第２８卷第４期 环境科学学报 Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．４ ２００８年４月 Ａｅｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ Ａｐｔ．，２００８ Ｔ￣７１１，曾晓岚，龙腾锐，等．２００８．低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制［Ｊ］．环境科学学报，２８（４）：７２６—７３０ Ｄｉｎｇ Ｗ Ｃ．Ｚｅｎｇ Ｘ Ｌ．Ｌｏｎｇ Ｔ Ｒ，ｅｔ ａ１．２００８．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，２８（４）：７２６—７３０ 低强度超声波辐射对 污泥 生物活性的影响机制 丁文川 ，曾晓岚，龙腾锐，杨霏，江岸 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５ 收稿日期：２００７．０３—１２ 修回日期：２００７—０６—２９ 录用日期：２００８一叭一Ｏ９ 摘要：通过测定超声辐射前后污泥性质的变化，不同处理方式对污泥活性影响以及自由基清除剂ＮａＨＣＯ ３加入对超声作用效果影响，初步探讨 了低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制．研究结果表明，低强度超声辐射的机械作用和空化作用，使污泥絮体破碎，强化了固一液对 氧的传质，提高了酶活性以及增加了溶液中可利用基质，从而强化了污泥的生物活性；不过，超声辐射同时也产生大量自由基，会对污泥生物活 性产生抑制或破坏．因此，低强度超声辐射对污泥活性影响是促进效应和抑制效应共同作用的综合表现． 关键词：低强度超声波；污泥；生物活性；机制 文章编号：０２５３－２４６８（２００８）０４—７２６—０５ 中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ＤＩＮＧ Ｗｅｎｃｈｕａｎ ，ＺＥＮＧ Ｘｉａｏｌａｎ，ＬＯＮＧ Ｔｅｎｇｒｕｉ，ＹＡＮＧ Ｆｅｉ，ＪＩＡＮＧ Ａｎ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ａｒｅａ Ｓ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｙｒ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４５ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｌ ２ Ｍａｒｃｈ ２００７； ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｉ＞ｒｍ ９ Ｊｕｎｅ ２００７； ａｃｃｅｐｔｅｄ ９ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ｂｙ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｌｕｄｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉｃａｌ ｓｃａｖｅｎｇｅｒ ＮａＨＣＯ ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｈｒａｓｏｕｎｄ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｌｕｄｇｅ ｆｌｏｅｓ ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ； ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ—ｓｏｌｉｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｒｏｖｅｄ；ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｅｎｚｙｍｅｓ ｗａｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ；ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ．ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｆｒｅｅ ｒａｄｉｃａｌｓ ｗｅｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｕｈｒａｓｏｎｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｉｎｈｉｂｉｔ ｏｒ ｅｖｅｎ ｄａｍａｇｅ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｌｌｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｈｒａｓｏｕｎｄ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｌｕｄｇｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｓｌｕｄｇｅ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ １ 引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ） 总去除率，同时增强了反应器对高有机负荷冲击和 有毒物质冲击的耐受能力．本文作者尝试应用低强 采用适当参数的低强度超声波辐射污泥，可以 度超声波强化剩余污泥好氧消化过程，使污泥的消 显著改善污泥的生物活性（刘红，２００５；闰怡新， 化稳定时间提前了３～７ｄ（Ｄｉｎｇ ｅｔ ａ１．，２００６）．虽然 ２００６ａ；曾晓岚，２００６），因此，该方法用于提高废水生 将单一生物细胞或酶作为对象探讨低强度超声波 物处理反应器效率具有一定的应用前景．Ｓｃｈｌａｆｅｒ等 辐射产生的生物效应已有广泛报道（Ｍａｓｏｎ ｅｔ ａ１．， （２００２）在活性污泥法处理果汁废水过程中，首次采 １９９６；Ｍｉｌｌｅｒ ｅｔ ａ１．，２０００；朱国辉等，２００３；Ｂｏｕｇｒｉｅｒ 用低强度超声波对泥水混合液进行辐射，反应器 ｅｔ ａ１．，２００５），但其作用机理仍未被完全揭示，而对 ＣＯＤ的最大去除速率提高了１００％．闩怡新等 于污泥这种由多种群微生物及其产物组成的混合 （２００６ｂ）研究表明，对ＳＢＲ反应器中部分活性污泥 体，低强度超声波辐射对其生物活性的影响机制研 进行低强度超声波辐射后，可提高反应器对ＣＯＤ的 究更少见报道．本文直接以活性污泥为对象，对在 基金项目：重庆市建委科技计划项目（Ｎｏ．２００６—２９） Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ（Ｎｏ．２００６—２９） 作者简介：丁文川（１９６９一），男，副教授（博士）； 通讯作者（责任作者），Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｔｓｏｎｄｉｎｇ２００３＠１６３．ＣＯＢ Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＤＩＮＧ Ｗｅｎｃｈｕａｎ（１９６９一），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ（Ｐｈ．Ｄ．）； Ｃ０ｒｒｅｓｐ０ｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｔｓｏｎｄｉｎ【ｇ２００３＠１６３．ｃｏｍ ４期 丁文川等：低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制 ７２７ 较低频率（２ｌ～４０ｋＨｚ）范围段的低强度超声波辐射 污泥的生物活性强化机制进行了初步探讨，以期为 低强度超声波在废水处理中的应用提供理论依据． ２材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ） ２．１ 实验材料 取重庆市渝北区城南污水厂曝气池活性污泥， 放入有效容积为４０Ｌ的反应器，按照序批式反应连 续曝气方式人工培养．污泥负荷为０．５ ｋｇ·（ｋｇ·ｄ）。。， 污泥龄控制在１０ｄ，ｐＨ值控制在６．５～８．０之间．人 工合成污水以ｃ Ｈ Ｏ 为碳源，ＣＯ（ＮＨ ） 为氮源， Ｋ ＨＰＯ 为磷源，另加约０．２‰Ｎａ ＣＯ 起缓冲稳定 ｐＨ作用，将上述营养物按照质量比ＣＯＤ：Ｎ：Ｐ＝ １００：５：１的比例溶解在自来水中配制而成，其中每次 进水ＣＯＤ浓度约１５００ｍｇ·Ｌ～．培养３周后，污泥性 质基本稳定，ＭＬＳＳ稳定在３．０ ｇ·Ｌ 左右，ＭＬＶＳＳ／ ＭＬＳＳ在０．９左右，运行一周期（１２ｈ）上清液的出水 ＣＯＤ≤１００ｍｇ·Ｌ～． ２．２ 实验装置 污泥的超声波辐射处理装置如图１所示．超声 波发生器采用宁波新芝科器有限公司ＣＹ．５Ｄ型超 声波生物促进生长仪，换能器输入电功率０～５０Ｗ 无级可调．超声波作用时将换能器变辐杆前端钛合 金探头（直径１２ｍｍ）插入反应器液面下约１０ ｍｍ． 由于超声输出功率不大，在超声反应器外加水浴可 使超声作用前后混合液的温度变化小于２￣Ｃ，因此， 可忽略温度对各指标的影响． 