的问题

厌氧氨氧化的发现完全改变了了人们对一般理念上氮循环的认识。厌氧氨氧化工艺是荷兰Delft 技术大学Kluyver 生物技术实验室开发的。厌氧氨氧化菌可在缺氧条件下以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,产生N2,这比全程硝化即氨氧化为硝酸盐节省几乎60%以上的爆气量。以氨为电子供体还可节省传统生物脱氮工艺中所需的碳源。与传统的脱氮工艺相比,厌氧氨氧化工艺能耗低,反应效率高,同时无需外加碳源。厌氧氨氮生物氧化技术脱氮是一种全新的低能耗、高效、经济的高氨氮生物氧化脱氮技术,在处理高氨氮的废水方面技术表现优越。厌氧氨氧化反应通过一种特殊的功能菌——厌氧氨氧化菌(Anammox)实现。但是,厌氧氨氧化菌是一种厌氧菌它的生长非常缓慢,细胞生长周期长,对生长环境要求苛刻。通常情况下,细胞增殖速率一般仅有0.0027 h-1,细胞倍增周期一般约为11 天。致使厌氧氨氧化菌的大量富集和繁殖难度较大。厌氧氨氧化工艺的启动缓慢,制约了厌氧氨氧化工艺从实验室向大规模工业化应用的转化。为解决厌氧氨氧化工艺中存在的不足,国内外学者不断努力深入研究厌氧氨氧化强化技术,通过强化工艺提高反应器功能菌活性、优化工艺中的反应条件以及增加反应器的稳定性等多个方面手段来研究和强化该工艺,进而实现厌氧氨氧化工艺的快速启动和反应器的高效运行,推动其在实际科学研究项目中广泛应用。

2 低强度超声波处理技术在微生物领域的应用

2.1 超声波的作用机制。超声是指频率高于20kHz的一种声波,普遍存在于日常环境当中,在各个领域的应用十分广泛。超声的广泛应用和它与其他物质之间相互作用的机制有非常密切关系,在对各种脆性金属材料的超声加工、塑料的焊接、超声探伤和治疗超声波的诊断、医学的治疗、环境的保护等诸多方面都已经有广泛应用。超声在液体中传播时,细胞内部会直接受到超声波机械效应的作用,部分细胞受到的机械效应能在液体中转化为热能,当液体中超声波的强度大到一定的程度时,液体中就会产生空化效应。在对污水的处理中超声波作用的机制被广泛认为主要的有空化效应、热效应和机械效应。Zhang等认为机械效应是生物活性增强的主要因素。2.1.1 空化效应。空化效应是超声波在介质水中传播而产生的一种物理现象。在超声冲击波的作用下,液体的局部高温高压区域可能会暂时地形成若干负压区,产生大量的空穴或者小气泡。但是当超声波强度低时,超声空化的强度低,振动并不剧烈,称为稳态空化。低强度的超声波产生的稳态空化在污水处理方面的应用十分广泛。相反当超声波的强度过高并已经超过某一空化的阈值时,气泡突然发生收缩,破裂后形成许多小气泡,从而对液体产生强烈的冲击和一定的局部高温高压,这种空化的现象称为瞬态空化。瞬态空化的作用会对细菌细胞内膜产生一种永久性的损伤,因而不能直接地应用于废水的生物净化处理。2.1.2 热效应。当声强不变时,介质内温度会先上升到一个数值,随后温度波动渐渐变缓,最后逐渐趋于稳定。这种温度变化现象主要是由热传导作用引起的,液体介质局部受到大量超声波的辐照, 局部液体介质的声吸收不均匀,都会直接造成介质温度的非均匀分布。热传导的相互作用最终会使液体局部介质的温度相同,达到热平衡的状态。液体介质温度升高有利于大大加快液体的化学、物理反应的速率。2.1.3 机械效应。当声强较低时,介质运动会被机械效应增强,有利于增强物质传递速率。这个过程主要发生在生物细胞周围即膜跟细胞壁,细胞质中。微流液体循环会因为超声波机械效应而产生。这利于各种与反应有关的底物进入活性位点, 有利于反应产物在介质当中进行交换,这样生物反应速率会提高。因为有合适强度的超声,细胞中的细胞器会因此旋转。适宜强度的超声波作用于生物细胞会提高细胞的代谢功能,促进了细胞的增殖。

