微污染水源水处理中超声波强化生物降解有机污

　　微污染水源水处理中超声波强化生物降解有机污染物研究刘红\何韵华2，张山立、欧阳威1（1.北京师范大学环境科学研究所环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100875，LH64sina.com；2.中国农业大学环境工程系，北京100094）作用。结果表明，通过一定强度的超声波处理，膜生物反应器的生物活性得到增强，反应器有机负荷增加，有机物净化效率提高。通过设置超声波的反应器及其对照的TTC脱氢酶生物活性、进出水的有机物分子量分布的对比试验进一步证明了超声波处理促进了生物活性。通过不同功率的超声波处理表明，功率为10Wf的超声波促进生物作用的效果为明显。经超声波处理后效果能保持24h，可设置超声波处理的时间间隔为24h.本文还分析了超声波促进生物活性的机理。

　　Wood等和Matsuura等'2研究表明，使用低功率的超声波可以提高生物活性，其中采用低强度的超声波辐射能够使生物反应器内办公混合废纸的发酵过程中酵母菌的乙醇产量大化。对于实验室的2L的反应器，研究发现频率为43kHz，功率为29W/L的能量输出的超声波作用能够通过刺激细胞密度大化从而降低溶解的CO2浓度。O.Schlafer等13‘4采用超声强化生化处理食品废水，通过频率25kHz的1.5W/L佳功率密度的超声波辐射，高可以提高生物降解速率达100，同时发现只有在非常窄的超声强度范围内生物活性可以得到显著提高，太低的超声功率对生物降解速率的提高起不到作用，而施用强度太高的超声波会导致生物活性显著降低，甚至远低于没有超声波作用。对于每个具体的生物工艺，这一窄的超声波功率范围超声波辐射会对染色体的形成产生一定的不利影响，但是随超声波处理结束又会自行恢复，因此超声波在生物反应器中引入要采用间歇辐射。

　　本文对低强度的超声辐射在饮用水膜-生物活tration，BPAC-MF）处理工艺中对生物相的作用进行了研究，并通过试验选择了本工艺中超声波的佳功率、作用时间间隔，探讨了超声波的作用机制。

　　1材料和方法1.1试验装置及参数BPAC-MF系统是生物粉末活性炭与中空纤维需要谨慎地进行优化选择。冯瑞I收穑日期：2003基金项目：国家‘十五“科技攻关项目（2002DFBA0009）乙发现，水污染控制与资源化，微污染饮用水净化。

　　微滤膜组件结合的工艺，系统的流程见。生物活性炭反应器材料为有机玻璃，有效容积为30L，其中活性炭的浓度为24g/L.膜面积1.0m2，膜孔径0. 22Um的中空纤维膜组件置于反应器内。隔板把反应器分成了①和②2个区，膜组件下设多孔曝气管，气泵通过其向反应器提供空气，目的是在膜丝的周围产生扰动，同时为反应器内的微生物供氧和避免PAC沉降。空气的引入可在②区产生向上的气流，形成错流微滤，同时在①区形成下降流。在设置超声波的反应器底部设有超声波换能器，换能器通过电源线与超声波发生电源相联，超声波频率为45kHz，功率可调。对照反应器不设置超声波发生器和超声波换能器。

　　系统内水的水力停留时间保持在1.5h，生物反应器内的溶解氧维持在46mg/L，越膜压常规操作条件下控制在1530kPa.采取间歇操作（运行8min停2min）来控制膜污染。反应器采用PLC自动控制。超声波米取每24h处理20min的时间间隔。

　　1.水箱2.进水泵3. 5.流量计6.超声波换能器7.超声波发生器8.抽吸泵9.出水10.阀门11.负压表12.鼓风机膜生物活性炭反应器处理流程1.2试验过程首先分别向设置超声波的反应器和对照反应器中各加入30L地表水，并分别一次性投加粉末活性炭使反应器中活性炭的浓度为24g/L.反应器在20*C左右间歇进水，培养15d，微生物培养完成后，以20L/h的流量连续运行130d.在功率5W条件下运行40d，10W、5W的条件下分别运行60d和30d.平均每2天取原水水样和2反应器出水水样测试有机物浓度。

