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        磁電誘導(dǎo)對厭氧氨氧化菌脫氮效率的影響初報

        2014-12-02 08:28:56劉可慧蔣永榮文麒麟黎海清伍耀嬋劉成良
        環(huán)境與生活 2014年20期
        關(guān)鍵詞:磁電磁場污泥

        文/劉可慧 蔣永榮 文麒麟 黎海清 伍耀嬋 劉成良

        前言

        生物體一般因有生物電或含磁性物質(zhì)而具有磁性,(電)磁場對于磁性物質(zhì)會產(chǎn)生力的作用。因此,外加(電)磁場可以對生物的組織和生命活動產(chǎn)生影響,其影響的大小和方向與磁場作用的強度、時間、方式及受體細胞的種類有關(guān)。在合適的條件下,(電)磁場能夠促進細胞數(shù)量增加或促進細胞活性物質(zhì)的增加[3],從而提高有機體的代謝。(電)磁場對生物體的作用主要集中在生物醫(yī)學領(lǐng)域,在污水生物治理領(lǐng)域的較少,在生物脫氮方面的更少。

        荷蘭Delft大學對厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,Anammox)菌的發(fā)現(xiàn)和研究,以及在DOKHAVEN(2002年)的成功應(yīng)用,成為生物脫氮研究歷史上的新的里程碑。該工藝主要是在厭氧或缺氧的環(huán)境中,厭氧氨氧菌(Anammox)以NH+4為電子供體,以NO2-或NO3-為電子受體,將NH4+、NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化為氮氣釋放到空氣,該過程無需外加有機碳源,無需曝氣,是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的生物脫氮工藝。國外眾多專家學者認為該工藝是最經(jīng)濟有效的脫氮手段之一,值得進一步的深入研究。然而,厭氧氨氧化菌培養(yǎng)一段時間后,一般會出現(xiàn)顆粒死亡或膜死亡的現(xiàn)象;并且,Anammox菌生長緩慢,倍增時間長(11d) ,這都大大的影響了Anammox菌的實際應(yīng)用。為了解決厭氧氨氧化菌的退化問題,實現(xiàn)厭氧氨氧化菌持續(xù)增長,保障厭氧氨氧化工藝實際應(yīng)用中菌種數(shù)量,本研究采用自制的磁電誘導(dǎo)裝置作用于Anammox菌,以未經(jīng)磁電誘導(dǎo)的Anammox菌為對照,探討磁電誘導(dǎo)是否能夠提高Anammox菌的脫氮效率,并以此表明該手段可以提高Anammox菌的活性,以期為進一步研究磁電誘導(dǎo)技術(shù)在Anammox菌的活化提供理論依據(jù),同時為磁電誘導(dǎo)技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用提供參考。

        材料與方法

        試驗裝置及配水

        本研究采用自行設(shè)計和制造的磁電誘導(dǎo)裝置,根據(jù)恒定電壓產(chǎn)生恒定電場,恒定電流產(chǎn)生恒定磁場的方法,使用恒壓源與恒流源控制電壓與電流,使相應(yīng)的電場和磁場分別穩(wěn)定在4.0Vm-1和56mT。

        以模擬廢水為試驗用水,模擬廢水組成如Table 1所示,其中NH4+-N、NO2--N和NO3--N的濃度相當于139、114和0mgL-1。試驗采用一次性進水(6L),連續(xù)處理160h。試驗共進行7天,前2天每小時取一次樣,此后每天早晚8∶00取一次樣。每次取樣5ml用于相關(guān)指標的測定。

        Table 1 Composition of synthetic wastewater

        接種污泥

        用于本實驗接種的污泥(富含厭氧氨氧化菌)來自桂林電子科技大學生命與環(huán)境科學學院水體富營養(yǎng)治理研究室。污泥性狀如下:呈紅色顆粒和黃褐色顆粒相間,揮發(fā)性懸浮固體(VSS)為0.5g·L-1,濕泥比重1.30gcm3,污泥濃度11.2g·L-1。接種時,將2L污泥直接投入裝有模擬廢水的實驗裝置中。考慮到試驗采用一次性進水,在培養(yǎng)的過程中營養(yǎng)不斷消耗,細菌會因缺乏營養(yǎng)而出現(xiàn)衰退,故接種后立即啟動磁電誘導(dǎo)裝置。

