超声波强化污水生物处理研究_罗忆涵.pdf

第 1 期第 53 卷作者简介：罗忆涵（1995.12），女，汉族，河南鹿邑县人，硕士，平顶山工业职业技术学院，尼龙化工学院，助教，研究方向：水污染控制工程。E-mail：。超声波强化污水生物处理研究罗忆涵，张少栋，任笑笑平顶山工业职业技术学院尼龙化工学院，河南 平顶山 467000摘要：在污水处理实践过程中，研究者发现超声波能够强化污水的生物处理能力，从而提高污水的处理效率。因此文章从超声波强化污水生物处理的研究出发，分析了超声波强化污水生物处理技术的特点及其原理，最后探讨了超声波在强化污水生物处理中的具体应用。关键词：超声波；污水处理；强化生物活性doi：10.3969/j.issn.1001-6678.2023.01.0050引言当前全球环境问题已经十分严重，尤其工业生产带来的污水排放日益增多，为了更好地保护环境，人们处理污水所采取的常用工艺众多，包括厌氧缺氧-好氧工艺（AAO）、折流式厌氧工艺（ABR）、前置反硝化生物脱氮工艺（A0）、循环活性污泥工艺（CASS）、膜生物反应器 工艺（MBR）、奥贝尔氧化沟脱氮除磷工艺（ORBAL）、序批式活性污泥工艺（SBR）、交替式生物处理池工艺（UNITANK）等。1其中，超声波强化污水生物处理法是效果较好、应用较为广泛的一种方法。超声波工艺是在上述各种工艺的基础上在污泥浓缩池或者浓缩的污泥管、生化段污泥管路上增加一条连接污泥浓缩池的管道，污水当中的污泥在流经这条管道之后，经过超声处理达到排放目标，增加超声波管道之后各种污水处理的生物学机理和对污泥处理的效果也将得到改善。这种方式可以有效改善污水中的微生物环境、减少水中污泥，可以提升污泥厌氧消化效率，进而使得污水中的沼气增加，便于后续利用，同时还可以增加污水中的碳源、消除膨胀污泥等，并且通过使用超声波设备能够增强污水中的微生物活性，提升整体的污水降解效率和降解深度。1当前超声波强化污水生物处理的研究现阶段，国内外研究已经证明，低强度的超声波能够提升酶的生物活性、不断刺激细胞的生长、增加细胞的通透性。污水中不同微生物在小于一定功率的超声波中，其酶活力、细胞的存活能力不仅不会受到损坏，并且通过超声波特有的振动、搅拌能够刺激酶的活力，对细胞的生长有一定程度的促进作用。有研究者在实验中发现超声波的处理对于固定化酶和游离酶生产异麦芽低聚糖有一定的影响。在特定的实验条件下，通过添加 50 W 的超声波对生产异麦芽低聚糖进行研究发现，超声波能够显著提升固定化酶的活力，使异麦芽低聚糖的有效成分显著提高。而异麦芽低聚糖主要包含的具有生理功能的分支结构是异麦芽糖、异麦芽三糖、潘糖等，这些成分主要聚集在二糖和三糖当中，超声波的应用能够使二糖和三糖总量增加 7.73%左右。还有学者通过微超声波对脆壁克鲁维氏酵母菊糖酶的发酵动力学进行了研究，他们通过微超声波对细胞培养了 36 h 之后，引入作用功率为 10 W、频率为 20 kHz、间歇时间为 12 h 的超声波，呈现出来的结果表明超声波能够促进菊糖酶的合成，并且胞外酶的产量达到了 312 U/mL，这一结果表明超声波能够使脆壁克鲁维氏酵母菊糖酶的产量提高将近一倍以上，并且能够发现发酵过程中糖的利用率显著提高，在反应完成之后，糖分只剩余0.085%。而在整体发酵过程中，细胞生长趋势、pH并没有出现显著变化，细胞在显微镜观察状态下发酵 72 h 之后仍然保持完好状态，说明了这种低强度的超声波不足以造成细胞破碎。还有学者针对超声第 53 卷第 1 期2023 年 2 月工业微生物Industrial MicrobiologyVol.53 No.1Feb.202313-第 1 期第 53 卷工业微生物波强化污水生物处理进行研究，运用体积为 30 L 的膜生物反应器，在底部放置了一个超声波换能器，然后接通电源线与反应器上的超声波发动装置。在生物反应器连续运行的过程中，将水停留时间设置为1.5 h，将辐照时间设置为 20 min/d 的时间间隔，频率设置为 45 kHz。