周鵬

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽110168）

1 厭氧氨氧化工藝介紹以及存在的問題

厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)完全改變了了人們對(duì)一般理念上氮循環(huán)的認(rèn)識(shí)。厭氧氨氧化工藝是荷蘭Delft 技術(shù)大學(xué)Kluyver 生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。厭氧氨氧化菌可在缺氧條件下以氨為電子供體,亞硝酸鹽為電子受體,產(chǎn)生N2,這比全程硝化即氨氧化為硝酸鹽節(jié)省幾乎60%以上的爆氣量。以氨為電子供體還可節(jié)省傳統(tǒng)生物脫氮工藝中所需的碳源。與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比,厭氧氨氧化工藝能耗低,反應(yīng)效率高,同時(shí)無需外加碳源。厭氧氨氮生物氧化技術(shù)脫氮是一種全新的低能耗、高效、經(jīng)濟(jì)的高氨氮生物氧化脫氮技術(shù),在處理高氨氮的廢水方面技術(shù)表現(xiàn)優(yōu)越。厭氧氨氧化反應(yīng)通過一種特殊的功能菌——厭氧氨氧化菌(Anammox)實(shí)現(xiàn)。但是,厭氧氨氧化菌是一種厭氧菌它的生長非常緩慢,細(xì)胞生長周期長,對(duì)生長環(huán)境要求苛刻。通常情況下,細(xì)胞增殖速率一般僅有0.0027 h-1,細(xì)胞倍增周期一般約為11 天。致使厭氧氨氧化菌的大量富集和繁殖難度較大。厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)緩慢,制約了厭氧氨氧化工藝從實(shí)驗(yàn)室向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。為解決厭氧氨氧化工藝中存在的不足,國內(nèi)外學(xué)者不斷努力深入研究厭氧氨氧化強(qiáng)化技術(shù),通過強(qiáng)化工藝提高反應(yīng)器功能菌活性、優(yōu)化工藝中的反應(yīng)條件以及增加反應(yīng)器的穩(wěn)定性等多個(gè)方面手段來研究和強(qiáng)化該工藝,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的快速啟動(dòng)和反應(yīng)器的高效運(yùn)行,推動(dòng)其在實(shí)際科學(xué)研究項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。

