（环境工程专业论文）声光磁电能场对活性污泥细菌生物活性的影响研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水污染控制技术中废水处理的方法很多，其中生物处理方法经历了百余年的 发展和应用，发挥了重要作用。 活性污泥法是处理城市污水最广泛使用的方法。它能从污水中去除溶解的 和胶体的可生物降解有机物及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。 无机盐类也能部分地被去除。但是随着工业的发展，越来越多、越来越复杂的 有机物进入水体，活性污泥法的处理能力受到了极大的挑战，因此提高活性污泥 细菌对有机物尤其是对复杂有机物的降解效率成为当今水处理领域的重要课 题。 利用物理能场促进活性污泥细菌活性发生正向变异或突变是提高微生物生 物活性和创建高效环境工程菌种的迅速而简便的方法。但是，目前对该方法的 理论和实践研究尚欠系统和深入。物理能场对微生物影响的研究，都还是属于 起步阶段，许多问题还没有解决，也还没有形成完整的物理能场对微生物影响 的理论体系，在对活性污泥活性方面的研究更是少见。这种状态使该法在环境 工程方面难以获得广泛应用。 本研究的目的旨在探讨声，光，磁，电这些物理能场对活性污泥的活 性的影响，从而了解和掌握它们对活性污泥处理废水的影响规律和处理 效果，寻求能够提高活性污泥的活性的最佳条件，以促使活性污泥细菌生 物活性的增强，进而使之能够广泛、高效地应用于废水的处理。 由于实验条件限制，本次实验研究采用测定耗氧速率的方法来间接判定活 性污泥细菌生物活性的变化。生物活性的增长率则以物理能场处理样与相同条 件下的未处理样的耗氧速率的差异为依据来计算。本研究分别对磁场，紫外光， 激光，电场，超声波场对活性污泥细菌活性的影响进行了较为系统的研究。并 分别总结了每个物理能场在本实验条件下对活性污泥细菌的影响规律，以及其 生物活性提高的最佳效果和最佳条件，进而综合总结了物理能场影响活性污泥 细菌的一般规律。从而丰富或填补了该研究领域的理论与实践，为将来使用该 方法创新出更高效的活性污泥处理工艺提供基础性的资料。 通过实验研究，除了分别获得各物理能场在本实验条件下对活性污泥细菌 武汉理工大学硕士学位论文 的影响规律及活性产生正向变异的最佳条件外，还总结出物理能场对活性污泥 细菌的一般影响规律。即物理能场对微生物的活性影响普遍具备两重性：抑制 和促进，而必须准确把握生物活性产生正向变异的最佳范围及条件，才能获得 我们所希望的活性污泥细菌高效降解有机物的能力。 关键词：活性污泥细菌；磁场；电场；激光；紫外光；超声；生物活性 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r eal o to fm e t h o d sf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nc o n t r o lt e c h n o l o g yo f w a t e rp o l l u t i o n ；b i o l o g i c a lt r e a t m e n to fw a s t e w a t e rh a sg o n et h r o u g hd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o nf o rh u n d r e d so fy e a r s ，p l a y i n ga ni m p o r t a n tp a r ti nw a t e rt r e a t m e n t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sw i d e l yu s e di nt r e a t i n gm u n i c i p a ls e w a g e i tc a n r e m o v es o l u b l ea n dc o l l o i d a l b i o d e g r a d e do r g a n i cm a t t e ra n ds u s p e n d e ds o l i d a d s o r b e db ya c t i v a t e ds l u d g ef r o mw a s t e w a t e r i n o r g a n i cs a l t sc a l la l s ob er e m o v e d p a r t i a l l y h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d o r g a n i cm a t t e r se n t e ri n t ow a t e r s ；t r e a t m e n ta b i l i t yo fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si s u n d e rg r e a tc h a l l e n g e t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yf o ra c t i v a t e d s l u d g eb a c t