低强度超声波对短程硝化污泥的影响

2020-05-08任黎晔朱易春张光明连军锋章璋李鑫黄书昌田帅袁佳彬

化工进展 2020年4期

任黎晔，朱易春，张光明，连军锋，章璋，李鑫，黄书昌，田帅，袁佳彬

（1江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2中国人民大学环境学院，北京100872）

1 材料与方法

1.1 反应器的启动与运行

实验所用污泥取自赣州市某污水处理厂。实验由5 个有效容积1L 的序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）构成，其中一个为对照组，其余为超声组，SBR 以480min 为一周期，包括进水5min，好氧/缺氧（30min/30min）交替运行240min[13]，缺氧搅拌120min，静置110min，排水5min，好氧段曝气量0.2L/min[14]。超声组每日使用探头式超声波发生器（JY92-ⅡN）超声处理一次，超声方法为：在排水后，将反应器中全部泥水混合物置于500 mL 烧杯中，加水至500mL，将超声波发生器探头浸入液面下10mm进行超声，超声时间5min，超声频率20kHz，超声1s停1s以防止污泥温度过高，超声组声能密度依次为0.1W/mL、0.3W/mL、0.5W/mL、0.7W/mL，处理后将泥水混合物倒回SBR。

进水化学需氧量（COD）、NH4+-N、总磷（TP）浓度分别为60mg/L、60mg/L、6mg/L，每周期换水率70%，污泥停留时间（sludge retention time，SRT）40天，水温(30±1)℃，起始污泥浓度约3500mg/L。

1.2 检测与计算方法

在反应器运行稳定后再进行AMO[16-17]、NXR活性、SAOR、SNOR[18]、AOR、NOR、EPS浓度的测定。

AMO 与NXR 的提取与活性测定参考Juloette等[16]与Otte等[17]的方法，AMO的活性为单位质量的蛋白质在单位时间内催化的氨氮量，NXR 的活性为单位质量的蛋白质在单位时间内催化的亚硝态氮量，都以μmolN/mg·protein·min 计。LB-EPS 采用超声提取法[19]；TB-EPS 采用热提取法[20]；多糖的测定采用苯酚-硫酸法，标定物质葡萄糖；蛋白质的测定采用考马斯亮蓝法，标定物质牛血清白蛋白；DNA 的测定采用二苯胺比色法，标定物质小牛胸腺DNA。

SAOR（或SNOR）的测定参考Ma 等[18]与林秋健[21]的方法。SAOR（或SNOR）表示单位质量的污泥在单位时间内最大的- N（或- N）氧化量，计算方法如式(1)和式(2)。AOR（或NOR）的测定方法与SAOR（或SNOR）一致，计算方法不同。AOR（或NOR）表示单位容积的污泥在单位时间内最大的（或）氧化量，计算方法如式(3)和式(4)。

2 结果与讨论

2.1 周期性超声处理后的污泥变化

周期性超声处理后，各SBR 的出水水质、短程硝化效果及污泥沉降性能等如表1所示。所有反应器均可以在去除的前提下实现短程硝化，超声组的氨氮去除率和亚硝酸盐积累率（nitrite accumulation rate，NAR）均高于对照组，超声组间有一定差异，但氨氮去除率、NAR 的变化与声能密度之间没有明显的相关性，各反应器的出水硝态氮浓度都很低。对照组的运行情况表明低曝气量和A/O交替的运行方式可以实现短程硝化，与超声组的对比表明超声波的加入提高了短程硝化的效果。超声作用明显减少了污泥量，但不同声能密度之间的污泥量相差不大，微弱的超声波会显著减少污泥量，但随着声能密度的提高，污泥的应激反应也随之提高，因此污泥的MLSS 在0.1～0.7W/mL的声能密度范围内差距不大，超声组污泥最多减少51.36%。此外，低声能密度的超声波引起了严重的污泥膨胀，在加大声能密度后，污泥膨胀逐渐消失，在较高的声能密度下污泥的沉降性能优于对照组，这说明适当的低强度超声作用可以改变污泥表面特性和菌胶团之间的相互作用[22]，提高污泥的沉降性能。

2.2 声能密度对污泥脱氮能力的影响

2.2.1 声能密度对短程硝化关键酶活性的影响

超声组粗酶提取液中蛋白质的浓度普遍高于对照组，但彼此之间相差不大。在不同的声能密度下，AMO 的活性随声能密度先增加再减小后不断增加。NXR 的活性随声能密度不断下降。总体而言，超声波在较宽的声能密度范围内增加了AMO的活性，抑制了NXR 的活性。粗酶提取液中蛋白质的浓度与两种关键酶的活性变化之间不存在显著联系。

