一、厌氧氨氧化工艺介绍以及存在的问题
目前，国内外已有大量研究，将厌氧氨氧化工艺成功应用于对含氮废水的处理。国际上，STROUS等采用具有较大表面积和较好沉降性能的粒径35 mm的玻璃微珠为载体，构建了有效容积为2 L固定床反应器，成功富集了厌氧氨氧化菌。在120 d实验时间中，该反应器NH4+-N平均去除率达到88%。VAN DE GRAAF等也用2.5 L流化床反应器处理模拟废水，在水力停留时间为4.2 h时，NH4+-N、总氮最大容积去除负荷分别达到2.4、4.8kg·N/（m3·d）。我国学者郑平也在高100 cm、直径8 cm、有效容积2.25 L的流化床反应器中采用0.3～0.6 mm的沙子作为载体，用以处理添加亚硝酸盐的城市生活污水，该反应器的氮最高容积去除负荷达到1.8 kg·N/（m3·d），氮平均去除率可达88.49%与传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺优势显著，在绿色循环经济方面具有广阔前景，被认为是高效低耗的生物脱氮新途径。其优势具体如下：（1）厌氧氨氧化工艺仅需单一厌氧反应池，无需设置传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺中的厌氧池、缺氧池、好氧池，工程量小、占地面积小、施工费用低；（2）污水以氨氮和亚硝氮为主时，厌氧氨氧化工艺无需投加外加碳源，碳源费用节省100%；污水以氨氮为主时，厌氧氨氧化工艺仅需投加少量碳源，以通过短程硝化将部分氨氮转化为亚硝氮；（3）污水以氨氮和亚硝氮为主时，厌氧氨氧化工艺无需曝氧，曝气费用节省100%；污水以氨氮为主时，厌氧氨氧化工艺需部分曝气，以通过短程硝化将部分氨氮转化为亚硝氮，曝气费用与硝化-反硝化生物脱氮工艺相比节省30%～60%；（4）与硝化-反硝化生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺污泥产量低，后续污泥处置费用大大降低；(5）厌氧氨氧化工艺流程短、运行维护简单、人力成本低，总体运维费用与传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺相比降低约90%；（6）厌氧氨氧化工艺可直接以亚硝态氮为电子受体，将氨氮氧化为氮气，有效避免了温室气体氧化亚氮的产生，绿色环保。然而作为一种新兴的生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺在理论研究、工程应用等方面也不可避免地面临着一系列亟需解决的问题：首先，以Candidatus Kueneniastuttgartiensis，Candidatus Brocadia anammoxidans，Candidatus Brocadiafulgida及planctomycete KSU-1等为代表的厌氧氨氧化菌生长周期较长，细胞产率较低，仅约0.11g/g（VSS/NH4+-N），污泥驯化、富集所需时间长，相应的工艺启动时间也较长，往往长达数月甚至数年；因此，少量的厌氧氨氧化菌的生物量流失也会显著影响厌氧氨氧化工艺的运行；其次，厌氧氨氧化菌对含氮污染物浓度、有机物浓度、溶解氧（<0.5 mg/L）、温度（33～35℃）、pH（～7）等一系列环境因素要求苛刻，过高或过低的温度和pH均会影响厌氧氨氧化菌的生长：过高的污染物浓度、有机物浓度、溶解氧浓度也将显著抑制厌氧氨氧化菌的活性及工艺的降解效果；同时，公式（1）所示，使用厌氧氨氧化工艺生物脱氮时伴随部分硝态氮生成（降解1 mol氨氮生成0.26 mol硝态氮），使得总氮去除率理论上不足90%（约88%），因此使用该工艺处理高含氮废水时，难以满足日益提高的环境标准。
厌氧氨氧化反应通过一种特殊的功能菌厌氧氨氧化菌(Anammox)实现。但是,厌氧氨氧化菌是一种厌氧菌它的生长非常缓慢,细胞生长周期长,对生长环境要求苛刻。通常情况下,细胞增殖速率一般仅有0.0027 h-1,细胞倍增周期一般约为11天。致使厌氧氨氧化菌的大量富集和繁殖难度较大。厌氧氨氧化工艺的启动缓慢,制约了厌氧氨氧化工艺从实验室向大规模工业化应用的转化。为解决厌氧氨氧化工艺中存在的不足,国内外学者不断努力深入研究厌氧氨氧化强化技术,通过强化工艺提高反应器功能菌活性、优化工艺中的反应条件以及增加反应器的稳定性等多个方面手段来研究和强化该工艺,进而实现厌氧氨氧化工艺的快速启动和反应器的高效运行,推动其在实际科学研究项目中广泛应用。
二、低强度超声波处理技术在微生物领域的应用
2.1超声波的作用机制
超声是指频率高于20kHz的一种声波,普遍存在于日常环境当中,在各个领域的应用十分广泛。超声的广泛应用和它与其他物质之间相互作用的机制有非常密切关系,在对各种脆性金属材料的超声加工、塑料的焊接、超声探伤和治疗超声波的诊断、医学的治疗、环境的保护等诸多方面都已经有广泛应用。超声在液体中传播时,细胞内部会直接受到超声波机械效应的作用,部分细胞受到的机械效应能在液体中转化为热能,当液体中超声波的强度大到一定的程度时,液体中就会产生空化效应。在对污水的处理中超声波作用的机制被广泛认为主要的有空化效应、热效应和机械效应。Zhang等认为机械效应是生物活性增强的主要因素。
2.1.1空化效应
空化效应是超声波在介质水中传播而产生的一种物理现象。在超声冲击波的作用下,液体的局部高温高压区域可能会暂时地形成若干负压区,产生大量的空穴或者小气泡。但是当超声波强度低时,超声空化的强度低,振动并不剧烈,称为稳态空化。低强度的超声波产生的稳态空化在污水处理方面的应用十分广泛。相反当超声波的强度过高并已经超过某一空化的阈值时,气泡突然发生收缩,破裂后形成许多小气泡,从而对液体产生强烈的冲击和一定的局部高温高压,这种空化的现象称为瞬态空化。瞬态空化的作用会对细菌细胞内膜产生一种永久性的损伤,因而不能直接地应用于废水的生物净化处理。
2.1.2热效应
当声强不变时,介质内温度会先上升到一个数值,随后温度波动渐渐变缓,最后逐渐趋于稳定。这种温度变化现象主要是由热传导作用引起的,液体介质局部受到大量超声波的辐照,局部液体介质的声吸收不均匀,都会直接造成介质温度的非均匀分布。热传导的相互作用最终会使液体局部介质的温度相同,达到热平衡的状态。液体介质温度升高有利于大大加快液体的化学、物理反应的速率。
2.1.3机械效应。
当声强较低时,介质运动会被机械效应增强,有利于增强物质传递速率。这个过程主要发生在生物细胞周围即膜跟细胞壁,细胞质中。微流液体循环会因为超声波机械效应而产生。这利于各种与反应有关的底物进入活性位点,有利于反应产物在介质当中进行交换,这样生物反应速率会提高。因为有合适强度的超声,细胞中的细胞器会因此旋转。适宜强度的超声波作用于生物细胞会提高细胞的代谢功能,促进了细胞的增殖。
参考文献
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