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磁电诱导对厌氧氨氧化菌脱氮效率的影响初报


作者:刘成良
摘要:目的:为了解决厌氧氨氧化菌培养过程中出现的颗粒死亡和膜死亡问题,实现厌氧氨氧化菌的持续生长,本研究采用磁电诱导技术对退化的厌氧氨氧化菌进行磁电诱导以提高其活性。方法:研究了在恒定电磁场(4.0 V m-1和56 mT)作用下厌氧氨氧化菌的脱氮效率,以未经磁电诱导的为对照。以脱氮效率反映厌氧氨氧化菌的活性。主要测定了厌氧氨氧化菌作用下出水NH4_-N, NO2--N和TN随时间的变化。结果:经过153 h的磁电诱导处理,厌氧氨氧化菌对NH4_-N脱除率为67.30%,比对照提高25.77%;NO2--N和TN的相应值分别为93.51%和14.84%;70.16%和8.00%。结论:磁电诱导技术可以有效的提高厌氧氨氧化菌的活性,未来需进一步优化磁电诱导参数,以达到更好的提升效果。
关键词:磁电诱导;厌氧氨氧化菌;脱氮效率
前言
生物体一般因有生物电或含磁性物质而具有磁性,(电)磁场对于磁性物质会产生力的作用。因此,外加(电)磁场可以对生物的组织和生命活动产生影响,其影响的大小和方向与磁场作用的强度、时间、方式及受体细胞的种类有关[1]。在合适的条件下,(电)磁场能够促进细胞数量增加[2]或促进细胞活性物质的增加[3],从而提高有机体的代谢。(电)磁场对生物体的作用主要集中在生物医学领域[4-6],在污水生物治理领域的较少[7-10],在生物脱氮方面的更少。
荷兰Delft大学对厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,Anammox)菌的发现和研究,以及在DOKHAVEN(2002年)的成功应用,成为生物脱氮研究历史上的新的里程碑[11, 12]。该工艺主要是在厌氧或缺氧的环境中,厌氧氨氧菌(Anammox)以NH4+为电子供体,以NO2-或NO3-为电子受体,将NH4_、NO2-和NO3-转化为氮气释放到空气,该过程无需外加有机碳源,无需曝气,是一种节能、高效、环保的生物脱氮工艺[13-15]。国外众多专家学者认为该工艺是最经济有效的脱氮手段之一,值得进一步的深入研究。然而,厌氧氨氧化菌培养一段时间后,一般会出现颗粒死亡或膜死亡的现象;并且,Anammox菌生长缓慢,倍增时间长(11 d) [16, 17],这都大大的影响了Anammox菌的实际应用。为了解决厌氧氨氧化菌的退化问题,实现厌氧氨氧化菌持续增长,保障厌氧氨氧化工艺实际应用中菌种数量,本研究采用自制的磁电诱导装置作用于Anammox菌,以未经磁电诱导的Anammox菌为对照,探讨磁电诱导是否能够提高Anammox菌的脱氮效率,并以此表明该手段可以提高Anammox菌的活性,以期为进一步研究磁电诱导技术在Anammox菌的活化提供理论依据,同时为磁电诱导技术在污水处理中的应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验装置及配水
本研究采用自行设计和制造的磁电诱导装置,根据恒定电压产生恒定电场,恒定电流产生恒定磁场的方法,使用恒压源与恒流源控制电压与电流,使相应的电场和磁场分别稳定在4.0V m-1和56 mT。
以模拟废水为试验用水,模拟废水组成如Table 1所示,其中NH4_-N、NO2--N和NO3--N的浓度相当于139、114和0 mg L -1。试验采用一次性进水(6L),连续处理160 h。试验共进行7天,前2天每小时取一次样,此后每天早晚8:00取一次样。每次取样5ml用于相关指标的测定。
Table 1 Composition of synthetic wastewater
Composition Concentration/( mgL-1)
(NH4)2SO4 655
NaNO2 562
KHCO3 125
KH2PO4 54
FeSO47H2O 5
EDTA2Na 5
1.2 接种污泥