表1 不同声能密度下的活性污泥性状与短程硝化效果

图1 粗酶提取液中蛋白质的浓度与AMO、NXR活性

2.2.2 声能密度对短程硝化比脱氮速率和反应器脱氮效率的影响

为了更全面地研究超声波对污泥脱氮能力的影响，分别从单位质量的污泥脱氮能力和单位体积的污泥脱氮能力两个角度分析问题，即比脱氮速率和反应器脱氮效率。不同声能密度下的污泥比脱氮速率与反应器脱氮速率如图2 所示。从比脱氮速率看，微弱的超声波增加了活性污泥系统的SAOR与SNOR，随着声能密度的增加，SAOR 先下降后上升，而SNOR整体呈不断下降趋势；从单位体积的污泥氧化能力看，随着声能密度的增加，污泥的AOR先下降后上升，NOR不断下降。

仅从两种脱氮效果的试验结果看，在0.1W/mL下，超声波促进了AOB活性，即提高了SAOR，另一方面，AOR 的测定结果则表明反应器整体的氨氮降解速率降低了，为了探究两种脱氮速率产生差别的原因，以及它们与酶活性的关系，将超声组酶活性、比脱氮速率、反应器脱氮速率相对于对照组的增长绘入一张图中，如图3 所示。可以看出，AMO 活性与SAOR 的变化呈正相关，AOB 的活性因关键酶活性的提高而提高，但二者的变化趋势与AOR 相差较大；NXR 的活性与NOR 的变化呈正相关，二者与SNOR变化趋势相差较大。

图2 不同声能密度下的SAOR、SNOR与AOR、NOR

据此可以推测：超声波在酶活性的层面促进AOB活性，但由于MLSS的降低，AOB的数量也不断减少，且减少率显著高于MLSS减少率，AMO活性的增长率并不能抵消这种严重的数量削减，因此，尽管超声组的AMO 活性和SAOR 都增加了，但AOR 反而降低了。而NOB 的情况与AOB 相反，NOB数量的减少比例与MLSS减少比例相当，所以当超声波在酶活性层面抑制NOB 活性时，这种影响被同步反映在了NOR 变化上，但SNOR 的变化趋势就与这两者相去甚远，即超声波引起的污泥减少对AOB菌群数量的负面影响大于NOB。

图3 不同声能密度下酶活性、比脱氮速率、反应器脱氮速率相对于对照组的增长比例

由此也可以得出以下结论，超声波可以促进污泥的短程硝化效果，但这种强化效果并不表现为氨氮的氧化速度上，而主要表现在抑制亚硝态氮的氧化上，就反应器整体的氨氮去除速度而言，0.1～0.5W/mL的超声波对氨氮的去除甚至是不利的，但由于超声波对亚硝态氮转化的抑制更为强烈，最后表现为短程硝化效果受到强化。

2.3 声能密度对EPS的影响

声能密度对EPS 的影响将分别从LB-EPS 与TB-EPS的总量与分量（图4）分析。0.1W/mL的超声波会促进LB-EPS 与TB-EPS 的产生，更高的声能密度使得LB-EPS 的含量总体呈现下降趋势，TB-EPS 略有下降，但总体趋于稳定。LB-EPS 中多糖、蛋白质随声能密度先增加后减少，TB-EPS中多糖随声能密度先增加后减少，蛋白质先减少后在声能密度为0.7W/mL 突然增加。这与朱易春等[9]提出的超声波会增加污泥EPS 分泌的实验结果一致，而随着声能密度的增加，超声波对EPS的剥离作用高于EPS的额外分泌作用后，EPS的总量和各分量还是呈递减趋势。各超声组EPS 中的DNA 含量都很少，这说明0.1～0.7W/mL 的长期周期性超声辐照不会产生严重的溶胞作用。

图4 不同声能密度下的EPS变化

超声波对不同的位置和成分的EPS的剥离有很大差别。LB-EPS 比TB-EPS 更易被剥离，多糖比蛋白质更易被剥离，在0.7W/mL处的增加可能是长期筛选的结果。从总EPS的角度分析，与污泥整体结合越松散的EPS 越易被剥离，周期性超声处理后，声能密度越高，筛选出来的EPS就越坚固，微生物就越不易被超声波破坏，这可能是0.7W/mL下污泥仍能保持1000mg/L MLSS以上的原因。