2 低強(qiáng)度超聲波處理技術(shù)在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 超聲波的作用機(jī)制。超聲是指頻率高于20kHz的一種聲波,普遍存在于日常環(huán)境當(dāng)中,在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。超聲的廣泛應(yīng)用和它與其他物質(zhì)之間相互作用的機(jī)制有非常密切關(guān)系,在對(duì)各種脆性金屬材料的超聲加工、塑料的焊接、超聲探傷和治療超聲波的診斷、醫(yī)學(xué)的治療、環(huán)境的保護(hù)等諸多方面都已經(jīng)有廣泛應(yīng)用。超聲在液體中傳播時(shí),細(xì)胞內(nèi)部會(huì)直接受到超聲波機(jī)械效應(yīng)的作用,部分細(xì)胞受到的機(jī)械效應(yīng)能在液體中轉(zhuǎn)化為熱能,當(dāng)液體中超聲波的強(qiáng)度大到一定的程度時(shí),液體中就會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)。在對(duì)污水的處理中超聲波作用的機(jī)制被廣泛認(rèn)為主要的有空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。Zhang等認(rèn)為機(jī)械效應(yīng)是生物活性增強(qiáng)的主要因素。2.1.1 空化效應(yīng)?？栈?yīng)是超聲波在介質(zhì)水中傳播而產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。在超聲沖擊波的作用下,液體的局部高溫高壓區(qū)域可能會(huì)暫時(shí)地形成若干負(fù)壓區(qū),產(chǎn)生大量的空穴或者小氣泡。但是當(dāng)超聲波強(qiáng)度低時(shí),超聲空化的強(qiáng)度低,振動(dòng)并不劇烈,稱為穩(wěn)態(tài)空化。低強(qiáng)度的超聲波產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)空化在污水處理方面的應(yīng)用十分廣泛。相反當(dāng)超聲波的強(qiáng)度過高并已經(jīng)超過某一空化的閾值時(shí),氣泡突然發(fā)生收縮,破裂后形成許多小氣泡,從而對(duì)液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和一定的局部高溫高壓,這種空化的現(xiàn)象稱為瞬態(tài)空化。瞬態(tài)空化的作用會(huì)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)膜產(chǎn)生一種永久性的損傷,因而不能直接地應(yīng)用于廢水的生物凈化處理。2.1.2 熱效應(yīng)。當(dāng)聲強(qiáng)不變時(shí),介質(zhì)內(nèi)溫度會(huì)先上升到一個(gè)數(shù)值,隨后溫度波動(dòng)漸漸變緩,最后逐漸趨于穩(wěn)定。這種溫度變化現(xiàn)象主要是由熱傳導(dǎo)作用引起的,液體介質(zhì)局部受到大量超聲波的輻照, 局部液體介質(zhì)的聲吸收不均勻,都會(huì)直接造成介質(zhì)溫度的非均勻分布。熱傳導(dǎo)的相互作用最終會(huì)使液體局部介質(zhì)的溫度相同,達(dá)到熱平衡的狀態(tài)。液體介質(zhì)溫度升高有利于大大加快液體的化學(xué)、物理反應(yīng)的速率。2.1.3 機(jī)械效應(yīng)。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí),介質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)被機(jī)械效應(yīng)增強(qiáng),有利于增強(qiáng)物質(zhì)傳遞速率。這個(gè)過程主要發(fā)生在生物細(xì)胞周圍即膜跟細(xì)胞壁,細(xì)胞質(zhì)中。微流液體循環(huán)會(huì)因?yàn)槌暡C(jī)械效應(yīng)而產(chǎn)生。這利于各種與反應(yīng)有關(guān)的底物進(jìn)入活性位點(diǎn), 有利于反應(yīng)產(chǎn)物在介質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行交換,這樣生物反應(yīng)速率會(huì)提高。因?yàn)橛泻线m強(qiáng)度的超聲,細(xì)胞中的細(xì)胞器會(huì)因此旋轉(zhuǎn)。適宜強(qiáng)度的超聲波作用于生物細(xì)胞會(huì)提高細(xì)胞的代謝功能,促進(jìn)了細(xì)胞的增殖。

2.2 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化生物處理的機(jī)理。生物處理的可以利用超聲范圍內(nèi)的超聲波一般是低強(qiáng)度超聲波。選擇一個(gè)適宜的超聲輻照條件可以有效地改變污水微生物的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞組分、增加微生物酶的活力、加速細(xì)胞的生長、有利于促進(jìn)菌種富集以及有利于菌種的選擇性增值,能夠有效地改善和提高對(duì)污水生物超聲處理的效果.。Lin 等使用功率密度為13.7mW/cm3的超聲輻照細(xì)胞,樣品中檢測(cè)到的紫草醌從20%左右增加到65%-70%, 部分的原因主要是低強(qiáng)度超聲輻照的處理使得細(xì)胞膜的通透性明顯增加。楊霏認(rèn)為在有機(jī)工業(yè)廢水中,低強(qiáng)度的超聲輻照會(huì)直接刺激污水微生物的細(xì)胞活性,從而有效地使得混合液污水中的eps 含量明顯增加,并且超聲輻照會(huì)直接刺激細(xì)胞分泌蛋白質(zhì),減少糖類分泌。

3 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化的效果與機(jī)理

3.1 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化的效果。Duan Xiumei 等對(duì)厭氧氨氧化菌混和培養(yǎng)物施加低強(qiáng)度超聲波,探討厭氧氨氧化反應(yīng)最適溫度下低強(qiáng)度超聲波對(duì)厭氧氨氧化菌群活性和脫氮能力的影響。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明, 當(dāng)超聲輻照頻率為25khz、超聲輻照強(qiáng)度為0.3w/cm2、超聲輻照持續(xù)時(shí)間為4min 時(shí),總聚合物中氮的去除效果較之前增加了約25.5%。這種效果一共持續(xù)了6 天。 胞外聚合物EPS數(shù)據(jù)分析表明,在低強(qiáng)度超聲波輻照后的24h 內(nèi),試樣菌群中碳水化合物、蛋白質(zhì)和總胞外聚合物的增幅最大。實(shí)驗(yàn)者并且通過電子顯微鏡觀察超聲輻照后厭氧氨氧化菌發(fā)現(xiàn),該菌細(xì)胞壁較未處理細(xì)胞相比變薄許多同時(shí)出現(xiàn)了更多的胞外物質(zhì)。