研究结果显示，当超声波的功率达到 10 W 时，对于污水生物处理的强化效果最佳，对于污水当中最大有机物的去除效率可以增加到50%以上，并且能够使生物处理当中活性炭的 TTC一脱氢酶的活性提升 48.76%，这一研究结果进一步证明了超声波能够显著提升污水处理过程中的微生物活性。此外，国外研究学者进行研究后发现，低频率、低声强超声波能够促进葡萄球菌、假单胞菌以及埃希氏大肠杆菌在聚乙烯表面的附着和生长，加快细菌细胞的生长速率2。2超声波强化污水生物处理技术的特点2.1超声波的干涉特点在线性声学领域中，超声波是满足叠加原理的，指的是两列以上的声波在同一个媒介当中进行传播时，在它们相遇的频段所引起的振动，是各种的波段引起的振动的总和，并且两列波段相遇之后仍然会保持原有的频率、波长和振动方式，延着传播方向独立前行。而当两列相遇的波段的频率相同、固定相位差叠加在一起时，就会产生干涉现象，这种干涉会在波段相遇的区域形成一个固定的声音场空间分布，呈现出某些位置声波较强、某些位置声波较弱的状态。2.2超声波的衍射和共振特点超声波的衍射是惠更斯（Huygens）物理原理的集中体现。惠更斯于 1690 年指出在声波传递媒介当中波动传递到的各个点，其实都是发射声波的一个新波源，此后每一时刻的波阵面都能够通过这些新波源发出的子波段前的包络面发出。超声波的共振特点指的是当入射波与反射波相遇之后，会在相遇区域出现驻波效应。在实验中，研究人员通过一次单向反射，测量出反射面不同距离的各点所呈现的声压和粒子速度的曲线，曲线当中两个临近测量点的最大幅值点及两个相邻的最小幅值点之间的距离都是半个波长，而最大幅值点与其相邻的最小幅值点间的距离则为四分之一波长3。3超声波强化污水生物处理的原理3.1空化原理根据声压强的不同，空化作用可分瞬态空化（声強10 W/cm2）和稳态空化（声强10 W/cm2），超声波在水处理和生物工程中的应用就是利用了超声波的空化作用。4稳态空化指的是超声波在低声强的条件下，空化泡在运动过程中产生的稳定、小幅度脉动的现象，空化泡会以非线性方式在传播介质中连续振动若干个声音周期，在整个振动过程中，空化泡会有规律地增大、缩小，这一过程会带动周围气泡剧烈运动，产生微声流现象。而在进行污水处理时，在一些生物介质中空化泡周围的细胞颗粒会在微声流现象中受到下切引力的作用，出现细胞膜切线方向上的位移，该过程会拉伸附近细胞的细胞膜，使得膜面局部变薄，使细胞与其他细胞在叠加过程中更加通透，加速细胞膜两侧的物质交换、加速污水的净化过程，同时也能加快生物处理剂在污水中的传输。此外，随着声强的不断增加，空化泡的数目和振幅也在不断增加，物质交换的效果越来越显著。3.2损伤效应原理超声波强化污水生物处理技术在应用过程中能够在细胞表面瞬间造成损伤，使细胞壁局部产生破裂，强度较低、辐照时间较短的超声波在细胞表面造成的伤口很小，不容易对污水中应保留的微生物造成伤害，而是便于它们快速完成自我修复，并且在修复过程中，这些酶繁殖得也越来越快，自身新陈代谢的活性增强。研究者在研究过程中对超声波造成的损伤效应进行观察发现，防御反应是植物细胞中的生物和非生物在受到胁迫时产生的机械性反应，反应发生之后会促进细胞的分裂增殖，并且分泌出创伤激素、富羟脯氨酸糖蛋白等。污水中的微生物在受到超声波辐射之后，产生的类似防御反应的生化强化反应一方面能够促进生物净化剂在污水中的处理效果，另一方面也能最大程度地保留污水当中可利用物质。4超声波强化污水生物处理中的应用4.1超声波结合氧化剂超声波结合氧化剂指的是利用超声波使臭氧、14-第 1 期第 53 卷罗忆涵：超声波强化污水生物处理研究环氧乙烷和 NaC1O 等的效果更加突出，让这些氧化剂充分分散和溶解，在反应过程中强化传质效应，产生更多高活性-OH，从而提高这些氧化剂的利用率，减少能耗、节约资源。