Enhancement of biological treatment of wastewater by magnetic field
Abstract
In this study, effect of magnetic field on the activity of activated sludge in wastewater treatment was investigated. During the experiment, biodegradation duration, magnetic density, operating temperature and medium pH value were changed within the ranges from 0 to 60 h, 0 to 500.0 mT, 10.0 to 50.0 °C and 3.0 to 12.0, respectively. These results revealed that activated sludge acclimatization and organic pollutant biodegradation processes under magnetic field were stimulated, resulting in a higher efficiency of wastewater treatment. Biodegradation of organic compounds under magnetic field could reach stable states after 48 h. The organic compounds removal rate first roared up and then fell down with the increase of magnetic density of the field, turning at 20.0 mT. On account of application of magnetic field, the range of temperature and pH, which is suitable for the growth of microbe, were 20.0–40.0 °C and 6.0–10.0, respectively, which were expanded compared with those without the magnetic field.
Keywords
Wastewater treatment; Activated sludge; Magnetic field intensifying
1. Introduction
The enhancement of magnetic field in the microbe activity has been extensively studied in recent years (Okuno et al., 2001, Dini and Abbro, 2005 and Morrow et al., 2007). Increasing attention has been paid to reveal the theory and improve wastewater treatment by this external field.
Magnetic field, on one hand, could affect the growth of microbe. Magnetic fields may intensify the stationary-phase-specific transcription activity of the bacteria, Escherichia coli ( Zhang et al., 2002). Nakamura et al. (1997) investigated the aerobic growth of a bacterium, Bacillus subtilis MI113, and found that the cell number in an inhomogeneous (5.2–6.1 T) magnetic field was about two-fold higher than that of the reference (7 T) in the stationary phase.
On the other hand, magnetic field could affect biodegradation ability of microbe.Tomska and Wolny (2008) observed that the nitrogen compounds transformations in the activated sludge system exposed to magnetic field were more effective than the system without the magnetic field, and the oxygen uptake rate of second nitrification phase was higher from 1.6 to 2.1 times. Yavuz and Celebi (2000) studied the substrate (i.e. glucose) degraded by the activated sludge with the direct current magnetic field. They found that the substrate removal rate was first increased by increasing the magnetic field strength, then reached the maximum at 17.8 mT and later decreased with further increase. Aarthi et al. (2004) did a research and demonstrated that pre-treatment of Flavobacterium species with sinusoidal magnetic field (SMF) appears to result in a more effective degradation of the paper mill effluents. Flavobacterium species were found to have four times with respect to growth when exposed to SMF of 10 HZ, 100 Nt for 30 h, and simultaneously, the BOD, COD, lignin, phenol and protein content were reduced in the effluent using SMF-treated cells.
In this context, the aim of this work is to determine the effect of magnetic field (generated by permanent magnets) on the organic (in the practical sewages) biodegradation ability of bacteria from the activated sludge and the optimal conditions for biodegradation were affected by biodegradation time, magnetic field induction, operating temperature and medium pH. Although the bacteria from a specific zone of Qingnianhu were tested in the work, it is a reference and preparation for similar research on in situ remediation of vaster areas and territorial waters of higher BOD and COD. Just as what Carlos Green-Ruiz et al. (2008) have done for Uriacute;as coastal lagoon, Sinaloa, Mexico.
2. Methods
2.1. Acclimation of activated sludge
Activated sludge, which was collected from the drain outlet of Qingnianhu located in Tianjin University, was used in this study. For the adaptation of the bacteria of activated sludge to the nutrient medium, activated sludge samples were acclimated in the medium whose composition was described as: 3.0 g beef extract, 10.0 g peptone, 5.0 g NaCl and a liter of distilled water. The magnetic field induction was changed in the ranges from 0 to 500.0 mT. Acclimations were performed in glass flasks placed in a shaker with 80 rpm with the temperature control at 30 °C under aseptic conditions. The time of acclimation and the composition of inoculum are shown in Table 1.
Table 1.
Inoculum composition and time of acclimation.