　　1.3试验用水及粉末炭试验原水取自官厅水库，试验期间的平均水质究采用的商业用粉末活性炭参数为：湿度<5，碘值900mg/g，亚甲基蓝吸附值150mg/g. 1.4分析和计算方法型溶解氧仪测定。UV254分析方法：水样过0.45Um的滤膜后，采用上海精密仪器厂生产的752型紫外可见分光光度计测定。TOC采用日本岛津TOC-5000型分析仪测定。浊度采用LP~ 2000式浊度分析仪测定。

　　征的有机物分子量分布米用Amy提供的超滤分离法测定。

　　（3）生物活性炭脱氢酶活性的测定试验选用氧化还原性有机染料2，3，5氯化三苯基四氮唑（2，3，呼吸中的终受氢体。TTC试剂被还原后由无色转变为红色。

　　首先取生物活性炭混合液50mL于100mL的离心管中，以4000r/min的速度离心10min，弃去上清液，加10mL灭菌后的蒸馏水充分洗涤后离心弃去上清液。然后加蒸馏水5mL制成，生物活性炭悬浮液备用。在2组带塞的离心管内分别加入以下材料与试剂：对照和样品组分别加入生物活性炭悬浮液缓冲液1.5mL，Na2SO3液0.5mL，样品组再加入基质、TTC溶液0.5mL，对照组加入蒸馏水1.0mL.样品试管摇匀后置于黑布袋内，立即放入37*C恒温水浴锅内，轻轻摇动，记录时间，反应4h.对照组试管在加完试剂后立即加一滴浓硫酸，样品管在反应结束后加一滴浓硫酸终止反应。在对照管与样品管中各加入乙酸乙酯5mL，充分摇，抽提610min.取上清液在485nm波长下比色，记录光密度值。然后根据样品与对照萃取液的吸光值之差查标准曲线，计算出样品的TTC-脱氢酶活性。测定结果以每mL生物活性炭溶液每h还原TTC所生成的TFUg数表示。

　　（4）反应器有机负荷的计算反应器每天的有机负荷（q）定义：=（ci-ce）xQx24/G其中，Ci为进水CODMn浓度（mg/L）；Ce为出水CODMn浓度（mg/L）；Q为进水流量（L/h）；G为反应器生物活性炭量（g）。

　　（5）有机物去除率提高的百分比（Re）的计算186yg/L.研有机物去除率提高的百分比（Re）的定。

　　义：3期环境科学其中，Rs为设置超声波的反应器的有机物净化效率；Rc为对照反应器的有机物净化效率。

　　2试验结果与讨论2.1超声波作用时间间隔的选择显示了经10W的超声波处理20min后Re随时间的变化。可以看出，在前4h处理效率增高，但提高的效果逐渐减弱，到5h降至低，随后效率又逐渐提高，到16h提高得效果为明显，接着效果又开始下降。超声波对生物的作用体现在2个方面，一是提高传质速度，二是促进细胞酶的分泌及变异。反应器内溶液经超声波辐射后，首先超声波稳态空化可以增强液体介质的质点运动，加速生物反应器中的物质传递，并且导致空化气泡周围的细胞壁和细胞膜的击穿和可逆的细胞膜通透性的改变，从而加快细胞内外物质交换、传输和可逆渗透，因此超声波辐射可以提高生物反应的速度。这一效果在超声波辐射后立即表现出来，反映出有机物的净化效率有较大提高，随着超声波停止辐射的时间增长，超声波的这一作用逐渐下降，因而Re随之下降。当细胞繁殖基本完成，开始产生大量酶时，超声波对细胞酶的分泌影响效果为明显地显示出来，酶产量可增加一半以上，超声波通过增加胞外酶的产量使难降解有机物的生物降解效率提高。超声波对胞外酶分泌以及酶变异的影响需要一段时间，因此在该工艺中反映出来5h以后有机物的净化效果又有较大程度的提高，达到顶值后随着时间的延长又逐渐下降。因此，在超声波处理后的24h内反应器对有机物净化效率提高的效果基本能够维持，选择24h超声波处理一次是可行的。

　　超声波处理效果随时间的变化规律曲线有机物的净化效率有一定程度的提高，10W的超声波作用效果较5W更为明显，而经15W的超声波处理后有机物的净化效率反而降低。说明在膜生物反应器工艺净化微污染水的条件下，超声波的功率存在优值，以10W的超声波功率为佳。超声波促进生物活性一般是在低功率情况下，但是功率太低，超声波的作用不是很明显；功率过高，超声波对生物的作用会从促进生物活性转变为抑制甚至损害微生物细胞，因此对于具体的工艺需选择适宜的超声波功率。

