電流強度對3D-BER去除硝酸氮性能的影響

陳澤新 楊曉婷 董京洲 李俊成 李金成

(青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

三維生物膜電極反應器(3D-BER)通常采用活性炭作為顆粒電極，將陰極電化學反應產氫，顆粒電極的吸附催化和自養型反硝化菌生物膜脫氮作用相結合，不需要外加有機物和氫源，同時利用陽極產生的CO2作為無機碳源，并形成pH緩沖體系，實現高硝酸氮去除率，降低亞硝酸產生[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構的改進，構建一個新型的三維生物膜電極反應器，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，從而構成三維電極。反應器直徑為150 mm，電極間距為50 mm。有效容積為0.8 L。反應器結構見圖1。

1.3 實驗方法

為考察3D-BER反應器在純電化學條件下對硝酸氮的去除情況，實驗將反應器分為兩組，一組反應器不進行自養反硝化菌的接種，稱為三維電化學反應器(Three-Dimensional Chemical Reactor，3D-CER)。另則對反應器的陰極和顆粒電極部分接種自養型反硝化菌，形成三維生物膜電極反應器(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，經對污泥的淘洗、離心分離、富集培養后形成含有氫自養反硝化菌的接種液，將接種液填充反應器有效體積的70%，再用營養液充滿，采用內循環的方式進行掛膜培養，每1周更換上述接種液和營養液，經過約2個月的培養，硝酸氮去除率可穩定達到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。根據資料及前期研究結果，考慮反應器的實際運行條件，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，電流強度的梯度設置為20 mA，40 mA，60 mA，80 mA，每次改變電流強度，先穩定運行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 實驗結果及分析

2.1 對硝酸氮去除率的影響

實驗結果如圖2所示。

第二階段電流從40 mA上升到60 mA為穩定區，硝酸氮去除率略有下降。當電流強度較低時，陰極區的氫氣以微小氣泡的形式產生，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生析氧反應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都要優于3D-CER，說明電流強度對微生物的還原作用產生影響，從而體現在硝酸氮去除率上。

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，所以出現亞硝酸氮積累現象，而3D-BER中亞硝酸還原菌能利用增大電流強度時產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 對反應器內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pH隨電流強度增大而增大，說明陰極區是產堿反應，陽極區是產酸反應。

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

3 結語

新型的三維生物膜電極反應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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