2.2 低强度超声波强化生物处理的机理。生物处理的可以利用超声范围内的超声波一般是低强度超声波。选择一个适宜的超声辐照条件可以有效地改变污水微生物的结构与细胞组分、增加微生物酶的活力、加速细胞的生长、有利于促进菌种富集以及有利于菌种的选择性增值,能够有效地改善和提高对污水生物超声处理的效果.。Lin 等使用功率密度为13.7mW/cm3的超声辐照细胞,样品中检测到的紫草醌从20%左右增加到65%-70%, 部分的原因主要是低强度超声辐照的处理使得细胞膜的通透性明显增加。杨霏认为在有机工业废水中,低强度的超声辐照会直接刺激污水微生物的细胞活性,从而有效地使得混合液污水中的eps 含量明显增加,并且超声辐照会直接刺激细胞分泌蛋白质,减少糖类分泌。

3 低强度超声波强化厌氧氨氧化的效果与机理

3.1 低强度超声波强化厌氧氨氧化的效果。Duan Xiumei 等对厌氧氨氧化菌混和培养物施加低强度超声波,探讨厌氧氨氧化反应最适温度下低强度超声波对厌氧氨氧化菌群活性和脱氮能力的影响。实验的结果表明, 当超声辐照频率为25khz、超声辐照强度为0.3w/cm2、超声辐照持续时间为4min 时,总聚合物中氮的去除效果较之前增加了约25.5%。这种效果一共持续了6 天。 胞外聚合物EPS数据分析表明,在低强度超声波辐照后的24h 内,试样菌群中碳水化合物、蛋白质和总胞外聚合物的增幅最大。实验者并且通过电子显微镜观察超声辐照后厌氧氨氧化菌发现,该菌细胞壁较未处理细胞相比变薄许多同时出现了更多的胞外物质。

3.2 低强度超声波强化厌氧氨氧化机理分析。根据上述实验结果,生物细胞组织结构会受到超声辐照的影响,过高的超声强度、频率或超声连续辐照时间过长都会严重损坏厌氧氨氧化菌细胞的结构,对厌氧氨氧化菌细胞造成永久不可逆的损伤,使厌氧氨氮氧化菌活性明显下降,严重的时会对该菌细胞产生失活影响。合适参数范围的低强度低频率超声间歇辐照更有利于厌氧氨氧化菌活性的提高。这种超声状态辐照可以对细胞产生合适参数强度的超声稳态空化效应,这种稳态空化效应可以对细胞造成暂时可逆的细胞损伤,增强了细胞壁和细胞膜的通透性、加速电子传递和膜内外物质交换。低强低频超声处理可增加生物酶和eps 含量,从而提高厌氧氨氧化菌在细胞增殖的速率。超声处理实验中,有一些研究人员发现, 低强低频的超声处理在强化厌氧氨氧化菌群的过程中会伴随ttc- 脱氢酶和eps 的增加, 可以认为eps 形成是厌氧氨氧化菌在低频超声连续辐照的条件下自我再生保护的策略,通过这一保护过程厌氧氨氧化菌活性和对不良生长环境的适应和耐受能力均得到了提高, 工艺总体的运行效果和反应器效能也都得到了大幅度的强化。

4 结论

厌氧氨氧化菌对周围环境敏感、世代时间通常为11 天,这些不利因素使厌氧氨氧化工艺启动周期过长,导致其难以在实际工程中应用。所以研究厌氧氨氧化工艺的强化技术有很高的价值。超声波是一种机械波,超声波在传播时,方向性强,在水中的传递效果良好。与其他强化技术相比例如添加铁元素、添加氧化石墨烯更加的环保,易于控制,方便在原有设备基础上进行改造。使用成本低,经济效益高。因而有很高的研究价值。低强度超声波强化厌氧氨氧化工艺在于为该菌提供最佳的生长代谢条件, 促进厌氧氨氧化菌新陈代谢,通过物理效应改变了细菌自身的属性与结构,进而加快厌氧氨氧化工艺启动速度,提高了运行效能,加强了该工艺对不良环境的抵抗能力。 虽然这项强化工艺已取得一定的研究成果, 但仍有一些问题需要进一步研究:4.1 低强度超声波强化厌氧氨氧化技术的详细机理有待进一步被解释。目前常见研究仅仅是展示了强化结果,对具体的如何强化只是做出了初步讨论。还缺少更进一步的研究。在低强度超声波强化厌氧氨氧化工艺的过程中具体哪些关键酶收到了影响,以及细胞发生的生理变化还不明确。4.2 低强度超声波强化厌氧氨氧化技术与其他强化技术,如添加铁元素、外加磁场或电场等是否存在协同作用有待研究。4.3 低强度超声波强化厌氧氨氧化技术能否在工程当中应用有待研究。目前这种强化技术在实验室的小型装置中被证实有效,当应用到实际工程时可能会有一些问题出现。这种经济效益很高的强化技术能否在实际工程当中进行应用还需要更多的尝试与研究。