e d at oo r g a n i cm a t t e r , e s p e c i a l l yt oc o m p l e xo r g a n i cm a t t e r si sa n i m p o r t a n ti s s u ei nt h ef i e l do f w a t e rt r e a t m e n tn o w a d a y s t h em e t h o do fp r o m o t i n ga c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i at oa c t i v ev a r i a t i o nb y o h y s i c a le n e r g e t i cf i e l dm a y b ear a p i da n ds i m p l ew a yt oi m p r o v i n gm i c r o o r g a n i c a c t i v a t i o na n dm a ye s t a b l i s he f f e c t i v ee n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gb a c t e r i a n o wt h e r e s e a r c ho ft h e o r ya n dp r a c t i c ef o rt h em e t h o di sn o ts y s t e m a t i ca n de m b e d d e d t h e r e s e a r c ho fe f f e c to fp h y s i c a le n e r g e t i cf i e l do nm i c r o o r g a n i s mi so nt h ef i r s ts t a g e ， h a v i n gal o to fq u e s t i o n su n r e s o l v e d ，h a v i n gn oi n t e g r a t e dt h e o r ys y s t e ma n dl e s s r e s e a r c h e so n s u c hs t a t eh i n d e r e di t sa p p l i c a t i o ni ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g w i d e l y i nt h et h e s i s ，e f f e c to fp h y s i c a le n e r g e t i cf i e l ds u c ha ss o u n d ，l i g h t ，m a g n e t i s m a n de l e c t r i c i t yi si n v e s t i g a t e d ，t om a s t e rt h ee f f e c tm l ea n dt r e a t m e n te f f e c ta n dt o s e e ko p t i m a lc o n d i t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h ea c t i v a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ea n dp u t i ti n t oa p p l i c a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t r a n s i e n tv e l o c i t yo fc o n s u m p t i o no fo x y g e nf o rm i c r o o r g a n i s mi su s e di nt h e t h e s i st op r e s u m ea b i l i t yc h a n g eo fd e g r a d a t i o n e f f e c to fu vl i g h t ，l a s e r , e l e c t r i c f i e l da n du l t r a s o n i co na c t i v a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i ai ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h et h e s i s e f f e c tr u l eo fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i af o re a c hp h y s i c a le n e r g e t i cf i e l d 1 i i 武汉理l = 人学硕士学位论文 a n do p t i m a lc o n d i t i o no fi m p r o v i n gb i o l o g i c a la c t i v a t i o na