電極 -生物膜法去除亞硝酸鹽氮的試驗研究

孫毓銘,杜茂安

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱 150090)

開發高效、環保型脫氮工藝是目前水處理研究中的一大熱點.電極生物膜脫氮是一個電化學作用與生物還原作用緊密聯系的過程,采用固定化技術將微生物固定在電極表面,形成一層生物膜,然后在電極間通入一定的電流,在陰極產生的氫氣被固著在陰極上的反硝化菌高效利用,對污染物進行降解[1].相對于傳統的反硝化脫氮,電極生物膜反硝化過程不需要外加有機碳源,具有去除效率高、處理效果穩定、易控制等優點[2-3].更重要的是,它克服了外部直接供氫氣造成的剩余氣體流失和不易操作等缺點,將復雜的生物化學反應過程用簡單的電流調節進行控制,操作起來非常方便[4].

試驗觀察了在不同碳氮質量比、電流強度和水力停留時間條件下電極生物膜反硝化法對廢水中亞硝酸鹽氮的去除效果,并比較了反應器流態對反硝化脫氮效果的影響.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗中的電極生物膜反應器為有機玻璃立方體,其有效尺寸(長 ×寬 ×高)為:10 cm×10 cm×10 cm,有效體積為 1 L;反應器陰陽兩級均采用碳板為電極,尺寸為 9.5 cm×9 cm×0.4 cm,極板間距 3 cm.試驗采用的電源為 TH-CS2數顯恒流直流電源;蠕動泵型號為保定蘭格 YZ1515W.試驗裝置如圖1所示.

圖1 電極生物膜反應器裝置示意圖

1.2 原水配制

試驗以模擬配水為原水,加入一定量的NaNO2,配成亞硝酸鹽質量濃度為15 mg/L,通過添加乙酸鈉配制成 m(C)/m(N)分別為 0、0.5、1.5的 3種原水供試驗用.

1.3 污泥接種馴化

將污泥投入微生物反應器內,靜置3 d,使污泥在電極表面初步掛膜.考慮到突然出現的通電環境可能對微生物的生長產生一定的抑制作用,故選擇10mA的微電流開始進行電馴化,5 d一個電流周期,每天更換營養液.逐漸加大電流強度,通電流強度 I=20、40、60 mA的直流電,測定亞硝酸鹽質量濃度,待反硝化效率穩定,開展實驗.20 d后,亞硝酸鹽去除率比較穩定后,當電極表面有一層略顯黃色的生物膜,則為掛膜完畢.

1.4 檢測項目及方法

亞硝酸鹽氮:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;硝酸鹽氮:麝香草酚法.

1.5 試驗方法

反應器經 25 d完成掛膜后,先進行連續式運行,初始條件為:進水流量 0.13 L/h,電流 20mA,HRT為 8 h,溫度 θ=(30±1)℃,pH值 =7.5.間歇式運行時分別研究 m(C)/m(N)=0、0.5、1.5;電流 I=0、20、40、60 mA;HRT=6、8、10、12 h 3種條件的所有組合情況下 NO2-氮的去除情況.

2 結果與討論

2.1 電極生物膜法與單純生物膜法對亞硝酸鹽氮的去除比較

在間歇式反應器中,不通直流電,在試驗控制條件下,不同碳氮質量比時反應器脫氮效果如圖2所示.圖2表明,單純的生物膜法脫氮效果是隨著m(C)/m(N)的值的升高而提高,在 m(C)/m(N)=1.5時,脫氮效果最佳,NO2-—N的去除率達到35%,在 m(C)/m(N)=0時,NO2-—N的去除率只有 15%左右.原因是碳氮質量比為 1.5時,體系中營養物質較充分,異樣菌生長旺盛,能充分利用亞硝酸鹽進行反硝化,反硝化效率較高;而在不外加碳源時,營養物質不足,異樣菌生長緩慢,反硝化效率低.

圖2 不同碳氮質量比下單純生物膜法對亞硝酸鹽的去除率

當間歇式反應器通上 I=40 mA直流電時,試驗結果如圖3所示,此時,不同碳氮質量比下反應器的脫氮速率都較大,脫氮效果均良好,NO2-—N的去除率基本在 75%以上.此時,反硝化菌既有異樣菌又有自養菌,當 m(C)/m(N)=1.5時,異樣菌占優勢,主要利用有機物將亞硝酸鹽還原為氮氣.m(C)/m(N)為 0和 1時,有機基質比較低,此時主要利用電極產生的氫氣作為電子供體使得自養菌開始生長,并最終占據優勢,對體系進行反硝化脫氮.

圖3 I=40m A,不同碳氮質量比下電極生物膜法對亞硝酸鹽的去除率

由此可以看出,在低碳氮質量比條件下,電極生物膜法的脫氮效果更加明顯.不同的碳氮質量比下,電極生物膜法均比單純生物膜法的脫氮效果明顯.改變電流強度和水力停留時間分別測定兩種情況的亞硝酸鹽去除率,結果表明,在低碳氮質量比條件即有機基質不足的條件下,電極生物膜法比單出生物膜法的反硝化效果更理想,前者的亞硝酸鹽去除率可達 90%以上,而后者的亞硝酸鹽去除率只能達到 40%.