研究人员在用 22 kHz 的超声波对水中的乙酰甲肢磷溶液声解 60 min 以后，发现污水当中的 COD 的去除率只有 20%，但加入臭氧之后，去除率达到了 90%以上5。4.2超声波结合电解法超声波结合电解法是通过超声波产生的微射流破坏电解或者破坏电解时，产生的电极主体界面上催化剂的滞留层。这样做能够有效强化污染物从液相到反应表层的传质过程，消除了由传质扩散引起的液差极化。此外，超声波还能够让污水当中的有机物在水溶液中充分分散开，从而提升反应器的处理效果。4.3超声波结合生物法传统污水处理的生物方法存在一定的缺陷，但其技术发展已经较为成熟，对于那些污染程度较低、容易生物降解的污水处理效果好，并且随着生物技术的不断发展，一些污水处理剂费用低廉、适用于不同水质。现阶段，将超声波技术与生物处理结合起来应用，首先对那些难以生物降解、毒性较深的水先超声处理进行断环碎链，将那些有海环、有长链大分子的物质降解为体积较小的物质，提高污水整体的可生化降解程度，然后再用生物制剂进行常规处理。65结语综上所述，超声波在污水净化过程中能够显著增强生物处理效果，这不仅体现在增加微生物活性方面，还体现在改善污水的净化效果方面。在北方地区冬季气温较低时，通过超声波辐照来刺激污水当中微生物的活性，能够取得显著效果，而通过超声波强化技术与各种生物处理技术相结合只需要增加超声波辐射处理器，并不需要建设额外的污水处理硬件设施，从而大幅度节省了污水处理的成本。在未来，超声波强化污水生物处理要继续根据超声波技术的原理，开发更加完善的超声波强化污水生物处理流程、工艺设计、参数设计和运行措施。两个领域的研究学者也要研究更加经济、高效的超声波辐射反应器，进一步降低超声波技术在污水处理当中的应用成本。最后应该进一步探索超声波对于细胞、酶、基因、生物大分子的作用机制，更加详细地了解超声波对微生物群的结构所产生的影响，以此为突破口研发更高效的污水处理技术。参考文献1 李俊杰.兔粪基生物炭强化生物滤池污水处理性能研究 J.黑龙江水利科技,2022,50(8):187-191.2 李慧.探索环保工程的污水处理思路及方法 J.皮革制作与环保科技,2020,1(9):34-36.3 罗辉辉,余龙,翟娟,等.超声波协同超滤技术处理油田污水的研究与应用 J.工业水处理,2020,40(6):51-55.4 周鹏,许祥祥,张硕.低温下超声波强度对厌氧氨氧化污水处理工艺性能的影响 J.当代化工研究,2021(6):101-102.5 李鑫,朱易春,连军锋,等.低强度超声波对 ABR 处理低浓度污水效果及污泥特性的影响 J.化工进展,2021,40(11):6401-6408.6 高峰,贠莹,杨秀娜,等.超声波强化技术在化工过程中的应用进展 J.当代石油石化,2022,30(8):22-27.AbstractIn the process of wastewater treatment practice,researchers found that ultrasound can be used to enhance the biologicaltreatment of wastewater and improve the efficiency of wastewater treatment.Therefore,this paper starts from the current research onultrasonic intensified biological treatment of waste water,analyzes the characteristics of wastewater treatment technology and theprinciple of ultrasonic intensified biological treatment of waste water,and finally discusses the application of ultrasonic intensifiedbiologica