r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y , t os u m m a r i z ec o m m o nr u l eo fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i aa n dt oe n f i c bt h e o r ya n d p r a c t i c ei nt h i sf i e l d ，w h i c hl e a dt ob a s i cr e s e a r c hb ym o r ee f f e c t i v ea c t i v a t e ds l u d g e t e c h n o l o g y e f f e c tr u l eo fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i af o re a c ha n do p t i m a lc o n d i t i o no fa c t i v e v a r i a t i o na r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y , c o m m o nr u l eo fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i ai s a l s os u m m a r i z e d t h a ti st os a y , e f f e c to fp h y s i c a le n e r g e t i cf i e l do nm i c r o o r g a n i c a c t i v a t i o nh a st w of a c e t s ：r e s t r a i n m e n ta n dp r o m o t i o n o p t i m a lr a n g ea n dc o n d i t i o n o fa c t i v ev a r i a t i o nm u s tb eo b t a i n e de x a c t l y , w h i c hc a nl e a dt oh j i g hd e g r a d a t i o n a b i l i t yo fa c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i at oo r g a n i c m a t t e r s k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g eb a c t e r i a ；m a g n e t i cf i e l d ；e l e c t r i cf i e l d ；l a s e r ；u v l i g h t ；u l t r a s o n i c ；b i o l o g i c a la c t i v i t y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 废水生物处理技术的发展 水是人类赖以生存和发展的自然资源。在我国，随着经济的发展，人口的 增长，城市化进展的加速，水资源的开发与利用面临着巨大压力。同时，水污 染有加剧和恶化的趋势，水环境状况十分严峻。而另一方面，随着经济发展和 人们环境意识的增强，以及国际问合作的加强，我国废水排放标准无疑将日趋 严格。因此，水污染控制技术面临着巨大挑战。 水污染控制技术中废水处理的方法很多，其中生物处理方法经历了百余年 的发展和应用，发挥了重要作用。 废水生物处理技术的发展大致可分为三个阶段【1 】： 第一阶段：( 1 9 8 1 年- 1 9 1 5 年) 废水处理的早期阶段。在此阶段主要发明 有m o i l s 池( 1 8 8 1 年) 、生物滤池( 1 8 9 3 年) 和活性污泥法( 1 9 1 4 年) 。 第二阶段( 1 9 1 5 年至1 9 6 0 年) 这是废水生物处理的普及阶段。在此阶段， 废水生物处理技术成为城市废水处理的主要工艺，并得到了不断的发展。如对 传统的活性污泥法进行了多种改良，出现了阶段曝气法，生物接触稳定法，完 全混合曝气法，延时曝气法，纯氧曝气法等新工艺；普通生物滤池也得到不断 发展，产生了高负荷生物滤池，塔式生物滤池，生物转盘，生物接触氧化法等 新工艺；厌氧生物处理也出现了二缀消化池，两相消化池等新工艺。 第三阶段( 1 9 6 1 年至今) 这是废水生物处理技术发展的新时期。在这个时 期，环境工程技术得到较大发展，废水生物处理技术也有了较大飞跃。在好氧 生物处理方面，出现了氧化沟，a b 法，s b r 反应器，高浓度活性污泥法，深井 曝气，好氧生物流化床等新工艺，以及高效曝气器，新型填料等设备，并发展 了一些将悬浮生长的生物系统与附着生长的生物系统设置在一个反应器中的复 合式反应器，如投加载体的活性污泥法；对于生物处理系统中的固液分离装置， 近1 0 余年来有了十分引人注目的发展，特别是膜一生物反应器系统的研究和应 用。此外，在自然生物净化系统方面也进行了大量研究，并使其应用范围扩大。 同时，在活性污泥微生物的研究方面还取得了极大的进展，如丝状菌的成因和 武汉理工大学硕十学位论文 控制等。