超声破解污泥对硝酸盐还原酶活力的影响

第３１卷第９期　２０１５年５月　中国给水排水　

ＣＨＩＮＡ　ＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　Ｖｏｌ＿３１　Ｎｏ．９　

Ｍａｖ　２０１５　

超声破解污泥对硝酸盐还原酶活力的影响　刘　琦　，　路立　，　王　芬　，　汪　泳。，　季　民　（１．天津大学环境科学与工程学院，天津３０００７２；２．天津市城市规划设计研究院，天津　３００２０１；３．中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津３０００７４）　

摘要：　硝酸盐还原酶是生物脱氮过程中最为重要的一种酶，而超声波预处理活性污泥可改　变酶促反应速率。采用超声破解污泥，研究了探头式超声反应器在控温与未控温条件下硝酸盐还　原酶活力的变化。研究发现，未控温条件下，采用低声能密度（０．４８　ｋＷ／Ｌ）破解污泥，硝酸盐还原　酶活力随破解时间的延长而上升，此时絮体尺寸减小为其主要作用；在０．９６和１．４４　ｋＷ／Ｌ声能密　度下破解污泥，随超声破解时间的延长，硝酸盐还原酶活力先上升后下降，此时絮体尺寸减小、温度　上升与细胞膜破裂作用同时存在；在高声能密度条件下破解污泥，由于温度上升过大会使硝酸盐还　原酶彻底失活，温度成为影响硝酸盐还原酶活力的关键因素。另外，采用槽式超声反应器考察了超　声频率对硝酸盐还原酶活力的影响。研究发现，在相同比能下，硝酸盐还原酶活力受频率的影响较　大，超声频率为２０　ｋＨｚ有利于增加硝酸盐还原酶活力。　关键词：　声能密度；　超声频率；　温度；　硝酸盐还原酶活力　中图分类号：Ｘ７０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４６０２（２０１５）０９—００１５—０４　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉ０ｎ　ｏｆ　Ｓｌｕｄｇｅ　ｏｎ　Ｎｉｔｒａｔｅ　ＬＩＵ　Ｑｉ　，ＬＵ　Ｌｉ　，ＷＡＮＧ　Ｆｅｎ　，ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ　，　Ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　ＪＩ　Ｍｉｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｉｔｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，Ｔｉａｎｆｉｎ　３００２０１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｓｌｕｄｇｅ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｅｎｚｙｍａｔｉｃ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ，ｗｈｉｌｅ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅ—　ｄｕｃｔａｓｅ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｎｚｙｍｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｌａｎｔ．　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｌｕｄｇｅ　ａｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａ—　ｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｐｒｏｂｅ　ｔｙｐｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｓｌｕｄｇｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　０．４８　ｋＷ／Ｌ　ａｔ　ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｗｏｕｌｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｗｉｔｈ　ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ．Ｕｎｄｅｒ　ｓｕｃｈ　ａ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎ，ｕｈｒａｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｆｌｏｅ　ｓｉｚｅ．Ｗｈｅｎ　ｓｌｕｄｇｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｈｉ【ｇｈ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｓｕｃｈ　ａｓ　０．９６　ｋＷ／Ｌ　ａｎｄ　１．４４　ｋＷ／Ｌ　ａｔ　ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃ—　ｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｗｏｕｌｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｆｉｒｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃａｓｅ，ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｆｌｏｃ　ｓｉｚｅ，ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｒｅａｋａｇｅ　ｏｆ　ｃｅｌｌ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｗｈｅｎ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｕｌｔｒａ－　ｓｏｎｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｅｃａｍｅ　ｔｈｅ　ｄｏｍｉｎａｎｔ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ，ｂｅ－　ｃａｕｓｅ　ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ　ｈｅａｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗｏｕｌｄ　ｄｅａｃｔｉｖａｔｅ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，　

