低强度超声对短程硝化污泥活性的影响唐欣

第１７卷第１期去全与环堍学板Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２０１７年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＦｅｂ．，２０１７文章编号：１００９￣６０９４（２０１７）０１＞０２６７＊０６化反应来说，反应过程延长并增加能量消耗。因此现有的研ａｓｆ＊＝±ｖ－ｔａｓａｖ究多数是通过对短程硝化菌和亚硝酸盐氧化菌生存条件差异１Ｋ：５虫度起户对挺Ｔ王帕化２／Ｂ性（如温度、溶解氧浓度、ｐＨ值、游离氨（ｆａ）浓度等）控制，使活性的影响＃短程硝化菌成为优势菌种，最终实现亚硝酸盐的累积［２］。孙洪伟等［３］考察不同浓度ＦＡ对短程硝化过程的影响，发现当唐欣，乔森，周集体ＦＡ质量浓度为Ｉ３．４ｍ＆／Ｌ时，亚硝酸盐累积率升高到（大连理工大学环境学院，工业生态与环境工程教育部９９．５０％，硝酸盐累积率降至〇．５３％。丁文川等⑷试验证明重点实验室，辽宁大连１１６０２４）＾溶解氧从１．２ｔｎｇ／Ｌ降至０＿５ｍｇ／Ｌ时，亚硝酸盐累积量从６０％增加到１００％，总氮去除率提高到８０％以上。摘要：为提髙短程硝化反硝化脱氮效率，采用低强度超声对短程硝近年来，很多研究表明低强度超声（＜２Ｗ／ｃｍ２）［５：ｉ不仅化反应进行强化，通过对比氨氧化率和亚硝酸盐生产量，考察低强度不会破坏微生物细胞完整性，还会增强细胞膜和细胞壁通透超声对短程硝化污泥活性影响。首先，通过对超声能量的优化试验，性，促进基质传递，提高微生物酶活性，加快反应速率［６＿７］，因发现低强度超声能够提升短程硝化污泥反应速率，且超声能量为此超声技术被广泛运用于微生物反应过程中。Ｚｈｅｎｇ等１８１对４３．２〇ｋｊ时氣氧化率和亚硝酸盐生成量最大；然后考察超声能量与污同步硝化反硝化过程施加强度为〇．〇２７Ｗ／ｃｍ２超声，时间为泥浓度的关系。结果翻：１）在相同超声能量（４３．２０ｋｊ）条件下，随２ｈ，发现氣氣去除效率提高７２．８％。丁驰等［９］在低温条件下利用低强度起声强化浸没式膜生物反应器（ＳＭＢＲ）脱氮效率不断提髙；２）保持污泥浓度恒定，增加超声能量，发现在４３．２〇Ｕ由■—丄时短程硝化污泥活性最好，第氧化速率比对照组提髙２５．４２％，继续率’发现超尸波解除了低温对硝化作用的抑制’氨氮去除率由增加能量后去除速率开始下降，願是适宜的能量会增加微生物细胞６５．９４％提升到８４，０１％。多数研究考察低强度超声对生物壁和细胞膜晒透性，加快基质传递和反应速率，提髙微生物活性，但活性影响，重点是对超声强度及超声时间这２个变量分别优当所施加能量超出其所能承受范围，则会对微生物内部产生损害，降化，寻求最佳超声条件，促使爾生物活性最大，提高脱氮效率，低其活性；３）考察超声能量对胞外聚合物浓度和酶活性影响，在而未见文献报道将这２个变量合二为一，变为超声能量，对其４３．２〇ｋｊ条件下，多糖、蛋白质和胞外聚合物（ＥＰＳ）浓度分别提高了进行优化及探究超声能量与污泥浓度之间的关系。Ｉ８．３２％、２６．５４％和２２．〇５％，氨单加氧酶活性增加Ｉ９．８２％。研究表本文主要通过短程硝化污泥反应速率变化，考察超声能明，由于低强度超声作用加快胞外聚合物分泌，增加生物酶活性，进而量与污泥浓度的关系并且进一步探究超声对微生物活性影响促进了短程硝化污泥反应速率。作用机理。试验过程中首先针对超声功率和时间进行优化，选择最佳超声能量；然后重点研究污泥浓度与超声能量之丨司Ａ的关系，并且通过对短程硝化污泥胞外聚合物及氨单加氧酶Ｄ０Ｉ：１０．１３６３７／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－６０９４．