        測定項目與方法

        試驗以系統(tǒng)的脫氮效率間接反映厭氧氨氧化菌的活性,主要測定了出水中NH4+-N,NO2--N和 NO3--N。氨氮采用石碳酸鹽分析方法檢測,并以2-羥基聯(lián)苯作為取代品(APHA,AWWA,WPCF,1995);亞氮采用N-(1-萘基)乙二胺光度法檢測;硝氮采用紫外分光光度法檢測,分析的紫外分光光度計型號為U-2010[18]。為方便起見,定義總氮(Total Nitrogen,TN)為NH4+-N、NO2--N與NO3--N之和。

        結(jié)果

        Anammox脫氮效率如Fig.1所示。模擬廢水NH4+-N初始濃度為139mg·L-1,在處理前的14h,對照的NH4+-N去除率略高于處理(0.00% - 13.19%);15h后,對照的去除率逐漸升高,這種趨勢一直維持到實驗結(jié)束。試驗至第153h,經(jīng)磁電誘導(dǎo)處理的NH4+-N,其去除率為67.30%,對照的相應(yīng)值為53.512%。

        模擬廢水NO2--N初始濃度為114mg·L-1??偟膩碚f,處理的NO2--N脫氮效率高于對照。試驗結(jié)束時,處理的NO2--N脫除率為93.51%,比對照的相應(yīng)值提高了14.84%;TN的相應(yīng)值分別是70.16%和8.00%。試驗過程中,NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠離其理論值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)

        討論

        近年來,隨著生物技術(shù)和環(huán)境工程的不斷發(fā)展,(電)磁場生物效應(yīng)在環(huán)境工程中的應(yīng)用變得更加廣泛和深入。本研究將磁電誘導(dǎo)與污水處理相結(jié)合,采用一次性進水,在電場和磁場分別穩(wěn)定在4.0Vm-1和56mT的條件下,探討了Anammox的脫氮效率。

        研究結(jié)果表明,磁電誘導(dǎo)技術(shù)作為一種生物誘導(dǎo)技術(shù),確實能夠提高Anammox菌的脫氮效率。實驗結(jié)束時,處理的NH4+-N去除率為67.30%,比對照提高25.77%;NO2--N和TN的相應(yīng)值分別為93.51%和14.84%;70.16%和8.00%。國內(nèi)外一些研究也表明,在合適的條件下,(電)磁場能夠通過提高細菌的數(shù)量或者活性物質(zhì)的濃度,從而提高其處理污水的能力。如劉建榮等在厭氧流化床中投加磁粉形成穩(wěn)恒弱磁場,可以對微生物產(chǎn)生正的磁生物效應(yīng),從而提高生化反應(yīng)速率;馮霞的研究表明,當直流磁場強度為60GS,磁場作用時間為5 分鐘時,或者磁場強度為5 0 G S,磁場作用時間為10分鐘時,磁場對活性污泥有明顯的強化作用;Yavuz和Celebi通過增加磁場強度,活性廢水處理的底質(zhì)去除率先增長后降低,17.8mT直流恒定電磁場不僅提高了微生物的生物量,而且提高了活性污泥的處理能力;Jung和Sofer的研究表明將微生物進行磁場馴化,可以引起生物降解的提高,且其降解速率是磁場強度和作用時間的函數(shù)。

        雖然磁電誘導(dǎo)促進了Anammox菌的脫氮效率,但在整個實驗過程中NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比遠離其理論值1∶1.32∶0.26??赡苁窃囼灋橐淮涡赃M水,并不是Anammox菌理想的反應(yīng)條件。

        未來將要重點研究磁電誘導(dǎo)參數(shù)的變化以及不同工藝條件對Anammox菌脫效率的影響,以進一步提高脫氮效率。同時,使NH4+-N和NO2--N的脫除質(zhì)量與NO3--N的生成質(zhì)量比接近理論值,從而節(jié)約處理成本。

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