基金项目：农业部公益性项目（２０１３０３１０１０１Ａ）；　国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２０１２ＡＡ０６３５０２）　通信作者：王芬　Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｆｅｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　第３ｌ卷第９期　中国给水排水　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｎ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｔｒｅｎｃｈ　ｔｙｐｅ　ｕｌ－　ｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｆ０ｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｉｆ　ｓｌｕｄｇｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｉｘｅｄ　ｕｈｒａｓｏｎｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ．ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｂｙ　ｕｈｒａｓｏｎｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ　２０　ｋＨｚ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｔｈｅ　ｉｎ—　ｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ；　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；　ｎｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔａｓｅ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　

硝酸盐还原酶通过酶促反应将硝态氮还原为氮　气，是污水生物脱氮过程中最为重要的一种酶，它的　活力直接影响污水厂的反硝化效率。而超声波用于　污泥预处理时可使酶活力发生变化，因此研究超声　预处理对硝酸盐还原酶活力的影响具有重要而实际　的意义。　笔者采用探头式超声反应器破解污泥，研究了　声能密度为０．４８、０．９６、１．４４、１．９２　ｋＷ／Ｌ及未控制　温度条件下，超声破解对硝酸盐还原酶活力的影响，　以及在１．４４和１．９２　ｋＷ／Ｌ两种声能密度下，控制　破解温度时超声破解对于硝酸盐还原酶活力的影　响。另外，采用槽式超声反应器破解污泥，研究了不　同超声频率下硝酸盐还原酶活力的变化。　１材料与方法　１．１　污泥来源及试验装置　污泥取自天津市某污水处理厂回流污泥井。探　头式超声反应器（见图１）主要由超声波换能器、超　声探头及反应器组成，其输出频率为２０　ｋＨｚ，输出　功率为１２０～１　２００　Ｗ。超声辐照方式为脉冲式，常　压操作。　

隔音箱　空化气泡　

图１　探头式超声发生器装置示意　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｒｏｂｅ　ｔｙｐｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ　槽式超声破解仪（见图２）由三种不同频率的槽　式超声反应器组成，每个超声反应器都包括反应器、　换能器和信号发生器三部分。反应器均为矩形不锈　钢槽，长×宽×高为２００　ｍｍ×１５０　ｍｍ×２００　ｍｍ。　每个反应器底部有两个相同频率和功率的换能器，　频率为２０　ｋＨｚ，功率为１００　Ｗ×２；频率为２８　ｋＨｚ，功　率为８０　Ｗ×２；频率为４０　ｋＨｚ，功率为５０　Ｗ×２。三　个信号发生器对应的频率分别为２０、２８和４０　ｋＨｚ。　反应器　换能器　生器　图２槽式超声发生器装置示意　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆｔｒｅｎｃｈ　ｔｙｐｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅａｃｔｏｒ　１．２试验方法　１．２．１　探头式超声反应器破解污泥　污泥经过４８　ｈ重力浓缩后弃去上清液，放入４　℃冰箱内储存备用，其基本性质：ｐＨ值＝６．７～７．１，　ＴＳ＝３２～３６　ｇ／Ｌ，ＶＳ＝１５．５～１７　Ｌ。　取污泥５００　ｍＬ置于５００　ｍＬ玻璃烧杯中，探头　由上至下垂直伸人污泥，伸入位置为污泥液面下２　ｃｍ，调节超声输出功率至所需的声能密度进行超声　破解，直至所需的作用时间为止。　试验中，考察了声能密度为１．４４和１．９２　ｋＷ／Ｌ　时控制破解温度情况下硝酸盐还原酶活力的变化。　控温破解时，盛放污泥的烧杯置于冰水浴中，以保证　样品温度在破解后不高于３５℃。　１．２．２槽式超声发生器破解污泥　取污泥５００　ｍＬ置于超声波反应槽内，选取所需　超声频率，进行超声破解，至所需要的超声作用时间　为止。　１．３测试项目和方法　Ｔｓ与ＶＳ：重量法　；外层疏松结合的胞外聚合　物（ＬＥＰＳ）和内层紧密结合的胞外聚合物（ＴＥＰＳ）：　见文献Ｅ２］；硝酸盐还原酶活力：改进的土壤中硝酸　盐还原酶活力检测方法。每一酶单位（ＥＵ）定义为　去除１　ｍｇＮ０３－／ｈ；酶活力定义为酶单位与可挥发性　固体浓度之比，单位为ＥＵ／ｇＶＳ。　

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