２０１７．０１．０５１活性考察更进－步寻求超尸目目量影响微生物活性的原因。〇＾１试验方法与材料随着经济和社会的不断发展，大量含氮废水被排放到环＿境中。传统脱氮工艺存在能耗大、管理困难、经济花费多等缺试验过程中所用短程硝化污泥来自本实验室反应器，氨点，针对这些不足人们不断研发新型脱氮工艺。短程硝化反１＿７ｋｇＭ／（ｍ３’ｄ）ｇ硝化作为新型脱氮工艺，．因能耗低、经济高效，而被广泛运用。水’其主要组分叫則３为〇．５６４３ｗ（氨？■质量浓度为此工艺主要利用短程硝化菌和反硝化菌的共同作用，在好氧丨〇〇？ｇ／Ｌ）’ＮａＣｌ２为１．０ｇ／Ｌ’ＭｇＳ〇４＿７＆０为０．０５ｇ／Ｌ，条件下首先进行硝化反应，短程硝嫌１Ｍ氧作为电子受体，将ＫＨ２Ｐ〇４为ａｃ）７ＷＡ为５？秘０４．７Ｈ２〇为９八氨氮转化为亚硝酸盐，然后在反硝化污泥作用下，以各种有机乙二胺四乙酸（ＥＤＴＡ）为０．１Ａ，微量元素溶液为１？２５基质作为电子供体，亚硝酸盐作为电子受体，将亚硝酸盐转化ｍｉｙＬ，其中ＺｎＳ〇４＿呵０为〇．２７八⑷２？叫〇为〇．１５为氮气，跳过中间亚硝酸盐被氧化为硝酸盐的步骤，从而达ＳＪ■４Ｈ２（）力ａ６２Ｗ力ａ１６八脱氮的目的⑴。反应过程如下：ＮａＭｏ０４．２Ｈ２０为０．１４ｇ／Ｌ，ＮｉＣＩ２．６Ｈ２０为０．１２ｇ／Ｌ’ＮＨ；＋１．５０２＿——＞－Ｎ０２＂＋Ｈ２０＋２Ｈ＋ＮａＳｅ０４？１０Ｈ２Ｏ为０．１３ｇ／Ｌ，Ｈ３Ｂ０４为０．００９ｇ／Ｌ，２ＮＯ；＋ＣＨ２ＯＨ——Ｋ３Ｎ２＋Ｈ２０＋Ｃ０２＋２０Ｈ－ＮａＷ０４．２Ｈ２０为０？０５ｇ／Ｌ，ＥＤＴＡ为９．３８ｇ／Ｌ［１０］。由反应式看出，为保证短程硝化反硝化工艺的顺利进行，＾＿＿关键是加快硝化反应过程，实现亚麵盐的快速生成。酿化污泥从反应器中取ｔｉｉ后用清洗液清＇冼３次，硝化过程中不仅有短程硝化麵存在，也有亚硝酸盐氧化》目的是去除残留氮素，避免对试验干扰。将清洗过的污泥离的存在，会将亚硝酸盐转化为硝酸盐，产生的硝酸盐对于反硝以１００００ｒ／ｍｉｎ，１０ｍｉｎ），弃去上清液。称取６ｇ，放人２５０ｍＬ锥形瓶中，然后向锥形瓶中加人１〇〇ｍＬ培养基。培养基＊收稿日期．２０１５－０２－１１中氨氮质量浓度为１〇〇ｍｇ／Ｌ。ｐＨ值控制在７．５￣８．０，ＤＯ质作者简介：脈，硕士研究生，从事环境微生物学研究；乔森（通信量浓度为１，５￣２ｍｇ／Ｌ’将含有污泥和培养基的锥形瓶放于作者），副教授，博士，从事水处理技术研究，ＫＱ－２００ＤＢ超声清洗仪中，加以超声处理后取出，放于水浴ｍａｉｌ．ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。摇床中。摇床温度为（３５±１）ｔ，转速为１３〇ｒ／ｍｉｎ，反应时基金项目：国家自然科学基金项目（２１３７７０１４）间为４ｈ，ｌｈ取１次样品并且调节ｐＨ值到７．５￣８．０。将样２６７Ｖｄ．１７Ｎｏ．１去全与坏境学板第１７卷第１期品滤过０．２２ｊｊｕｎ孔径过滤器，分析ＮＨ４＋－Ｎ、Ｎ０２－－Ｎ、得出短程硝化菌平均相对丰度为９１．３３％，结果见图１。此试ＮＯ，－－Ｎ浓度。验结果ｉＥＢ月扣；ｉＳ试；验中利《的±￥菌群力Ｓ程１．３试验装置２．２超声条件优化ＫＱ－２００ＤＢ超声清洗仪用于对短程硝化反应体系进行在低强度超声处理短程硝化污泥过程中，超声功率和超超声处理。此仪器超声频率固定为２５ｋＨｚ，超声功率可设置声暴露时间是２个重要的因素，它们影响短程硝化过程中短范围为４０￣１５０Ｗ，超声时间可设置范围为１￣９９ｍｉｎ。试验程硝化污泥活性，因此试验首先对超声条件进行优化。