图１超声波辐射处理装置示意图（１．超声波换能器，２．超 声波发生器，３．固定夹，４．铁架台，５．搅拌子，６．电磁 搅拌器，７．反应器（１Ｌ），８．烧杯（２Ｌ）） Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（１． ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；２． ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；３． ｃｌａｍｐ；４．ｉｒｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ；５．ｒｏｔｏｒ；６．ｍｉｘｅｒ；７．ｒｅａｅｔｏｒ （１Ｌ）；８．ｂｅａｋｅｒ（２Ｌ）） ２．３ 实验条件和操作 取人工培养污泥重力沉淀排出上清液，蒸馏水 调整ＭＬＳＳ浓度约６．０ｇ·Ｌ～，装入１Ｌ反应器中，采 用图１装置进行超声波辐射． ２．３．１ 超声波辐射对污泥性质的影响实验 超声 辐射参数如下：２１ ｋＨｚ，４０Ｗ，５～２０ｍｉｎ；２８ｋＨｚ，４０Ｗ， ５ｍｉｎ；４０ｋＨｚ，４０Ｗ，５ｍｉｎ．辐射完成后每个样品进行 如下操作：分别取１０ｍＬ混合液放入２支１０ｍＬ离心 管，其中１支静置３０ｍｉｎ后取其上清液测定体系中 粒子专一电位，另１支于离心机（６０００ｒ·ｍｉｎ ）中离心 ２０ ｍｉｎ，测定其上清液ＣＯＤ、ＴＮ和ＴＰ值；再取１０ｍＬ 混合液用于测定污泥絮体粒径；测定每个污泥样品 在超声作用前后ＳＯＵＲ值． ２．３．２ 经超声辐射的混合液按不同方式处理对污 泥活性影响实验 采用参数为２１ｋＨｚ，４０Ｗ，１０ｍｉｎ 超声辐射污泥后，将样品分为２份，１份（简称为超 声样１）直接测定ＳＯＵＲ（记为ＳＯＵＲ ），另一份（简 称为超声样２）与未经超声辐射污泥（对照），分别在 ２０００ ｒ·ｍｉｎ 下离心２０ｍｉｎ，然后将各自离心后上清 液与沉淀物交叉混合，曝气后测定ＳＯＵＲ ，分别与 各自未进行任何处理前的ＳＯＵＲ（记为ＳＯＵＲ ）比 较，计算差值ａＳＯＵＲ． ２．３．３ 自由基清除剂对超声辐射效果影响实验 超声辐射（参数固定为２１ｋＨｚ，４０Ｗ，１０ｍｉｎ）前，在污 泥中分别加入不同浓度的自由基清除剂ＮａＨＣＯ 混 合均匀，同时以未加ＮａＨＣＯ 污泥作对照．测定和比 较每个污泥样品在超声波辐射前后ＳＯＵＲ的差值 （ａＳＯＵＲ），考察加入自由基清除剂后超声辐射污 泥活性的变化． ２．４分析方法 上清液∈．电位用Ｎａｎｏ ＺＳ９０粒度与Ｚｅｔａ电位分 析仪（英国）测定，污泥ＳＯＵＲ用ＹＳＩ ５１００溶解氧仪 （美国）测定，上清液ＣＯＤ采用ＨＡＣＨ（ＤＲ／２０１０， 美国）方法测定，ＴＮ和ＴＰ测定采用文献（国家环保 局，２００２）方法． 絮体粒径采用粗略测定方法：取１０ｍＬ污泥混 合液于１００ｍＬ试管中，蒸馏水稀释至刻度，轻摇均 匀以避免再次絮凝，用滴管吸取稀释后混合液于载 玻片上，盖上盖玻片，放置于ＤＭＢ５光学显微镜 （Ｍｏｔｉｃ公司）下进行观察，用ＭＯＴＩＣ ＩＭＡＧＥＳ ＡＤＶＡＮＣＥ ３．２软件对视野中污泥絮体进行统计计 算，输出絮体等面积圆半径，随机选取视野数大于 ２０个． ７２８ 环 境 科 学 学 报 ２８卷 ５１．２％，但辐射２０ｒａｉｎ后的絮体平均直径较辐射 ３ 实验结果（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ） １０ｍｉｎ的变化很小．从絮体直径标准差则可以反映 出，长时间辐射使污泥絮体尺寸更加均匀一致．有 研究指出，絮体粒径越大，其结构强度越差（Ｌｅｅ ３．１ 超声波辐射后污泥性质的变化 ３．１．１ 絮体性质变化 超声辐射后絮体相关性质 变化列于表１．对比表中数据可知，初期短时间的超 声辐射即可造成污泥絮体直径减小．如采用２１ｋＨｚ 超声辐射５ｍｉｎ后，絮体平均直径较辐射前（对照） ｅｔ ａ１．，２００１），由此可见，在辐射初期粒径大的絮体 在超声场下易破碎，从而使小絮体数量迅速增加， 但小絮体进一步破碎则需要更多的能量输入． ６ ６ Ｏ ４ ８ ● ８ ２ １ ６ ３ ● 减小了３７．３％；辐射１０ｒａｉｎ后絮体平均直径减小了 表１ 低强度超声辐射对絮体性质的影响 Ｔａｂｌｅ １ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｆｌｏｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ 絮体性质指标 辐射频率 ／ｋＨＺ 辐射时间 平均絮体直径Ｄ 絮体直径标准差 ／ＩＬ．ｍ ／Ｉｌ，ｍ ２３．２ ５ １Ｏ ２Ｏ １５．４ ８．５ ７．９ １６．９ １９ ２ 平均Ｚｅｔａ电位 ／ｍＶ ２５ ３２ ３Ｏ．１９ ３Ｏ．４６ ３０．