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Composition (sewage:culture medium) |
Time of acclimation |
Frequency of inoculum changes |
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1:1 |
3d |
Every day |
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3:1 |
4d |
Every day |
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6: 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 磁场作用下废水生物处理的研究 摘要在本研究中，研究了磁场对活性污泥在废水处理的活性的影响。在实验中,生物降解时间、磁密度、操作温度和介质pH值范围内分别从0到60 小时，0到500.0毫特，10.0到50.0°C和3.0到12.0。这些结果表明,活性污泥驯化和有机污染物生物降解过程在磁场的刺激下,能够更有效的处理废水。在磁场下生物降解的有机化合物可能在48小时达到稳定状态。随着磁场强度的增加，有机物的去除率会升高,到20.0毫特后效率会降低。在考虑磁场的应用时,适合微生物的生长温度和pH值的范围分别是20.0到40.0°C和6.0到10.0,适应范围比没有磁场时更广。 关键词：废水处理；活性污泥；磁场强化1引言近年来用磁场增强微生物的活动被广泛研究(Okuno等人, 2001, Dini and Abbro, 2005 和 Morrow 等人, 2007)。越来越多的人关注揭示这个理论以及用外磁场提高污水处理效率。一方面，磁场会影响微生物的生长。磁场可以加强细菌的固定相的特异性转录活性， 如大肠杆菌 （ Zhang等人，2002）。 Nakamura等人（1997）研究了细菌的需氧生长，如枯草芽孢杆菌MI113，发现在非均匀的磁场（5.2-6.1 T）中的细胞数约是在均匀磁场（7 T）的两倍多。另一方面，磁场能影响微生物的降解能力。Tomska和Wolny（2008）观察到暴露在磁场中的活性污泥系统中的氮的化合物的转换比无磁场的系统更快，第二阶段硝化作用的耗氧速率从1.6倍提升到2.1倍。Yavuz and Celebi (2000) 研究直流磁场下活性污泥对底物（葡萄糖）的降解。他们发现，磁场强度增加，基质去除率增加，然后在17.8 MT时达到最大值，继续增加磁场强度则去除率下降。Aarthi等人（2004） 做的研究，证明了用正弦磁场（SMF）预处理过的黄杆菌属物种可以更有效的降解造纸废水。发现黄杆菌属的物种被暴露在10 HZ, 100 Nt 的正弦磁场下可以增长四倍。同时，利用正弦磁场处理过的细菌处理的废水中BOD，COD、木质素、苯酚和蛋白质含量减少。 在这样的背景下，这项工作的目的是确定磁场（由永久磁铁产生的）对活性污泥降解有机物（在实际污水中）的能力的作用，生物降解的最佳条件影响因素是生物降解时间、磁场诱导、操作温度和介质pH值。虽然对青年湖一个特定区域的细菌做了测试，这是一个研究更多类似的含有较高的BOD和COD的水域地区的原位修复的参考和准备。正如Carlos Green-Ruiz等人 (2008)对墨西哥锡那罗亚的乌里亚沿海泻湖所做的一样。 2方法2.1活性污泥驯化本研究采用的活性污泥是从位于天津大学的青年湖的排水口的收集。用于培养活性污泥细菌对培养基的适应性。活性污泥样品进行驯化的培养基成分为：3 克牛肉膏，蛋白胨10g，5g NaCl和一升蒸馏水。磁场强度变化的范围从0到500mT。放在玻璃烧瓶中在摇床上转速80转每分钟进行驯化，温度控制在30°C，在无菌条件下进行。驯化的时间和接种量的组成见表1。 表1接种组合物和驯化时间