2.2 間歇式和連續式電極生物膜反應器脫氮效果比較

兩種反應器均沒有外加有機基質,僅僅依靠電解產生的氫氣和二氧化碳自養反硝化細菌利用,來達到反硝化脫氮的目的.在 m(C)/m(N)=0、HRT為 8 h、不同電流條件下,間歇式反應器和連續式反應器的脫氮效果如圖4、5所示.

圖4 間歇式電極生物膜反應器的脫氮效果

由圖4、5可以看出,相比連續式反應器,間歇式反應器的脫氮效果更加明顯,在 I=60mA條件下,亞硝酸鹽去除率可達 75%,而相同電流下,連續式反應器僅為 50%.間歇式反應器的脫氮效果受電流強度大小的影響較大,隨著電流強度的增大,脫氮效果提高,但電流增大到一定值后,反應器對亞硝酸鹽的去除率不再增加,即電流對反硝化速率的影響已經達到了穩定區[5].

圖5 連續式電極生物膜反應器的脫氮效果

2.3 間歇式電極生物膜反應器的優化

考慮不同碳氮質量比、電流強度和水力停留時間對反應器脫氮效果的影響,發現在 C/N=1.5,I=20mA,HRT=8 h情況下,亞硝酸鹽氮的去除率可達 80%,而隨著電流強度和 HRT的提高,在 C/N為 1.5,I=40 mA,HRT=12 h的條件下 NO2-氮去除率最高可以達 93%.

圖6 HRT=12 h時,不同電流強度和C/N下的平均去除率

不同的運行方式對電極生物膜反應器的脫氮效果影響非常明顯[6],當采用連續式運行時,高質量濃度的亞硝酸鹽進入反應器內,由于水力攪拌作用,同時又有氣體的逸出,進水迅速與反應器內液體混合稀釋,反應物實際質量濃度低于進水.在底物低質量濃度條件下,反應速率減緩,進水的攪拌作用又使得部分亞硝酸鹽被出水攜帶,難以取得理想的效果.而連續出水造成的部分活菌流失,也會對脫氮產生不利影響,尤其在營養物質有限的情況下,生物數量的限制也使得短時間內難以取得對亞硝態氮和硝態氮的高效去除.當采用間歇式運行時,進水與容器內液體充分混合后,隨著時間的推移反應物逐漸降解直至最低,整個反應周期內容器中的生物能夠保持較高的活性和數量,故不同 C/N比下均能保持穩定高效的去除.可見,間歇式運行在較短時間內就能達到對亞硝酸鹽的迅速去除,而對于連續式運行,要取得較高的去除,必須適當延長停留時間,這對提高處理效率是不利的.

3 結 論

1)電極生物膜法比單純的生物膜法有著更好的脫氮效果,在 m(C)/m(N)=1.5時,NO2-—N的去除率可以達到 90%以上,而單純生物膜法去除率僅能達到 45%.

2)間歇式反應器比連續式反應器脫氮效果更好,在相同的 C/N比、電流強度和水力停留時間條件下,間歇式比連續式反應器對 NO2—N的去除率要高 20%～30%.

3)反應器出水的 pH值穩定,維持在 7.0～7.5之間,說明陽極產物對體系的 pH值有緩沖作用,陽極反應以產二氧化碳為主,無析氧反應,有利于厭氧反硝化脫氮的進行.

4)將電極生物膜法同現有的亞硝酸型硝化技術結合起來,為亞硝酸型硝化反硝化脫氮技術提供了一種新的思路.

[1] 李 勇,朱又春,張樂華.電極生物膜法反硝化脫氮研究進展[J].環境科學與技術,2003,26(3):58-60.

[2] 范 彬,曲久輝,雷鵬舉,等.異氧 -電極 -生物膜聯合反應器脫除地下水中硝酸鹽的研究[J].環境科學學報,2001,21(3):275-260.

[3] TOMOHIDE W,HISASHIM,MASAO K.Denitrification and neutralization treatment by feeding of an acidic wastewater containing copper ion and high-strength nitrate to bio-electrochemical reactor process[J].Wat Res.,2001,35(17):4102-4110.

[4] 劉 曉,黃顯懷,金文標.電極生物膜法在生物脫氮處理中的潛力[J].工業用水與廢水,2006,37(3):57-59

[5] SAKADIBARA Y,FLORA JRV.Modeling of electrochemically-activated denitrifying biofilm[J].Wat.Res.,1994,28(5):1077-1086

[6] 裴 寧,趙俊山,王成彥,等 .亞硝酸鹽對反硝化除磷菌抑制機理研究[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2009,25(4):415-418.