電極生物膜法應(yīng)用于污水脫氮環(huán)節(jié)的試驗研究①

林金彪++劉成良

摘 要：該文以膠凝材料基電極作陽極，搭建電極生物膜反應(yīng)器（BER），采用人工配制的模擬廢水驗證了電極的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。結(jié)合ANAMMOX工藝，通過研究BER對工藝出水的處理效果，得出溫度為28℃，C/N為1，HRT為6h時，反應(yīng)器的最佳電流密度為0.09mA/cm2；當加載電流為286mA時，反應(yīng)器出水中硝酸鹽氮和總氮的濃度分別4.86mg/L和10.73mg/L。結(jié)果表明：膠凝材料基電極能有效解決傳統(tǒng)電極存在的易腐蝕、壽命短、高成本等問題，滿足在BER中使用的性能要求，且反應(yīng)器對ANAMMOX出水有較好的處理效果。

關(guān)鍵詞：電極生物膜法 厭氧氨氧化 電流密度 脫氮

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0099-01

現(xiàn)有的電極生物膜反應(yīng)器常采用石墨、活性炭、不銹鋼等材料制作電極，而這些材料存在易腐蝕、造成水質(zhì)二次污染、使用壽命短、成本高昂、不易安裝等問題[1]。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

試驗中電極生物膜反應(yīng)器為有機玻璃制成的立方體池子，其有效尺寸（長（寬（高））為（50cm（50cm（48cm））），有效體積為120L。內(nèi)部平行放置兩塊陽極板和一塊陰極板，間距為10cm，兩塊陽極分別固定于陰極兩側(cè)。三塊電極浸沒在液體中的體積為17.24L，整個反應(yīng)器的有效容積為102.76L，有效總陰極表面積為2 863.5cm2。

1.2 實驗用水

該試驗配制了四種模擬廢水：氨氮試驗用水a(chǎn)、亞硝酸鹽氮試驗用水b、硝酸鹽氮試驗用水c、混合試驗用水d，并引取了實驗室ANAMMOX（厭氧氨氧化）工藝流水線上的兩種出水：ANAMMOX反應(yīng)塔出水e和生活污水f，對電極生物膜反應(yīng)器中的膠凝材料基陽極進行檢測試驗。在廢水中加入NH4HCO3提供反應(yīng)所需的碳源，使C/N為1。

1.3 試驗方法

該次試驗以電極生物膜反應(yīng)器進水種類和電流密度為依據(jù)，分為兩種工況。

工況A：分別對a、b、c、d四種模擬廢水進行試驗，將模擬廢水加入試驗進水池，電極生物膜反應(yīng)器出水直接回流至試驗進水池。調(diào)節(jié)電源，給電極加載286mA的穩(wěn)定電流，即反應(yīng)器中的電流密度為0.1mA/cm2。

工況B：將ANAMMOX反應(yīng)塔出水e通入試驗進水池，出水進入ANAMMOX工藝流水線回收利用。取四種電流43mA、195mA、286mA、444mA，進行四次試驗。

1.4 測試指標及其方法

氨氮：納氏試劑分光光度法；亞硝酸鹽氮：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；硝酸鹽氮：酚二磺酸分光光度法；pH：pH計；溫度：溫度計。

2 結(jié)果與討論

影響試驗的因素有進水含氮量、pH、電流密度、溫度、HRT（水力停留時間）、C/N等。該次所有試驗的溫度均為28℃，C/N均為1，調(diào)節(jié)電磁泵使進水流量為17.13L/h，即裝置的HRT均為6h。在實驗中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器中的pH值維持在性7～8之間，呈弱堿性，適合反硝化菌的生長，所以無需添加pH值緩沖體系[2]。該試驗主要研究進水含氮情況和電流密度兩個因素影響下，反應(yīng)器去除氮素污染物的效果，以檢驗?zāi)z凝材料基電極的性能。

2.1 工況A

模擬廢水a(chǎn)、b、c分別以氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮為主，模擬廢水d則是三種氮素化合物的含量都比較高。分四次進行試驗，測定不同廢水在電極生物膜反應(yīng)器中三種氮素化合物濃度的變化。a、b、c三種模擬廢水采樣時間間隔為2d，各采樣4次，每次測定5組數(shù)據(jù)，模擬廢水d由于濃度比較高，采樣到第6次，出水濃度穩(wěn)定。其中保持電磁泵工作，是為了讓反應(yīng)器內(nèi)的廢水能流動起來，與反硝化細菌有充分的接觸。

實驗結(jié)果表明，自制的膠凝材料基電極不會對水質(zhì)造成二次污染，反硝化細菌能成功在新電極制作的反應(yīng)器中掛膜、馴化、增殖。

2.2 工況B

將ANAMMOX反應(yīng)塔出水e通入試驗進水池，測定加載四種電流時，電極生物膜反應(yīng)器出水中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的濃度變化情況。采樣時間間隔為2d，其中，第8天未采樣，至第9天采樣，各采樣6次，每次測定5組數(shù)據(jù)取平均值。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄不同電流密度下，硝酸鹽氮和總氮的濃度及其去除率。

由圖1知，0.09mA/cm2附近的電流密度是一個轉(zhuǎn)折點。當電流密度小于該值時，出水中硝酸鹽氮和總氮的濃度均隨電流密度的升高而明顯降低；而大于該值時，出水中上述兩種濃度明顯上升。說明電極生物膜法促進反硝化有最佳電流密度[3]。

3 結(jié)語

（1）膠凝材料基電極具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，具有不易腐蝕、材料易得、成本低、便于推廣等優(yōu)點。

（2）該設(shè)備對ANAMMOX工藝末端出水中硝酸鹽氮的去除效果明顯，在溫度為28℃，C/N為1，HRT為6h時，反應(yīng)器工作的最佳電流密度為0.09mA/cm2，電流密度偏離最佳值時，去除效果降低。當加載電流密度為0.1mA/cm2時，出水硝酸鹽氮和總氮的濃度分別為4.86mg/L和10.73mg/L，去除率分別為88.76%和83.30%。

參考文獻

[1] 楊昌柱，陳建平，張敬東，等.生物膜-電極法在廢水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2006，26（11）：1-3.

[2] 吳未紅，袁興中，曾光明，等.電極-生物膜法去除地下水中硝酸鹽氮[J].水處理技術(shù)，2005，31（5）：55-57.

[3] 龐朝暉，彭彩紅，段鐵軍.電極生物膜處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水氨氮的實驗研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2014，5：74-78.