3.2 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化機(jī)理分析。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,生物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)會(huì)受到超聲輻照的影響,過高的超聲強(qiáng)度、頻率或超聲連續(xù)輻照時(shí)間過長都會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞厭氧氨氧化菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu),對(duì)厭氧氨氧化菌細(xì)胞造成永久不可逆的損傷,使厭氧氨氮氧化菌活性明顯下降,嚴(yán)重的時(shí)會(huì)對(duì)該菌細(xì)胞產(chǎn)生失活影響。合適參數(shù)范圍的低強(qiáng)度低頻率超聲間歇輻照更有利于厭氧氨氧化菌活性的提高。這種超聲狀態(tài)輻照可以對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生合適參數(shù)強(qiáng)度的超聲穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng),這種穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)可以對(duì)細(xì)胞造成暫時(shí)可逆的細(xì)胞損傷,增強(qiáng)了細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性、加速電子傳遞和膜內(nèi)外物質(zhì)交換。低強(qiáng)低頻超聲處理可增加生物酶和eps 含量,從而提高厭氧氨氧化菌在細(xì)胞增殖的速率。超聲處理實(shí)驗(yàn)中,有一些研究人員發(fā)現(xiàn), 低強(qiáng)低頻的超聲處理在強(qiáng)化厭氧氨氧化菌群的過程中會(huì)伴隨ttc- 脫氫酶和eps 的增加, 可以認(rèn)為eps 形成是厭氧氨氧化菌在低頻超聲連續(xù)輻照的條件下自我再生保護(hù)的策略,通過這一保護(hù)過程厭氧氨氧化菌活性和對(duì)不良生長環(huán)境的適應(yīng)和耐受能力均得到了提高, 工藝總體的運(yùn)行效果和反應(yīng)器效能也都得到了大幅度的強(qiáng)化。

4 結(jié)論

厭氧氨氧化菌對(duì)周圍環(huán)境敏感、世代時(shí)間通常為11 天,這些不利因素使厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)周期過長,導(dǎo)致其難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。所以研究厭氧氨氧化工藝的強(qiáng)化技術(shù)有很高的價(jià)值。超聲波是一種機(jī)械波,超聲波在傳播時(shí),方向性強(qiáng),在水中的傳遞效果良好。與其他強(qiáng)化技術(shù)相比例如添加鐵元素、添加氧化石墨烯更加的環(huán)保,易于控制,方便在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。使用成本低,經(jīng)濟(jì)效益高。因而有很高的研究?jī)r(jià)值。低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝在于為該菌提供最佳的生長代謝條件, 促進(jìn)厭氧氨氧化菌新陳代謝,通過物理效應(yīng)改變了細(xì)菌自身的屬性與結(jié)構(gòu),進(jìn)而加快厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)速度,提高了運(yùn)行效能,加強(qiáng)了該工藝對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力。 雖然這項(xiàng)強(qiáng)化工藝已取得一定的研究成果, 但仍有一些問題需要進(jìn)一步研究:4.1 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化技術(shù)的詳細(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步被解釋。目前常見研究?jī)H僅是展示了強(qiáng)化結(jié)果,對(duì)具體的如何強(qiáng)化只是做出了初步討論。還缺少更進(jìn)一步的研究。在低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝的過程中具體哪些關(guān)鍵酶收到了影響,以及細(xì)胞發(fā)生的生理變化還不明確。4.2 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化技術(shù)與其他強(qiáng)化技術(shù),如添加鐵元素、外加磁場(chǎng)或電場(chǎng)等是否存在協(xié)同作用有待研究。4.3 低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化厭氧氨氧化技術(shù)能否在工程當(dāng)中應(yīng)用有待研究。目前這種強(qiáng)化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室的小型裝置中被證實(shí)有效,當(dāng)應(yīng)用到實(shí)際工程時(shí)可能會(huì)有一些問題出現(xiàn)。這種經(jīng)濟(jì)效益很高的強(qiáng)化技術(shù)能否在實(shí)際工程當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用還需要更多的嘗試與研究。