在厌氧生物处理方面，其进步较好氧生物处理更为显著，先后出现了 厌氧接触法，厌氧生物滤池，厌氧附着膜膨胀床，升流式厌氧污泥层反应器， 厌氧生物流化床，厌氧生物转盘，关于厌氧微生物的研究也取得了极大的成就。 因此，厌氧生物处理的应用范围已从污泥消化扩大到高浓度有机废水的处理， 进而到低浓度有机废水，并出现了一系列厌氧和好氧相结合的生物处理系统， 使生物处理工艺的范围扩大。如可进行生物脱氮的a o 工艺，可进行生物脱磷的 a o i 艺：厌氧与好氧生物处理单元的结合流程。在自然生物净化系统方面也有 了很大的发展，使其应用范围有了扩大，形成了科学体系，并不断地趋向完善。 如发展了废水稳定塘系统，发展了废水土地处理系统和废水，污泥湿地净化系 统。 虽然生物处理方法发展迅速，并在废水处理中发挥了巨大作用，但也必须 看到，它仍然存在一些缺点，不能满足人们的需要，主要是：微生物生长环境 不够理想，微生物数量不够多，反应速率较低，对于难降解有机物的处理效果 还较差等。特别是后者，在很多类型的废水中，含有大量难生物降解物质和有 毒物质，仅靠生物处理难以实现对其有效净化。有些难降解废水含有对微生物 有毒害的成分，使生物降解效率很低，如染料工业废水，农药废水，制药废水 等。即使不含对生物处理有毒害成分的难降解废水，由于它们可生化性极低， 生物难以利用，处理时间很长，效率很低，难以达到水处理的要求。如焦化废 水，其污染物组成复杂，是较难降解的高浓度有机工业废水。目前国内外用于 去除焦化废水中c o d 和氨氮的主要方法是生物法，其中又以普通活性污泥法为 主。但普通活性污泥法对难生物降解有机物处理效果较差，难以满足处理要求。 因而，如何强化生物处理，提高其水处理的范围和能力，以增强去除污染 物的能力和适应日益严格的水质标准是当前水处理研究的前沿课题，具有重要 的意义。 目前，对生物法的改进大多是基于对设备工艺和流程的改进，但是从提高 活性污泥的生物活性，以提高微生物的降解有机物的能力方面的研究还是少见 的。废水生物处理的基础设施和工艺流程己较为成熟，而对生物处理起主要作 用的微生物的研究还不够。要想充分发挥生物处理方法的优势，提高其处理污 染物的能力和扩大其应用范围，不仅要对工艺不断改进，更重要的是加强对提 高微生物生物活性的各种研究，以及加强构建高效转化降解工程菌的研究，从 而促进废水生物处理技术的发展。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 环境微生物技术发展 对于传统的废水生物处理技术，仅靠从自然界中获取的土著菌种对许多污 染物的降解是无能为力的。为了提高废水生物处理方法的净化效率和提高去除 某种特定有机污染物的能力，可以运用生物技术去改造生物处理构筑物中的微 生物特性，如通过驯化、诱变等方法使之获得高耐毒性、高降解活性等的优良 性状，并将其应用于污染治理，特别是难降解有机废水的处理，从而提高生物 处理的效率和扩大生物处理的范围，这是生物处理方法发展的现代方向，同时 也是近年来生物处理方面的一个前沿研究领域。 1 2 1 污泥驯化 污泥驯化是一个在一段时间内逐渐加大微生物降解或耐受负荷的过程，从 而使污泥微生物达到一个较稳定、相对高的负荷闽值。提高微生物污泥驯化要 达到两个目的1 2 1 ：一是培养微生物的抗毒性，即使污泥中的微生物群落能够适应 较高毒性的水质，且污染物去除率不降低；二是培养出具有特异和高效降解特 性的微生物，即使微生物对于待处理废水中的碳源、氮源物质由不利用到利用， 由缓慢利用达到快速降解。 微生物在废水中发生的突变一般是自发的、低频的和随机的，其中只有发 生了正向突变的、能适应新的生存环境的种类才能保存下来。在驯化过程中， 不断增大的污染物负荷作为施加的选择压力，使得整个微生物群落的正向自发 突变得以积累，最终改变了多种降解酶的结构而提高了降解活性。此外，突变 还可能引起微生物细胞膜的透性或某些敏感酶的结合位点的改变，使之忍受某 些生物毒性物质的能力得到加强。 1 2 2 诱变育种 诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理微生物群体细胞，提高随机突变 频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。通过改变外界条件， 使微生物发生变异，变异后的性状传给下一代，就得到了变菌或变株，进而可 以筛选出活性高的菌株。诱发突变是利用物理或化学的因素处理微生物群体， 3 武汉理工大学硕士学位论文 促使少数个体细胞的遗传物质( 主要是d n a ) 的分子结构发生改变，使基因内部 的碱基配对发生差错，从而引起微生物的遗传性状发生突变。 诱变又分为物理诱变和化学诱变。化学诱变剂是一些分子结构不太稳定的 化合物，如甲基黄酸乙酯、叠氮化钠等烷化剂的诱变效果非常好。物理因子诱 变通常是辐照诱变，主要有紫外线、y 射线、激光、快中子、x 射线和电场磁 场等，近年来，随着物理技术的不断发展，离子注入，激光辐照成为诱变育种 的新方法。 诱变育种作为一种育种方法，具有方法简单、新性状产生快的优点，在创 造新种质、培育植物新品种，等方面具有独特的作用，在发酵工业和农作物育 种上有着广泛的应用。但它在废水生物处理中的应用报道较少，还仅限于紫外 光诱变。 