陳澤新 楊曉婷 董京洲 李俊成 李金成

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

三維生物膜電極反應(yīng)器(3D-BER)通常采用活性炭作為顆粒電極，將陰極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氫，顆粒電極的吸附催化和自養(yǎng)型反硝化菌生物膜脫氮作用相結(jié)合，不需要外加有機物和氫源，同時利用陽極產(chǎn)生的CO2作為無機碳源，并形成pH緩沖體系，實現(xiàn)高硝酸氮去除率，降低亞硝酸產(chǎn)生[1]。同時由于顆粒電極的存在，增大了生物電極面積，提高了電流效率[2]。本研究通過對陰極結(jié)構(gòu)的改進，構(gòu)建一個新型的三維生物膜電極反應(yīng)器，并以此對含硝酸氮的模擬地下水進行了去除研究，分析了電流強度對三維生物膜電極反應(yīng)器接種生物膜前后的硝酸氮去除性能影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原水

1.2 實驗裝置

反應(yīng)器陰陽極布置形式采用上下對稱布置的方式，下部為不銹鋼陰極，上部為石墨陽極，陰陽極之間填充顆?；钚蕴?，粒徑2 mm～4 mm，作為顆粒電極，從而構(gòu)成三維電極。反應(yīng)器直徑為150 mm，電極間距為50 mm。有效容積為0.8 L。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖1。

1.3 實驗方法

為考察3D-BER反應(yīng)器在純電化學(xué)條件下對硝酸氮的去除情況，實驗將反應(yīng)器分為兩組，一組反應(yīng)器不進行自養(yǎng)反硝化菌的接種，稱為三維電化學(xué)反應(yīng)器(Three-Dimensional Chemical Reactor，3D-CER)。另則對反應(yīng)器的陰極和顆粒電極部分接種自養(yǎng)型反硝化菌，形成三維生物膜電極反應(yīng)器(3D-BER)，接種啟動過程如下:

1)3D-BER的啟動。接種液取自某污水廠脫氮段的活性污泥，經(jīng)對污泥的淘洗、離心分離、富集培養(yǎng)后形成含有氫自養(yǎng)反硝化菌的接種液，將接種液填充反應(yīng)器有效體積的70%，再用營養(yǎng)液充滿，采用內(nèi)循環(huán)的方式進行掛膜培養(yǎng)，每1周更換上述接種液和營養(yǎng)液，經(jīng)過約2個月的培養(yǎng)，硝酸氮去除率可穩(wěn)定達到85%以上，并且在顆粒電極表面形成了肉眼可見的一層白色生物膜，啟動過程完成[3]。2)實驗方法。根據(jù)資料及前期研究結(jié)果，考慮反應(yīng)器的實際運行條件，實驗中保持溫度T=25 ℃，控制進水硝酸氮濃度為30 mg/L，pH=7左右，水力停留時間為12 h。實驗中改變電流強度，研究反應(yīng)器對水中硝酸氮的去除以及亞硝酸氮和氨氮的累積情況，電流強度的梯度設(shè)置為20 mA，40 mA，60 mA，80 mA，每次改變電流強度，先穩(wěn)定運行48 h后，再測定運行一周期后的出水硝酸氮、亞硝酸氮和氨氮濃度及pH值。

1.4 分析方法

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 對硝酸氮去除率的影響

實驗結(jié)果如圖2所示。

第二階段電流從40 mA上升到60 mA為穩(wěn)定區(qū)，硝酸氮去除率略有下降。當(dāng)電流強度較低時，陰極區(qū)的氫氣以微小氣泡的形式產(chǎn)生，有利于氫氣溶解于水，從而提高微生物氫氣利用率。但是，當(dāng)電流強度增大后，氫氣量上升，氫氣氣泡變大，以致于其容易從水中脫出，并且電流強度大陽極會發(fā)生析氧反應(yīng)抑制微生物反硝化作用[6]。

電流強度對3D-CER硝酸氮去除率的影響隨電流強度升高持續(xù)上升，與3D-BER變化趨勢完全不同。3D-BER去除效果在大部分電流強度范圍內(nèi)都要優(yōu)于3D-CER，說明電流強度對微生物的還原作用產(chǎn)生影響，從而體現(xiàn)在硝酸氮去除率上。

2.2 對亞硝酸氮累積的影響

由圖3可以看出，電流強度對3D-CER和3D-BER出水亞硝酸氮濃度累積的影響較小，隨電流強度從20 mA升高到80 mA，3D-CER出水亞硝酸氮濃度從5.7 mg/L上升到7.1 mg/L，而3D-BER出水亞硝酸氮濃度則在1.4 mg/L～3.3 mg/L之間波動。這是由于在電流強度大時，3D-CER中亞硝酸根的生成量速率要快于其被還原的速率，所以出現(xiàn)亞硝酸氮積累現(xiàn)象，而3D-BER中亞硝酸還原菌能利用增大電流強度時產(chǎn)生充足的電子供體將亞硝酸氮還原，從而減輕亞硝酸氮積累的程度。

2.3 對氨氮累積的影響

2.4 對反應(yīng)器內(nèi)pH的影響

如圖5所示，出水pH隨電流強度增大而降低，陰極區(qū)pH隨電流強度增大而增大，說明陰極區(qū)是產(chǎn)堿反應(yīng)，陽極區(qū)是產(chǎn)酸反應(yīng)。

由于出水pH要低于進水，則產(chǎn)酸量要大于產(chǎn)堿量。3D-BER的產(chǎn)酸產(chǎn)堿量要大于3D-CER，因為氫自養(yǎng)反硝化菌反應(yīng)本身就是一個產(chǎn)堿的過程。但是當(dāng)電流強度小于60 mA時，陰極區(qū)pH保持相對穩(wěn)定的pH值，說明反應(yīng)器具有一定的緩沖作用。

3 結(jié)語

新型的三維生物膜電極反應(yīng)器在沒有外加碳源和氫源的條件下，可以有效去除地下水中的硝酸氮。當(dāng)電流強度為40 mA；陰陽極間距50 mm；進水硝酸氮濃度為30 mg/L；進水pH=7；水力停留時間12 h，3D-BER硝酸氮的最高去除效率可達90.15%，亞硝酸氮的累積量為2 mg/L左右，而氨氮的累積量最大為3 mg/L。

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