用一些原本不能降解的外源性生物质培养，这样做一段时间的生化调整后，被称为驯化。为了使细菌逐步提高污水的降解能力，污水在整个过程中按照的表1分不同时期加入。然而，并不是所有的微生物都能驯化成功。因此，驯化时必须保证细菌的数量足够多。 30天后，在4000转每分钟下离心15分钟，然后去离子水洗涤两次，除去吸附在细胞壁的残留物。然后用冰箱在4 °C储存，实验的3小时后浓缩菌液进行离心 。 2.2原生活污水的制备从中国天津的青年湖和卫津河取到了实际的废水。在生生活污水中有机底物（化学需氧量）的浓度几乎没有变化。实验污水水质的有机底物难以生物降解，如表2 所示。 表2实验用的化学试剂
2.3生物降解实验将湿生物质在60 °C干燥烘箱直到质量恒定。在这项研究中，湿生物质量与干重生物量的比例为13.4。 生物降解实验研究了降解时间的影响，磁感应强度、温度、初始pH对COD的降解率。活性污泥湿重生物量10.0 g /L，混合了500 mL废水放在锥形瓶中。两组对比试验，一组有永久磁铁提供磁场，另一组没有。生物降解过程的实验装置如图1所示。
图1生物降解过程的实验装置 生物降解后，在4000转每分钟下离心15分钟，取上清液，然后对上清液中残留浓度的COD进行了分析。在相同的条件下重复实验至少3次，并在计算中使用的平均值。 值得一提的是，细菌的驯化在20 MT感应磁场进行生物降解实验时，进行了磁场强度，温度和初始pH值的影响进行调查的生物降解时间的测定，在四个不同的条件下进行的生物降解实验。 表3不同条件下的生物降解时间
2.4正交试验设计生物降解时间定为48 小时，因为48小时后对降解率的影响不大，针对三个因素（磁感应强度、温度和pH值）设计实验，每个三组实验过程如图4所示。 图4正交试验设计
3结果与讨论3.1磁场对混合菌生长的影响活性污泥混合菌在五个不同的磁场强度下，即0、5、20、200和500 MT的生长率，如图2所示：
图2 混合菌生长曲线 在有磁场的情况下，细菌的滞后期为7.5 h，此阈值后的活菌数量呈指数快速增长 ，而增长率也随时间增加而增加。24 h后，随着营养物质的减少和次生代谢产物的积累，增长速度放缓，相对于死亡率。35 h后，随着时间的推移，由于营养的缺乏和有毒代谢副产物的积累，活菌数量下降。 在5和20 MT的低磁场下诱导，延迟期减少到了5 h内，曲线的斜率逐渐增大表示增长率增大。由此，稳定期延长到40小时和45小时。然后细菌进入死亡阶段。 而在200 MT和500 MT高磁场下，延迟期延长至10 h，曲线的斜率逐渐变小，说明增长率降低。更甚的是，稳定期时间缩短了。 在这样的背景下，图2 结果表明低磁场往往比无磁场更有利于细菌生长，而高强度的磁场作用则相反。张等人（2002） 观察到类似的结果时，他们研究了磁场对大肠杆菌生长的影响。磁场强度对大肠杆菌生长的抑制作用更敏感。当磁场强度很强时，细菌不会生长。iwasakaa等人（2004）观察发现，与对照组相比，高磁场下16 小时的酵母增殖率下降。ofokuno等人（2001）的工作表明高磁场降低了细菌的死亡率，提高了它们的存活率。然而，低磁场可能会引发生物系统的变化的机制还没有被完全解释清楚。同时，高强度磁场对活细胞的影响尚不清楚。通过我们的观察，发现原因可能是，在混合菌的一些酶的活性在是由低强度磁场下促进，在高强度磁场下被抑制。 3.2磁场对混合菌生物降解能力的影响当COD降解过程发生在有磁场的存在比没有磁场的情况下，COD降解率最大值几乎高出1.5倍，对混合菌磁预驯化，比对照无预适应。结合3.1部分，这说明磁场对这项工作中细菌的驯化有积极的影响。
图3时间对COD的降解率的影响 与此同时，增强的化学需氧生物降解的磁场可以通过比较样品1与2和样品3和4。以样品1和2为例。混合菌暴露于磁场后COD降解率最大达到37%和40%，没有磁场是只有只有27%和32%。 从以上的分析表明，磁场可以提高活性污泥细菌的生物降解能力的结果。可以通过驯化的细菌或暴露在磁场的降解过程中获得的。这种优势可以解释由磁场分布导致在细菌表面上的胞外酶的浓度的增加。此外，在48 小时降解过程达到稳定状态，时间对生物降解的影响较小。在磁场中的接触可以降低其降解率。 3.3磁场感应效应磁场感应会影响COD的生物降解率（图4 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[153204]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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