不管是用物理因素( 如紫外光、x 光、激光等) 还是用化学药剂处理微生物， 都可引起微生物或者菌体d n a 的异变眠这些经诱变而改变的形状中的一部分 对增强微生物菌体降解有机污染物的能力十分有利。将经诱变处理的菌液投加 到活性污泥等废水处理实验装置中运行，运行初期是对菌种进行驯化和优胜劣 汰，适者生存的筛选过程。随着废水处理实验装置运行时间的增加，对目标有 机污染物不适应的菌种将被淘汰，对废水处理环境适应能力较强的菌种将会大 量繁殖并占有更大的生活空间。同时，他们将会消耗更多的目标有机污染物， 从而使废水处理装置对c o d 或b o d 的去除效率有较大的提高。 从现有的文献来看，物理能场对活性污泥法的影响的研究还仅限于紫外光 场和磁场。本文将全面研究研究磁场，电场，激光，紫外光，超声等能场对活 性污泥活性的影响，期望通过物理诱变方法提高活性污泥活性增强对有机污染 物的降解能力以及获得物理能场诱变的一般规律。 1 2 3 遗传工程技术构建高效转化降解工程茵 基因工程技术在环境保护中的应用始于8 0 年代。利用基因工程育种可以集 中目的基因，使调控某一特性的基因优先突变，促使微生物的降解特性向有益 的方向转变。 基因工程是以分子遗传学的理论为基础，综合分子生物学和微生物遗传学 的最重要技术而发展起来的一门新兴技术科学，它是用人工方法把所需要的某 4 武汉理丁大学硕士学位论文 一供体生物的遗传物质d n a 大分子提取出来，在离体的条件下进行切割后，把 它的载体的d n a 分子连接起来，然后导入某一受体细胞内，以便外来的遗传物 质在其中进行复制和表达j 从而获得新品种。基因工程克服了传统的常规诱交 以及体内遗传重组等方法的随机性大、间接、费时、费力，而且突变仅能使少 数几对核苷酸碱基对发生改变的缺点。d n a 体外重组技术或基因工程则可以调 换至t j l o o o 个碱基对的d n a 片段，可以把有用的信息直接输入微生物细胞，因而 基因工程技术为微生物育种提供了定向的、直接的方法，是构建培育高效环境 工程菌的最先进方式n 将遗传工程技术应用于实际水处理中，还存在一些问题，如工程菌在生物 处理构筑物中的生存能力以及遗传工程菌可能对环境造成新的污染时，需慎重 使用。 1 3 本课题研究的目的和意义 1 3 1 课题研究的目的 近年来，我国水体污染严重，水体有机污染比重越来越大，因此污水处理 的重要性也日益显著。而目前国内外污水处理厂最常用的处理方法是活性污泥 法。活性污泥是一种生物化学方法，它具有处理效率高，出水水质好，耐冲击 负荷等优点。活性污泥细菌能从污水中去除溶解的和胶体的可生物降解有机物 以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他的一些物质，活性污泥法在城市生活 废水以及工业污水处理方面有着重要的地位。 活性污泥法的本质与天然水体的自净过程相似，两者都属于耗氧生物过程， 因此，活性污泥法是天然水体自净作用的人工化和强化。活性污泥是由大量的 细菌，真菌，原生动物以及后生动物等多种微生物所组成的共生菌胶团。这些 微生物以污水中的有机物作为食料进行代谢和繁殖活动，从而分解有机物并降 低了污水中的有机污染物的含量。 尽管活性污泥法处理污水有很多优越性，但是，随着社会经济发展，所出 现的r 趋严重的水环境污染和日趋严格的废水排放标准致使传统的活性污泥法 暴露出了其局限性。因此，如何去改进和提高传统活性污泥法的处理效率和能 力成为人们关注的一个问题。目前，对活性污泥法的替代和革新大都是基于对 武汉理工人学硕士学位论文 设备工艺和流程的改进，典型的有s b r 系列活性污泥法，这些方法都较传统的 活性污泥法在处理工艺上有很大的提高。但是，从提高活性污泥的活性( 即提 高微生物的降解有机物的能力) 方面的研究还比较少。因此，本项研究即以如 何利用物理能场提高活性污泥的活性，如何提高微生物对有机污染物的降解能 力为研究课题，以期填补和丰富这一研究方向上的理论和实践。 本研究的目的就是探索各种物理能场对活性污泥细菌活性的影响规律。通 过实验研究得到各个物理能场对活性污泥微生物活性影响的规律，找到最佳的 作用条件，这样我们就可以在最佳的外界条件下培养驯化生物活性高的优秀菌 种，并通过培养繁殖优质活性强化菌种，得到高效活性污泥，从而提高活性污 泥的处理效率，增大活性污泥处理废水的范围，得到满意的污水处理效果。 1 3 2 课题研究的意义 如何提高活性污泥细菌的活性，是当今的水处理科技研究的热门课题。因 为活性污泥法的关键在于微生物的活性。 活性污泥细菌的生物活性一旦获得提高，将使得活性污泥单位降解有机物 负荷大增，于是可以使污水厂在原有规模不变的条件下增大污水处理的效率或 污水处理量，从而大幅度降低污水处理基建投资和运行费用。因此，提高活性 污泥细菌的生物活性具有巨大的经济效益和环境效益。 已有的研究显示：用各种物理能场对细菌进行适当诱变，可以提高其活性， 这种研究是当前水处理学科的前沿课题。 本课题一旦有所突破，必然会带来很大的实用价值。为强化污水的活性污 泥处理工艺提供一种较为有效的方法，这种方法的应用一旦成功，将会使当今 的传统活性污泥法技术提高到一个崭新的水平。 1 4 本课题研究的技术路线 本课题以实验研究的方式，分别较系统地探索和总结声场，光场，磁场， 电场对活性污泥活性的影响规律，并将它们做比较性分析和综合，较全面地描 述物理能场对活性污泥细菌生物活性影响的一般规律。 在所有实验中，用测定耗氧速率的方法来判定活性污泥细菌生物活性的变 6 武汉理工大学硕士学位论文 化。