４７ ２９ ４８ ２９ ５４ 标准偏差 ／ｍＶ ９．１３ ６．８３ 污泥ＳＯＵＲ差值 ／（ｍｇ·（ｇ·ｈ） ） 对照 ２１ １．４８ ７．１５ ７ １４ ２８ ４０ ５ ５ ８．ＯＯ ６．２２ １．Ｏ６ １．０４ 实验结果可以发现，输入功率和辐射时间相 同，超声辐射前后污泥ＳＯＵＲ差值从高到低依次按 ２１ｋＨｚ～２８ｋＨｚ～４０ｋＨｚ排列，而在此参数下辐射后 絮体粒径则随频率升高而增大，表明污泥ＳＯＵＲ增 液ＣＯＤ已达初始值的２倍以上．有研究认为，这是 由于超声波辐射使絮体分解后，胞外聚合物释放进 入溶液引起的（Ｂｉｇｇｓ ｅｔ ａ１．，２０００）．而在相同辐射 时间内，采用超声频率越高，ＣＯＤ浓度增长越小，这 与不同频率对絮体破碎效果正好对应． ３．２ 经超声辐射的混合液按不同方式处理对污泥 长与絮体粒径变化有一定的关联性．另外，辐射后 的污泥样品上清液中颗粒∈电位明显降低，且与辐 射频率变化趋势一致． ３．１．２ 上清液污染物浓度变化 虽然由于试验先 活性的强化效果 图２结果显示，不同方式处理对污泥ＳＯＵＲ均 后顺序造成不同频率超声辐射污泥样品略有差异， 但从表２可以看出，采用低强度超声波辐射后上清 液ＴＮ和ＴＰ浓度总体变化不大，ＣＯＤ浓度则随辐射 时间明显升高，其中２１ｋＨｚ超声辐射２０ｍｉｎ后上清 表２ 超声辐射后上清液污染物浓度变化 Ｔａｂｌｅ ２ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ａｆｔｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 有提高．但无论是ＳＯＵＲ值还是ＳＯＵＲ差值，直接测 定受到超声辐射的混合体系（超声样１）均最高．由 此，可计算出经不同方式处理后超声样１、超声样２ ２０％ ３ ０ ∽ ３ １０％ ０ 超声样１ ２８ 超声样２ 对照 图２不同处理方式下污泥ＳＯＵＲ增长 ４０ Ｆｉｇ．２ Ｓｐｅｅｉｉｆｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｕｐｔａｋｅ Ｒａｔｅ（ＳＯＵ Ｒ）ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｆｔｅｒ ｄｉｉｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ４期 丁文川等：低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制 ７２９ 和对照样的ＳＯＵＲ较各自处理前提高百分比分别为 ２８．４３％、８．０８％和６．２８％，而后两者提高百分比之 和仅为超声样１的１／２． ３．３ 自由基清除剂对超声辐射效果的影响 图３为自由基清除剂浓度对污泥活性的影响． 从图３可以看出，虽然随着自由基清除剂ＮａＨＣＯ 投加量增加，未经超声辐射的污泥ＳＯＵＲ也逐步上 升，即在低浓度范围内，Ｎａ 可能对污泥生物活性有 定的促进作用，但比较超声辐射前后污泥ＳＯＵＲ 差值（ＡＳＯＵＲ）可以发现，提高ＮａＨＣＯ 投加浓度对 超声辐射强化污泥活性的效果影响更大．当 ＮａＨＣＯ 投加浓度达到１５ｍｍｏｌ·Ｌ 时，其ＡＳＯＵＲ为 未投加ＮａＨＣＯ 污泥ＡＳＯＵＲ的２．６４倍． Ｏ ５ １０ １５ ＮａＨＣＯ３浓度／（ｍｍｏｌ·Ｌ ） 图３ 自由基清除剂浓度对污泥活性影响 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒａｄｉｃａｌ ｓｃａｖｅｎｇｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｌｕｄｇｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ４讨论（Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ） 超声波在传播过程中，可使介质质点发生线性 交变振动，引起介质中应力或声压周期性的变化 （应崇福，１９９０），其中与超声频率的平方成正比的 质点加速度可以超过重力加速度的数万倍，如此大 的加速度对介质产生强大的机械效应．根据牛顿第 二定律可推出，超声频率越高，相同质量的絮体在 超声场中受到力越大，从而更易破碎．但表１数据却 显示，在相同声强和辐射时间条件下，频率升高，对 絮体破碎作用反而减弱，即无法用单纯的振动产生 的水力剪切作用进行解释．因此，我们推测，在较低 的强度下，超声辐射对絮体的破碎可能是超声机械 效应和空化效应共同作用引起的，而采用高的频率 不利于空化作用发生（冯若，１９９６）． 有报道指出，垂电位可以反映污泥絮体表面性 质，且负值越大，絮体越稳定而不易聚集沉淀（Ｙｉｎ ｅｔ ａ１．，２００４）．