用于本实验接种的污泥(富含厌氧氨氧化菌)来自桂林电子科技大学生命与环境科学学院水体富营养治理研究室。污泥性状如下:呈红色颗粒和黄褐色颗粒相间,挥发性悬浮固体(VSS)为0.5 gL-1,湿泥比重1.30g cm3,污泥浓度11.2 gL-1。接种时,将2 L污泥直接投入装有模拟废水的实验装置中。考虑到试验采用一次性进水,在培养的过程中营养不断消耗,细菌会因缺乏营养而出现衰退,故接种后立即启动磁电诱导装置。
1.3测定项目与方法
试验以系统的脱氮效率间接反映厌氧氨氧化菌的活性,主要测定了出水中NH4_-N,NO2--N和 NO3--N。氨氮采用石碳酸盐分析方法检测,并以2-羟基联苯作为取代品(APHA, AWWA, WPCF,1995);亚氮采用N-( 1-萘基)乙二胺光度法检测;硝氮采用紫外分光光度法检测,分析的紫外分光光度计型号为U-2010[18]。为方便起见,定义总氮(Total Nitrogen,TN)为NH4_-N、NO2--N与NO3--N之和。
2 结果
Anammox脱氮效率如Fig.1所示。模拟废水NH4_-N初始浓度为139 mgL -1,在处理前的14 h,对照的NH4_-N去除率略高于处理(0.00% - 13.19%);15 h后,对照的去除率逐渐升高,这种趋势一直维持到实验结束。试验至第153 h,经磁电诱导处理的NH4_-N,其去除率为67.30%,对照的相应值为53.512%。
模拟废水NO2--N初始浓度为114 mgL -1。总的来说,处理的NO2--N脱氮效率高于对照。试验结束时,处理的NO2--N脱除率为93.51%,比对照的相应值提高了14.84%;TN的相应值分别是70.16%和8.00%。试验过程中,NH4_-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比远离其理论值1∶1.32∶0.26.[19]。
Fig.1 Effects of magnetic electricity inductive effect on nitrogen removal efficiency of the Anammox (A:NH4_-N;B:NO2--N;C:TN)
3 讨论
近年来,随着生物技术和环境工程的不断发展,(电)磁场生物效应在环境工程中的应用变得更加广泛和深入。本研究将磁电诱导与污水处理相结合,采用一次性进水,在电场和磁场分别稳定在4.0V m-1和56 mT的条件下,探讨了Anammox的脱氮效率。
研究结果表明,磁电诱导技术作为一种生物诱导技术,确实能够提高Anammox菌的脱氮效率。实验结束时,处理的NH4_-N去除率为67.30%,比对照提高25.77%;NO2--N和TN的相应值分别为93.51%和14.84%;70.16%和8.00%。国内外一些研究也表明,在合适的条件下,(电)磁场能够通过提高细菌的数量或者活性物质的浓度,从而提高其处理污水的能力。如刘建荣等[20]在厌氧流化床中投加磁粉形成稳恒弱磁场,可以对微生物产生正的磁生物效应,从而提高生化反应速率;冯霞的研究表明,当直流磁场强度为60GS,磁场作用时间为5分钟时,或者磁场强度为50GS,磁场作用时间为10分钟时,磁场对活性污泥有明显的强化作用[21];Yavuz和Ccedil;elebi通过增加磁场强度,活性废水处理的底质去除率先增长后降低,17.8 mT直流恒定电磁场不仅提高了微生物的生物量,而且提高了活性污泥的处理能力[4];Jung和Sofer 的研究表明将微生物进行磁场驯化,可以引起生物降解的提高,且其降解速率是磁场强度和作用时间的函数[22]。
虽然磁电诱导促进了Anammox菌的脱氮效率,但在整个实验过程中NH4_-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比远离其理论值1∶1.32∶0.26[19]。可能是试验为一次性进水,并不是Anammox菌理想的反应条件。未来将要重点研究磁电诱导参数的变化以及不同工艺条件对Anammox菌脱效率的影响,以进一步提高脱氮效率。同时,使NH4_-N和NO2--N的脱除质量与NO3--N的生成质量比接近理论值,从而节约处理成本。
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