生物活性的增长率则以物理能场处理样与相同条件下的未处理样的耗氧速 率的差异为依据来计算。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章活性污泥活性的测定方法 活性污泥活性的测定方法主要有以下几种 5 】： 2 1 活性污泥耗氧速率的测定 活性污泥耗氧速率是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标。在日常处 理运行中，生物污泥耗氧速率的大小及其变化趋势可指示处理系统负荷的变化 情况，并以此来控制剩余污泥的排放。活性污泥的耗氧速率若大大高于正常值， 往往指示活性污泥负荷过高，这时出水水质较差，残留有机物较多，处理效果 亦差。污泥耗氧速率长期低于正常值，这种情况往往在活性污泥符合低的延时 曝气系统中可见，这时出水中残存有机物数量较少，有机物分解的较完善，但 若长期运行，也会使污泥因缺乏营养而解絮。 ( 1 ) 材料及器皿 电极式溶解氧测定仪 电磁搅拌器、充氧泵 b o d 测定瓶、烧杯、滴管 ( 2 ) 方法与步骤 取待测活性污泥混合液置于烧杯中，充氧至饱和。 将已充氧至饱和的污泥混合液倒满内装搅拌棒的b o d 测定瓶中，并 塞上安有溶氧仪电极探头的橡皮塞。 开动电磁搅拌器，待稳定后即读数并记录溶解氧值。每隔1 r a i n 读数 一次。 待d o 降至l m g l 时即停止整个实验，注意整个实验过程控制在 1 0 - 3 0 r a i n 以内为宜，亦即尽量使每升污泥每小时耗氧量在5 - - 4 0 m g 为宜。 若d o 值下降过快，可将污泥适当稀释后测定。 ( 3 ) 测定装置 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 耗氧速率测定装置 2 2 活性污泥脱氢酶活性的测定 溶氧测定仪 有机物在生物处理构筑物中的分解，是在酶的参与下实现的。在这些酶中 脱氢酶占有重要的低，因为有机物在生物体内的氧化往往是通过脱氢来进行的。 活性污泥中脱氢酶的活性与水中营养物质浓度成正比，在污水处理过程中，活 性污泥脱氢酶活性的降低，直接说明了废水中可利用物质营养浓度的降低。 脱氢酶是一类氧化还原酶类，它的作用是催化氢从被氧化的物体( 基质) 上转移到另一个物体上( 受氢体) 。为了定量地测定脱氢酶的活性，常通过指示 剂的还原变色速度，来确定脱氢过程的请度，常用的指示剂有亚甲兰，它们在 从氧化状态接受脱氢酶活化的氢而被还原时具有稳定的颜色，我们即可通过比 色的方法，测定反应后颜色的深度，来推测脱氢酶的括性。 2 3 微生物呼吸率的测定 微生物呼吸率的测定，最常用的方法是测定微生物生理代谢过程中所发生 的气体变化，常用仪器是瓦勃氏呼吸仪。在废水生物处理方面，利用瓦勃氏呼 吸仪可以测定废水的耗氧参数和可生化性，研究有毒物质对水微生物的影响， 9 武汉理工大学硕士学位论文 确定活性污泥的活性水平等，是废水生物处理研究的重要工具。 在恒温，搅拌的条件下，使一定量的微生物与基质在定容的反应瓶中进行 接触反应，微生物在呼吸过程中吸收氧气同时释放二氧化碳，故测压计上测得 的结果是氧气的吸收量与二氧化碳的总和，如在反应瓶中央投加k o h ，n - 氧 化碳全部被吸收，此时压力的降低完全是氧气消耗形成的，通过测压计测定氧 分压的变化，即可推算出消耗的氧量。 2 4 a t p 的测定 a t p 即三磷酸腺苷，它是储存生物能的主要物质之一。在一定条件下，生 物个体或群体的a 了甲含量是相对恒定的，其含量与生物活性之比相对为常数。 当废水生物处理系统正常运行时，可以认为系统内活性污泥的状态是稳定的， 此时，可以将活性污泥的a t p 含量作为其活性的指标。 a t p 的测定有萤光素萤光素酶测定法，和含磷量测定法。前者是根据a t p 可与萤光素一起发光，其光量与a t p 含量成正比的原理进行测定。后者是利用 a t t 消化后将有机磷变为无机磷，通过测定无机磷的量来确定a t p 的量。 2 5 测定方法的选择 由于耗氧速率测定活性污泥活性的方法是一种稳定，快速，简单的方法： 加之实验条件有限，难以采用其它测定方法，故在本实验中，即采用该方法对 活性污泥活性进行测定。由充氧至饱和后，活性污泥1 0 分钟内的耗氧情况束表 征其生物活性：溶解氧消耗快者则生物活性强；反之，则弱。 1 0 武汉理工丈学硕士学位论文 第3 章磁场对活性污泥活性的影响研究 3 1 影响磁场生物学效应的因素 生物体一般都带有各自的生物电或含有磁性物质而具有磁性，磁场对于磁 性物质会产生力的作用。因此外加磁场、环境磁场和生物体内的磁场都会对生 物的组织和生命活动产生影响，称为磁场生物效应。对磁场生物学效应有影响 的磁场因子主要有：磁场类型、磁感应强度、作用时间、均匀性、方向等。 3 1 1 磁场类型 磁场可分为稳恒磁场和变磁场，恒磁场和变磁场的生物效应既有相同之处， 也存在差异。而变磁场又因低频高频、连续断续、脉冲调制的不同而生物效应 不同。张, , b 云t 6 1 等在研究恒磁场对细胞分裂影响时发现，用o 6 t 磁场处理2 d 后的 脉冲标记法显示，实验组的标记指数在细胞离开磁场时明显高于对照组8 2 9 。 l ew e i 7 1 等采用6 0 h z ，0 3 1 2 g 正弦磁场作用3 7 2 6 , 时，能够引起星状胶质细胞 增殖增加，且具有剂量依赖性。