低强度超声波强化低浓度污水厌氧生物处理作用机制研究

Low-intensity ultrasound will be applied to the anaerobic treatment of low-strength wastewater, aiming to solve the problems of low efficiency and poor microbial activity. The work will be carried out under ambient temperature, Under varying ultrasonic and operating parameters (i.e., energy density, irradiation time, irradiation cycle, sonicated sludge ratio), the cell membrane permeability, enzymatic activity and sludge growth rate will be investigated to expound the mechanism of ultrasonic improvement of the biologic activity in the anaerobic sludge. Changes of sludge morphology and characteristics, and conversion of the extracellular polymeric substances (EPS) and enzymes will be examined to detect the microcosmic mechanism. The effects of different operating parameters on the specific organic matter degradation rate and microorganism growing rate will be investigated, and the biochemistry kinetics for pollutants degradation will be developed to quantifily characterize the influences of ultrasound. Structure evolution of the microbial community in different compartments of the reactor will be researched, and the effect of such evolution on the pollution degradation and the microbial growth rate will be analyzed to reveal the role of the low-intensity ultrasound in the anaerobic reactor. This project will explicate the theoretical foundation for and to promote the application of ultrasonic/anaerobic wastewater treatment.

针对低浓度污水厌氧生物处理存在污泥活性差、处理效率低的问题，项目采用低强度超声波强化污泥活性，提高污水厌氧处理效率。在常温下，以声能密度、辐照时间、超声间隔周期、一次超声污泥比例等参数考察超声辐照下微生物细胞膜通透性、关键酶活性与污泥生长速率的变化，探讨低强度超声波提高污泥活性的作用机制。分析超声波作用下污泥结构与形态特性、污泥胞外聚合物及生物酶的转化特性，阐明超声波强化厌氧污泥生物活性的微观机制。确定不同条件下反应器有机底物比降解速率及微生物比增值速率的差异及其与辐照参数的关系，建立厌氧生物降解的生物化学动力学方程，实现超声波促进厌氧代谢状态的量化描述。探索反应器中微生物群落结构的演变过程，分析不同微生物群落变化对污水处理效果及微生物增殖系数变化的影响规律，揭示低强度超声波在厌氧反应器中的作用机理，为低强度超声波强化污水厌氧生物处理奠定理论基础。

厌氧生物处理具有能耗低、产泥量少以及产生清洁能源等优点，是实现污水处理节能降耗的有效手段。然而，厌氧生物处理低浓度污水存在污泥活性差、处理效率低等问题。基于低强度超声波可通过加速细胞代谢及生长、促进传质和提高酶活性以增强微生物活性，项目采用低强度超声波强化厌氧污泥活性，从而提高低浓度污水厌氧处理效率。项目开展了低强度超声波强化低浓度污水厌氧生物处理作用机制研究，获得了以下研究结果：①分析了各因素间的关联，发现了超声可以强化ABR处理低浓度污水并明确了最佳超声参数组合；②考察了ABR对COD、TP、TN的去除情况，并分析了超声强化对ABR各隔室VFA浓度及组分、pH、ORP、DOM的影响；③探究了低强度超声波对不同进水有机底物浓度、温度、重金属离子冲击下ABR稳定运行特征的影响；④揭示了超声强化厌氧污泥活性的作用机制，即低强度超声波通过提高酶活性，促进胞外聚合物分泌，增强污泥-污水传质，从而强化低强度污水厌氧处理；⑤确定了不同超声条件下产酸发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段对厌氧消化过程的限速作用；⑥探明了ABR各隔室细菌、古菌群落丰富度和多样性的变化特征，解析了超声辐照下厌氧微生物群落结构的演变规律。项目研究成果为探索合理利用低强度超声波增强厌氧污泥活性、提高低浓度污水厌氧生物处理效果提供科学依据和理论基础，对促进污水厂节能降耗与缓解能源危机有着积极意义。