因此，结合表１结果推测，超声辐射提 高污泥活性主要原因可能是辐射导致污泥絮体的 破碎，增大了固一液接触面积，从而强化了固一液对氧 的传质． 超声波辐射污泥一般会导致溶液中蛋白质和 核酸（ＤＮＡ）浓度的增加，很多研究者将其归结为超 声波使细菌细胞破解．然而，Ｊｏｒａｎｄ等（１９９５）在 ５０ｍＬ，２０ｋＨｚ条件下对纯细菌细胞进行超声作用表 明，使细胞破解的超声功率需达到３７Ｗ以上．有学 者研究了葡萄糖一６．磷酸脱氢酶（一种胞内酶）在超 声辐射下的释放过程发现，即使在功率密度５００ ｗ·Ｌ （５０Ｗ，１００ｍＬ）下超声辐射５ｍｉｎ，溶液中该酶 的数量仍然很低，可见细胞破解并不容易发生，因 此，认为溶液中上述物质主要是来自于絮体破碎后 胞外聚合物释放（Ｂｉｇｇｓ ｅｔ ａ１．，２０００）．由于本试验超 声功率远远小于上述文献中采用的功率值，因此认 为，低强度超声辐射造成絮体破碎同时，将絮体中 部分胞外多糖类物质释放进入溶液，引起上清液 中ＣＯＤ的上升． 在图２结果中，未经超声辐射污泥与超声样２ 的上清液混合后，污泥（对照）ＳＯＵＲ值升高，结合前 面表２数据，可以推测其原因在于低强度超声辐射 增加了溶液中可利用基质（如胞外多糖溶解释放）， 引起对照污泥活性提高．对于超声样２，由于经过离 心浓缩，分散的絮体大多重新聚集，因此，推测污泥 ＳＯＵＲ提高主要是超声提高了微生物酶的活性所 致．对于超声样１，则可以认为是絮体分散，酶活性 提高及可利用基质增加等因素的共同作用．超声样 １的ＳＯＵＲ较处理前提高百分比远大于后两种处理 方式的样品，因此，可以推断，低强度超声波辐射对 污泥活性强化的主要影响机制是辐射对絮体的破 碎，另外的原因则是提高污泥微生物的酶活性以及 增加溶液中可利用基质浓度． 由于超声空化作用可产生大量·ＯＨ和·Ｈ自 由基，而·ＯＨ自由基可以攻击蛋白质表面和酶活性 中心的氨基酸微区（Ｒａｃｈｉｎｓｋａｙａ ｅｔ ａｌ，２００４），破坏 细胞的ＤＮＡ（Ｍｉｌｌｅｒ ｅｔ ａ１．，１９９１），从而使酶变性失 活或细胞死亡．自由基清除剂ＮａＨＣＯ 在溶液中可 发生如下反应：ＨＣＯ３－＋·ＯＨ—ＣＯ；一＋Ｈ Ｏ，该 反应速率常数高于污泥与·ＯＨ反应速度，故超声作 用时产生的·ＯＨ会优先与ＨＣＯ３－反应．鉴于此，结 合图３可以推测，低强度超声辐射污泥过程中，由于 空化作用同时产生大量自由基，会对污泥生物活性 产生抑制或破坏，从而“抵消”了一部分超声辐射引 ７３０ 环 境 科 起的污泥活性增长；当加入自由基清除剂ＮａＨＣＯ 后，这部分抑制作用被消除，表现出污泥活性的大 幅提高．加大ＮａＨＣＯ 投加浓度可使辐射过程中产 生的自由基被有效捕获，甚至完全消除自由基对污 泥活性的抑制．而在一定范围内，声功率和辐射时 间与空化自由基产率正相关（冯若，１９９６），因此，存 在最佳辐射参数组合，以获得辐射对污泥活性强化 效应的最大化． ５结论（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ） １）低强度超声辐射对污泥活性影响是促进效 应和抑制效应共同作用的综合表现． ２）超声辐射对污泥活性强化的主要机制是超 声机械剪切作用和空化作用使污泥絮体破碎，强化 了固．液传质，其次是超声辐射提高了污泥微生物的 酶活性以及增加溶液中可利用基质浓度；但空化作 用同时产生自由基也会对污泥生物活性产生抑制 或破坏．因此，利用低强度超声波改善污泥活性，以 提高废水生物处理反应器效率，应选取合适的超声 辐射参数． 责任作者简介：丁文川（１９６９一），男，重庆大学副教授，主要 从事环境微生物、固体废物污染控制及资源化技术研究和教 学，已发表论文２Ｏ余篇． Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ Ｂｉｇｇｓ Ｃ Ａ，Ｌａｎｔ Ｐ Ａ．２０００．Ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｆｌｏｅｅｕｌａｔｉｏｎ：ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｆｏｃ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｅａｒ［Ｊ］．Ｗａｔ Ｒｅｓ，３４： ２５４２—２５５Ｏ Ｂｏｕｇｒｉｅｒ Ｃ，Ｃａｒｒｂｒｅ Ｈ，Ｄｅｌｇｅｎ￣ｓ Ｊ Ｐ．２００５．Ｓｏｌｕｂｉｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｓｔｅ— ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｊ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。１０６：１６３—１６９ Ｄｉｎｇ Ｗ Ｃ，Ｌｉ Ｄ Ｘ，Ｚｅｎｇ Ｘ Ｌ，ｅｔ ａｌ ２００６．Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｅｘｃｅｓｓ ｓｌｕｄｇｅ ａｅｒｏｂｉｃ ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｊ Ｃｅｎｔ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖ Ｔｅｃｈｎｏｌ，１３（４）：４Ｏ８—４１１ Ｅｄｉｔｏｒｉａｌ Ｂｏａｒｄ ｏｆ Ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．２００２． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｒ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ［Ｍ］．（ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔａｌ Ｓｅｉｅｎｅｅ Ｐｒｅｓｓ，２４６；２５５（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｆｅｎｇ Ｒ．１９９６．Ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｏｎｏｃｈｅｎｆｉｓｔｒｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１６（３，４）：４Ｏ３—４Ｏ７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｊｏｒａｎｄ Ｆ，Ｚａｒｔａｒｉａｎ Ｆ，Ｔｈｏｍａｓ Ｆ，ｅｔ ａ１．１９９５．Ｃｈｅｎｆｉｃａｌ ａｎｄ ｓｔｒｕｅｔｕｒａｌ （２Ｄ）ｌｉｎｋａｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂａｃｔｅｒｉａ ｗｉｔｈｉｎ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｆｌｏｅｓ［Ｊ］． Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓ．２９：１６３９—１６４７ Ｌｅｅ Ｃ Ｈ，Ｌｉｕ Ｊ Ｃ．２００ １．Ｓｌｕｄｇｅ ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｏｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｄｕａｌ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，５： １２９—１３６ 学 学 报 ２８卷 Ｌｉｕ Ｈ，ｒａｎ Ｙ Ｘ，Ｗａｎｇ Ｗ Ｙ，ｅｔ ａ１．２００５．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｂｙ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｅｎｖｒｉｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６（４）：１２４—１２８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｍａｓｏｎ Ｔ Ｊ，Ｐａｎｉｗｎｙｋ Ｌ，Ｌｏｒｉｍｅｎ Ｊ Ｐ．１９９６．Ｔｈｅ ｕｓｅｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ ｆｏｏｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｏｎｏｅｈｅｍｉｓｔｒｙ，３（３）：￥２５３－－￥２６０ Ｍｉｌｌｅｒ Ｄ Ｌ，Ｔｈｏｍａｓ Ｒ Ｍ，Ｆｒａｚｉｅｒ Ｍ Ｅ．１ ９９ １．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｉｎｄｕｃｅｓ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｒａｎｄ ｂｒｅａｋｓ ｉｎ ＤＮＡ ｏｆ ｖｉａｂｌｅ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｅｒｏｘｉｄｅ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｍｅｄ Ｂｉｏ１．１７：７２９—７３５ Ｍｉｌｌｅｒ Ｄ Ｌ，Ｑｕｄｄｕｓ Ｊ，２０００．Ｓｏｎｏｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｃｅｌｌｓ ｂｙ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒａｓｔ－ａｇｅｎｔ ｇａｓ ｂｏｄｉｅｓ［Ｊ］． Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ Ｍｅｄ＆Ｂｉｏｌ。２６：６６１—６６７ Ｒａｃｈｉｎｓｋａｙａ Ｚｈ Ｖ，Ｋａｒａｓｙｏｖａ Ｅ Ｉ，Ｍｅｔｅｌｉｔｚａ Ｄ Ｉ．２００４．Ｉｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｌｕｃｏｓｅ··６－Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ ｉｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｙ Ｌｏｗ··ａｎｄ Ｈｉｇｈ·· Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ， ４Ｏ（２）：１２Ｏ一１２８ Ｓｃｈｌ ｆｅｒ Ｏ，Ｏｎｙｅｃｈｅ Ｔ，Ｂｏｒｍａｎｎ Ｈ，ｅｔ ａ１．２００２．Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，４０ （１．８）：２５—２９ Ｘｕａｎ Ｙ，Ｈａｎ Ｐ Ｆ，Ｌｕ Ｘ Ｐ，ｅｔ ａ１．２００４．Ｒｅｖｉｅｗ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｉｏ－ｓｌｕｄｇｅ ａｎｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｏｎｏｅｈｅｍｉｓｔｒｙ。１ １：３３７—３４８ Ｙａｎ Ｙ Ｘ，Ｌｉｕ Ｈ．２００６ａ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｌｕｄｇｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｂｙ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２７（５）：９０３—９Ｏ８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｙａｎ Ｙ Ｘ，Ｌｉｕ Ｈ，Ｚｈａｎｇ Ｓ Ｌ，Ｘｉｅ Ｂ Ｚ．２００６ｂ．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｂａｔｃｈ ｒｅａｃｔｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７（８）：１５９６－－１６０２（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｙｉｎｇ Ｚ Ｆ．１９９０．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｅｓｓ．４５７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｚｅｎｇ Ｘ Ｌ，Ｌｏｎｇ Ｔ Ｒ，Ｄｉｎｇ Ｗ Ｃ，ｅｔ ａ１．２００６．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ ｂｙ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｃｈｉｎａ Ｗａｔｅｒ＆Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，２２（５）：８８—９１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｚｈｕ Ｇ Ｈ，Ｈｕａｎｇ Ｚ Ｌ，Ｘｕ Ｆ Ｃ，ｅｔ ａ１．２００３．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｆｒｕｉｔ ｂｒｏｍｅｌａｉｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，２２ （６）：１Ｏ一１４，３８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 中文参考文献 冯若．１９９６．声化学基础研究中的声学问题［Ｊ］．物理学进展，１６（３， ４）：４０３—４Ｏ７ 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会．２００２．水和废水监测 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