稳恒磁场又称静磁场，是最基本的磁场类型， 适合做基础性的研究，目前常用的稳恒磁场发生装置是永磁铁和通电螺线管。 本实验即是采用此种磁场类型。 3 1 2 磁场强度 磁场对生物的影响与磁场强度有较大关系，磁场强度不同，表现出的生物 效应可能也不同。随着场强的变化，生物效应可以表现为促进，抑制，致死或 无作用。磁场对生物的作用可能存在临界场强范围，即闽值。超过一定的阅值 则表现为另一种生物效应。马跃【8 】等用7 种强度的磁场处理番茄种子，观察幼苗 过氧化氢酶和过氧化物酶活性的变化时发现，磁场强度在在1 0 0 0 g s 一2 0 0 0 g s 范围 内，种子发芽率最高，两种酶的活性最高，磁场强度高于3 0 0 0 g s 时，酶活性下 降。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 作用时间 磁场的作用时间也是影响磁场生物效应的重要方面，当磁场的各种物理学 参数一定时，作用时间不同，所产生的生物效应可能出现明显的不同。陈树德【9 l 等检测了脉冲磁场作用对人表皮细胞增殖的影响。实验发现，脉冲磁场对人表 皮细胞作用l m i n 君1 5 m i n 均产生了促进细胞增殖的效应，而较长时i n ( 1 0 - 3 0 m i n ) 贝, 0 会抑制细胞的正常增殖。 3 1 4 均匀性 磁场的均匀与否，所产生的生物效应也可能随之改变。h o r i u c h i l l 0 j 等研究发 现，5 2 6 1 t 的非均匀磁场抑制细胞死亡，培养温度、培养液的组成及磁场作用 时间对磁场的生物学效应产生明显的影响。当培养温度为3 7 时，衰亡期磁场 作用下的细胞数量为对照的3 倍，当培养温度为4 3 时，细胞数量继续增加。将 培养液稀释3 倍，并添加谷氨酸使其浓度为1 5 9 n ，再研究磁场对细胞死亡的抑 制作用，结果显示磁场作用下细胞数量为对照的1 0 倍。 3 1 5 磁场方向 磁场是矢量，有方向的不同。对于某些生物，磁场方向改变可能带来不同 类型的生物效应或不同大小的生物效应。磁场的生物学效应即磁场对生物体的 作用，是磁场和生物体两者共同作用的结果。因而磁场的生物效应性质和大小 不仅和磁场的各种参数有关，也与生物机体的种类和特性有关。生物机体因子 一般包括机体的组成、种类、敏感性、磁性等。另外，磁场对生物体的作用存 在一定的作用强度域、时间域和场放大效应。而且生物体是一个高度复杂的有 序结构在一定的程度上可以修复自身的损伤，所以当磁场作用于生物体时，上 述几个方面共同影响着磁场的生物效应，使生物体所表现出的生物效应呈现出 较大的复杂性。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 磁场作用机理的现有理论 生物体是一个高度复杂的有序结构，磁场的生物效应涉及的因素也很多， 因而磁场的作用机理是非常复杂的，至今对磁场生物效应的机理也尚未有统一 的认识。中科院物理研究所的李国栋认为，磁场对微生物的作用主要通过三个 方面产生：蛋白质效应、生物膜效应、生物分子结构效应【1 1 l 。 3 2 1 磁致蛋白质效应 蛋白质是构成生物体的重要组成部分，是由多种氨基酸组成的生物大分子， 与生物的生长、代谢和繁殖等生命活动有密切联系。酶也是蛋白质，酶在细胞 的正常代谢过程中是十分重要的，酶活性的改变会对生物的生理活动产生较大 影响。一些蛋白质和酶含有少量的如铁、钻和锰等过渡族金属原子，在一定条 件下具有顺磁性，这些离子的活性部位又常常是酶的活性中心。外加磁场可以 通过影响这些离子，影响酶的活动。张军【12 】研究了经0 2 3 1 - 0 6 1 t 磁场处理1 小 时所得磁化过氧化氢酶的滞后活力的变化。磁化酶在放置过程中，活力下降慢 于天然酶，相对活力随滞后时间的延长而增加，活力变化曲线的线型随磁感 应强度增加而呈现规律性变化。 磁场对酶的影响可能是改变了酶的构象形式。林沁瑛【1 3 】认为，磁力线对蛋 白质中某些基团的扰动和对其共扼结构中自由电子跃迁的影响，使分子的内部 运动形式不同寻常状态，造成一定时间内活力部位构象微区性发生扰动，并形 成某些具有更高活力的构象形式，使酶的活力提高。而酶活力的波动性和最终 完全恢复的情况又表明：微生物蛋白质( 酶) 结构并未被破坏，而仅是发生了某些 可逆性的变化。贺华君【14 】也认为磁场能影响酶的构象，并且酶的构象变化与温 度、介质、磁化时间、场强等有关，而且构象变化的同时往往伴随着酶活力的 变化。 3 2 2 磁致生物膜效应 生物膜是由蛋白质和类脂等组成的双层结构物，对n a + ，k + ，c a + 等离子有 主动和被动运输作用。这些离子是细胞代谢、能量交换、细胞兴奋抑制的基础。 武汉理【人学硕士学位论文 因而生物膜对离子的主动和被动运输对生物的新陈代谢和能量转换具有重要作 用。而外加磁场能改变交换物质中带电离子的受力作用，因而影响对生物膜的 渗透能力，即对生物体内的新陈代谢作用和生物化学反应速度产生影响。+ 范寰等1 15 j 研究了直流稳恒磁场对酸胁迫作用下悬浮培养南方红豆杉细胞生 长和代谢的影响结果表明，磁场提高了红豆杉细胞的抗酸胁迫能力，并认为磁 场加速离子的跨膜运输，很可能是磁场增强红豆杉细胞抗酸胁迫能力的原因之 一。而无论是胞外h + 进入胞内，还是胞内碱性物质向胞外的分泌，磁场的作用 均使其得到加速。 