参照过程中，超声功率分别设为〇、６〇Ｗ、９０Ｗ、１２０Ｗ、１５０Ｗ，超文献［１８］，选择４个超声功率，分别为６０Ｗ、９０Ｗ、１２０Ｗ、声时间设为０、２ｍｉｎ、４ｍｉｎ、６ｍｉｎ、８ｍｉｎ、１０ｍｉｎ，进彳了正交试】５０Ｗ，超尸时间都为８ｍｉｎ，每个试验条件下做３组平行试验。与对照试验（未经超声）相比，经过超声处理的短程硝化１．４分析项目及测量方法污泥氨氧化速率明显提高（图２（ａ））。随着超声功率增加，短Ｎ０２－＿Ｎ和Ｎ０３＿－Ｎ浓度测定采用离子交换色谱法（ＩＣＳ程硝化污泥活性有所增加，在超声功率为９０Ｗ条件下，氨氧化速率达到最大，与对照组相比提高２５．４２％；超声功率从９０（ＭＬＳＳ）和可挥发性悬浮固体浓度（ＭＬＶＳＳ）按标准方法测Ｗ囊增加到况Ｗ时，短麵化污泥活性并没有持续提定［＂：；溶解氧（丨）〇）浓度采用溶解氧分析仪（５５〇ａ，ｙｓｉ，美国）测定；ｐＨ值采用ｐＨ汁叩皿，梅特勒托利多，瑞士）泖］在批试试验过程中未检测到硝酸盐，氨氮完全转换为亚硝定。酸盐。亚麵盐氮浓麵超卢鱗增Ｗ增加，当超声卿增力口１５功能菌群检测到９０Ｗ时，亚硝酸盐氮质量浓丨｜为（１１６．７３±０．５６）ｍｇ／Ｌ，比对細荧光原位杂交（１？＇丨ＳＨ）技术检测试验过程中短程Ｊｉ肖照提高２４３１％；继续增加超声功＿１２０Ｗ时’亚硝酸盐＊■质？化菌群相神度。ＦＩＳＨ检测中細２种特异性探针，其中，＆浓度贿持续增加，雜呈现１＾關势，酿然比雜组尚出菌探针翻序列为５，－ＧＣＴＧＣＣＴＣＣＣＧＴＡＧＧＡＧＴ－３，，焚光染丨５．９５％；当超声功率为１５０Ｗ，亚硝酸盐氮质Ｍ浓度持续降低料为花青素３（Ｃｙ３），激发波长和发射波长分别为５７０ｎｍ和（图２（ｂ））。可见，亚硝酸盐生成量变化趋势与氨氧化速率相似’６５０ｎｍ，呈红色［１２；短程硝化菌的特征性撕細序列为５。Ｗ；ＣＧＣＣＡＴＴＧＴＡＴＴＡＣＧＴＧＴＧＡ－３，，荧光染料是花青素５丨１｜试验结果断适良的低强度超；不仅＋会破坏微１．．物（Ｃｙ５），激发波长和发射波长分别为６４６ｎｍ和６６４削，呈蓝＿结构，反而可能会通过超声辐射增加污泥比表面积和渗色［１２：。样品经过与探针染色杂交后，采用激光共聚焦显微镜透性，加快基质传递，促进细胞与基质接触机会，提高微卞物（ＦＶ１＿，奥林巴斯，Ｕ本）进行观察并照相，每个杂交样品观活性〖＞还有研究表明，低强度超声会改变细ｆ表面电察１０个不剛丽，ＩＵ魏悲力紐獅，糊歷麵ｋ，加髓生物找翻，从麵■駐＿率。但若像分析软件（ＩｒｍｇｅＰｒｏ－Ｐｌｕｓ６．０）计算其丰度。超过这－超声功率’微生物的酶活性和细胞的存活力下降’因Ｌ６微生物胞外聚合物提取及化学分析此该特定超声功雜称为“临界失活声强，可见．超声功短程硝化污酣品胞外聚合物棚鴨ＮａＱＨ方法帛对微物储重要ｆ遗较小的超＾功率无細微生物表进行提取；多糖物质浓度采用雜－ｈ２ｓｇ！１４１方法测定，以葡？及细胞产生作用力’从而不＃或微＆促进＿物活性’ｆＫｄ萄糖作为参照制作标准曲线；蛋白质浓度采用Ｂｒａｄｆｏｒｄ［⑴方生物＾危井适甘的功率不仅不会对法测定，以牛血清白蛋白为参照制作标准曲线；脱氧核糖核酸微＆她祕＊，丨＂Ｊ＾舰瓶Ｉ（ＤＮＡ）采用Ｎａｎｏ－１００超微量核算分析仪测量。销：：《專｜．，獅提取及論活性化学分析：輯＇等擊ｖＪ＇：：＇；■：：，：；；：■：：Ｕ．ｉ：Ｃ＇．Ｖ；！＼：〇－Ｉ：Ｓ＇Ｕ；＇■：〇ｍｍ？Ｉ＾＾＇？＾４，＾＞＾＞１，４；１（：），取｜：清液于４＜£１＾保存＞＇粗酶中氨竽加氧酶＇（ＡｍｍｏｎｉａＭｏｎｏｏｘｙｇｅｎａｓｅ，ＡＭＯ）活性依据Ｊｕｌｉｅｔｔｅ等１１７提出（ａ）总菌（ｂ）短程硝化菌方法测定。ａｍｏ活性通过测定单位时间里亚硝酸盐生成量表示，１１活鮮位为｜ＪＬｍｏｌ／（ＬＮＯ；－Ｎ？ｍｇ蛋白？ｍｉｎ）。２结果与讨论２．１功能菌群分布＿为使微生物分布可视化及了解目标菌群丰度，采用荧光原