　　2.3超声波处理对反应器有机负荷的影响对照和设有超声波的q比较见。可以发现超声波处理后的生物反应器有机负荷率较高。在5W的超声波作用下，q较对照有所增加，当超声波功率提高到10W时，q较对照增加得更为明显，再一次说明在本工艺中，10W的超声波作用较5W更能达到促进生物作用的效果，使生物活性增强，因此有机负荷率显著增加。

　　会设置超声波反应器的▲对照反应器有机负荷有机负荷设置超声波的反应器与对照反应器生物有机负荷比较2.4超声波对生物活性炭TTC-脱氢酶活性的影响实验测定了10W超声波处理的反应器和对照2.2超声波功率的选择中的生物活性炭溶液的TTC-脱氢酶活性。因为在经频率为45kHz，不同功率的超声波处理后Re有机物的分解过程中，脱氢是生物氧化的重要环节，的比较见对比可以看出，5W的超声波处理后在脱氢酶的作用下，这一反应一经发生，TTC便会立刻还原，发生显色反应生成TF.单位体积样品在单位时间内产生的TF愈多，说明TTC-脱氢酶活性愈高。因此，可以通过检测生物活性炭TTC-脱氢酶活性来推断超声波处理对生物活性的提高效果。试验结果表明，设置超声波的反应器内生物活性炭的TTC-脱氢酶活性为3. *h），较对照反应器提高48.78，说明低强度的超声辐射可以提高膜生物反应器中的生物活性炭活性。

　　25超声波对反应器出水中有机物分子量的影响表1给出了进水和设有超声波反应器及其对照的出水中有机物的分子量分布（AMSD）的试验结果。设置超声波的反应器出水小分子物质（相对分子质量< 4000）比例为0，对照为29.41，由于生物降解作用是小分子物质去除的主要因素，说明设置超声波的反应器中生物活性炭的净化效果更好。

　　表1进水和设有超声波反应器及其对照的出水中有机物的分子量分布/设有超声波的反应器对照反应器26超声波在膜生物反应器中促进生物作用的可能机理根据微生物的特性和超声波的特点分析超声波促进生物作用的可能机理包括：（1）超声波稳态空化可以增强液体介质的质点运动，可以加速生物反应器中的物质传递，这一过程发生在细胞壁附近，在超声波作用下振动的气泡，在其界面层周围会产生液体相对于微气流的圆周运动，这对反应底物进入酶催化的活性部位及产物进入介质中的传质有利；并且导致空化气泡周围的细胞壁和细胞膜的击穿和可逆的细胞膜通透性的改变，可加快细胞内外物质交换、传输和可逆渗透。从而超声波处理可以提高生物反应的速度，改变细胞生长速率，提高生物重量。

　　（2）低强度、短周期的超声波处理可促进胞外酶的产率。根据酶的存在部位及在细胞内外的不同，可以分为胞外酶和胞内酶。其中胞外酶能透过细胞，作用于细胞外面的物质，起催化水解的作用。超声波通（3）超声波促进微生物酶产生变异。由于细菌繁殖迅速，体积小，与外界环境联系密切，所以环境条件在短时期内能对菌体产生多次影响，细菌受到物理、化学因素影响后，就会较容易地在机体内产生适应新环境的酶（诱导酶），从而改变原有的特性，即产生了变异。诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意义。

　　超声波通过以上3个方面的综合作用起到促进生物反应器内生物活性的结果。

　　3结论（1）超声波处理效果随时间的变化规律表明，超声波作用基本能够保持24h，超声波的作用时间间隔可以选择24h.（2）功率为10W的超声波在膜生物反应器内提高生物活性的效果为明显。

　　（3）低强度的超声波作用可以在一定程度上提高膜生物反应器的有机物处理负荷，提高处理效率。

　　（4）通过TTC脱氢酶生物活性的研究表明，超声波处理的膜生物反应器内生物活性较对照有所提高。

　　（5）通过进出水的有机物分子量分布研究表明，设置超声波的反应器的生物活性炭的净化效果更加明显。