超声波对MBR处理低温污水的强化机理

资源与环境化工设计通讯ResourcesandEnvironmentChemicalEngineeringDesignCommunications·220·第44卷第8期2018年8月由于低温对生物的不利影响，我国北方寒冷地区城市污水的生物处理一直面临处理效率低、出水难以达标的困扰[1]。与其他生物处理工艺相比，MBR由于具有单位体积生物持有量大、运行能耗低、高效截留等特点，对处理低温污水具有潜在的优势[2–3]。然而，在低温条件下，生物活性低的问题仍有待解决，成为MBR应用的主要限制因素。研究表明，适当的超声波辐照可以强化生物活性[4]，另有实验研究证实了利用低强度超声强化污水生物处理的可行性[5–6]，因此，可将超声波引入MBR低温处理系统，用于提高微生物的活性。另一方面，当前低温污水处理的强化措施研究较多关注工程条件探索、成果应用，缺乏理论层面的研究，因此有必要从微生物代谢机理角度对超声波强化作用进行研究，进而指导实际工程运行。本文考察低温下超声辐照对MBR系统有机物生物去除效果的影响，并着重探讨超声波对微生物的作用机理，为寒冷地区污水处理实际工程运行与优化提供理论指导。1实验材料与方法1.1实验装置实验装置主要由膜生物反应器、进出水设施和相应控制系统构成。本研究采用两套装置在低温条件下（7~8℃）进行对照实验，其中一个反应器底部设置超声波换能器，实验参数由反应器外的超声波发生器调节控制。超声频率设置为28kHz，功率密度、辐照时间可调节。采用人工模拟污水，主要成分为葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4等，经检测进水COD浓度为350~480mg/L。1.2分析方法COD浓度的测定方法为重铬酸钾法。细胞膜通透性由二乙酸荧光素（FDA）来表征。脱氢酶活性由氧化还原性有机染料2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）作为受氢体与指示剂进行测定。2结果与讨论2.1超声波对MBR处理低温污水的强化效果实验考察了不同超声辐照时间（10min、15min、20min）和功率密度（0.13W/L、0.27W/L、0.4W/L）条件下对生物去除有机物的强化效果。不同条件超声波作用后污水中COD的生物去除率百分比Re变化情况见图1，其中Re为反应器持续运行24h（含超声辐照时间）内的平均值。由图1可知，不同超声波辐照时间下反应器内COD的去除均有提高。考察功率密度影响时，0.27W/L超声波作用下COD去除率提高百分比Re值最高，而0.4W/L与0.13W/L对应的Re值相对较低。由此可知，超声波辐照存在最适条件，且功率密度为0.27W/L、辐照时间为20min的超声波辐照条件下，COD强化去除效果最佳。3025201510500.13W/L0.27W/L0.4W/LRe(%)25min20min15min图1不同条件超声波辐照后COD去除率的提高2.2超声波对低温污水生物处理的强化机制2.2.1超声波对细胞膜通透性的影响FDA进入细胞后可被酶水解为荧光素，荧光强度降低即表明细胞膜有损伤、通透性增加。从图2看出，随超声波辐照时间增长、功率密度增强，FDA荧光强度逐渐减弱，即细胞膜通透性随之提高。这是由于功率密度越大液体中瞬时被激活的空化泡越多，随之产生的激流对细胞膜的瞬时击穿作用越大，从而使细胞膜通透性提高。由此可以解释超声波对生物去除COD的强化作用。前文可知，0.27W/L的超声波作用时COD去除率提高最大，0.4W/L时COD去除的强化效果却有所降低。图2显示细胞膜通透性随超声波强度的提高而增大，这说明功率密度由0.13W/L增大到0.27W/L时，细胞膜通透性的提高有助于细胞膜功能的发挥，且该强度下细胞膜产生微孔、可自我修复，属于可逆性变化；当功率密度增大到0.4W/L时，细胞膜上产生的孔较大而使得细胞不能完成自我修复，发生不可逆改变，从而影响到微生物细胞代谢功能的提高。0.13W/L0.27W/L0.4W/LFDA相对荧光强度(%)25min20min15min0min120.00100.0080.0060.0040.0020.000.00图2超声波对细胞膜通透性的影响摘要：在膜生物反应器（MBR）引入超声波以探讨其对低温污水处理的强化效果与作用机理，结果显示超声辐照可提高COD去除率，且辐照时间为20min、功率密度为0.27W/L时效果最佳。机理研究表明超声波辐照可增强微生物的细胞膜通透性并提高脱氢酶活性，从而提高有机物的降解效果。关键词：低温；膜生物反应器；超声波；机理中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1003–6490（2018）08–0220–02UltrasonicEnhancementMechanismofMBRTreatingLow-temperatureWastewaterWangQiu-ruAbstract