3 2 3 磁致生物分予结构效应 生物体中含有结构复杂的生物大分子，它们既具有化学键能高的稳定的基 本结构，也具有化学键能较低的较不稳定的高级结构。如d n a 或r n a 具有靠 氢键等次级键作用形成的三维结构，而这些弱作用力容易受到外界的干扰，在 磁场作用下，结构也会发生相应的变化。 n o v i k o v i l6 j 等将恒磁场和交变电磁场作用于腹水癌细胞，发现可使其d n a 失去稳定性。黄德盈旧等发现经磁场作用过的d n a 区段内产生了新序列，证明 了磁场作用能引起d n a 突变。 但另外一些研究结果却与此不同：m a h d i 1 8 l 等研究表明，d n a 毛e 磁场作用下 性能稳定；另； b k a z u h i r on a k a m u r a l l 9 】等的研究表明新植入菌体内的d n a 芏e 强磁 场作用下也是稳定的。这也显示出磁场生物效应的复杂性，不同的磁场条件可 能导致截然不同的效果。 3 2 4 磁致水效应 水经磁化处理后获得的磁化水，其物理性质和化学性质都发生了一系列变 化。张敬贵1 2 0 j 报道磁处理后的液体表面张力系数、电导率和粘稠度降低及p h 值 降低。磁化水渗透压的升高能促进物质交换和生物体吸收、排泄；磁化水还能提 高机体吸收酶分解产物能力。由于磁场可破坏水溶液中离子的水合状态，使缔 和度减少，渗透压增加自然水中含有多种溶质、电解质、微生物等。当水流作 切割磁力线运动时，水分子就会产生电离子，而水中的溶质、有机物、无机物 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 等也同样产生一定量的电离子。某种水产生电离子能量的多少，随水中溶质含 量的增加而增加。当生物细胞吸收了这种含有电离子能量的水，同时也获得了 水分子携带的这些电离子能量，所以就会产生与在磁场直接处理相同的“磁一 生物电”效应【2 1 】。 3 2 5 磁致生物自由基效应 自由基是带有孤对电子的原子或原子团，具有较大的化学活性。在许多生 命活动中都伴随有自由基的产生、变化或消失。 自由基带有未抵消的电荷和自旋磁矩，因此在外加磁场作用下，自由基会 受到l o r e n t z 力的作用，自旋磁矩又会受到磁力的作用，外加磁场也就通过自由 基影响了生物的生理。杨修益【2 2 肄用旋转磁场作用于离体血液的研究显示，超 氧化物歧化酶活性明显升高，而过氧化脂质明显降低，说明磁场具有抑制自由 基，增强抗氧化能力。 3 3 磁场生物效应在环境工程中的应用 近年来，磁场的生物效应引起人们的广泛关注。磁场作用于生物体后可引 起生物体内一系列的变化，但各种研究结果表明，磁场对生物体生长产生的影 响不同。有的起抑制作用，使酶钝化或失活；有的却能增强酶活性，提高酶反 应速度，促进微生物的生长和新陈代谢。影响的结果主要取决于磁场强度应用 的微生物的种类。郭银松l ”】通过试验研究证明，磁化处理对水体复氧速率没有 明显影响，但可使处理后的水具有新的生物特性。并且磁化处理对不同营养类 型的微生物表现出不同的效应。试验获得藻类光合作用显著提高的效果。 h o r i u c h i “j 等发现，5 2 6 1 t 的非均匀磁场可以抑制细胞死亡，培养温度、培养 液的组成及磁场作用时间对磁场的生物学效应产生明显的影响。当培养温度为 3 7 。c 时，磁场作用下的细胞数量为对照的3 倍，当培养温度为4 3 。c 时，细胞数量 继续增加，将培养液稀释3 倍，并添加谷氨酸使其浓度为1 5 鲥，再研究磁场对细 胞死亡的抑制作用，结果显示磁场作用下细胞数量为对照的1 0 5 倍。 麻海珍【7 , 5 1 等研究了磁场对紫色非硫酸亚铁光合细菌脱氢酶活性的影响，紫 色非硫光和细菌( 简称p s b ) 可以净化高浓度有机废水、印染及造纸等废水，在废 武汉理工大学硕士学位论文 水生物处理中起着重要作用。研究表明：在稳恒弱磁场作用下p s b 自然细胞和固 定化细胞脱氢酶活力比对照组均有提高。而且在最佳磁场作用下，固定化p s b 细 胞脱氢酶活力比不加磁场对照组提高2 0 3 0 。 磁场对生物吸附性能的影响亦有研究。mb u s t a r d 【2 6 等研究了经电磁场处理 后的生物质对铀的吸附，发现生物质吸附能力i 扫1 7 0 r a g g ( 于生物质1 上升为 2 7 5 m g g ( q = l i 物质) ，k a z u h i r on a k a m u r a 2 7 1 等研究了超导磁场对枯草杆菌生物活 性的影响，结果表明，加载磁场时稳定期的细胞数目是参比细胞液数目的两倍： 在磁场中细胞的死亡率下降。 在活性污泥方面，刘建荣i 冽在厌氧流化床中投加高效脱色菌种：采用聚集 一交联固定法，将脱色菌固定于活性污泥上：在反应器内投加磁粉形成稳恒弱 磁场，对微生物产生正的磁生物效应来提高生化反应速率，处理人工模拟印染 废水。试验结果表明，水力停留时间3 h ，色度去除率9 0 以上，c o d e r 去除率 4 4 4 9 。 y a v u z ，h u l y a i2 9 j 等研究了磁场在活性污泥法活性废水处理中的作用。在研 究中，通过增加磁场强度，底质去除率开始增长，然后降低。而用交流磁场代 替直流形式甚至造成系统活性的微小下降。j u n g l 3 0 】等将微生物置于南极磁场中 以强化酚的氧化。实验表明，将酚置于0 1 5 0 5 5 t e s l a 的磁场中和将微生物固化 前进行磁场的驯化都能强化酚的氧化，