新型三維生物膜電極法處理地下水硝酸鹽的研究

唐兆國

（山東建筑大學，山東 濟南250101）

近年來，對地下水NOX-N 的去除主要可分為三類：化學法（通過投加一些藥劑，使硝酸鹽被還原進而得到去除）、物理化學相結合的法（比如有蒸餾、反滲透、電滲析、離子交換等）、生物法。而很多研究人員確信在這三類之中生物法最有發展前景。生物法一般可分為：原位生物脫氮法和反應器生物脫氮[3]。在地下水的脫氮方面，BER 技術與其它方法技術相比具有很多明顯的優勢，因此得到了較大的關注，也具有深入研究的意義。因此，本論文通過構建一種新型三維生物膜電極反應器，研究對地下水脫氮能力的影響因素。

1 試驗方法

首先構建新型三維生物膜電極反應器，然后培養反硝化細菌，并使反應器完成掛膜從而讓電極負責反硝化菌。最后進行小試實驗，通過比較不同電流強度、HRT 條件下NOX-N 的去除效果，來確定主要影響因素和選出較好的工作條件。

經查閱資料且綜合考慮，本次試驗以采用石墨陽極，不銹鋼陰極，活性炭為顆粒電極，石英砂為絕緣材料，反應器原理圖如圖1。

圖1 反應器裝置

反應器整體采用鋼化玻璃，系統為豎流式。進水口在系統下部，出水口在系統上部，進出水口口徑為25mm，最高處設氣管和電管的進口。反應器直徑為200mm，高500mm，有效使用容積為4L，并且整個反應器由底部150mm，頂部150mm 和中間200mm 三部分通過法蘭連接組成，分別構成了系統的進水區域、反應區域和排氣區域。反應器的下部設置直徑200mm 的玻璃擋板，其上布滿孔徑為10mm 圓孔，以便均勻進水和分布，也可起到支撐固定陰陽極的作用。正常工作過程，按時用蠕動泵進行反沖洗，以免避免顆粒電極濾層堵塞并去除多余的雜質。試驗水樣采用自來水并用KNO3調配，碳源選擇葡萄糖，配制試驗水質范圍如表1。

表1 試驗水質范圍

2 電流強度對去除NOX-N 的影響

電流可以把水電解為氫氣（H2），并以電子供體的形式作用于反硝化細菌，從而可以認為電子供體的數量可以由電流強度決定。但是若是電流強度過大，微生物的活性也會受到影響，也會加快活性炭陽極的溶解，對水質產生明顯的影響。當電流強度過小時，H2產量不足，不利于脫氮，還會導致亞硝酸鹽的積累。本次小試實驗設置電流范圍為10-90 mA，梯度為10mA，其它工況為定值，即水溫250C，pH 值7.5，NO3--N 為29mg/L，HRT為10h。

電流強度對NO3--N 的影響效果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，初始階段隨著電流強度提高，硝酸鹽氮的去除效果也在增強，當電流強度達到40mA 的時候，硝酸鹽去除率可以達到90%左右。當電流強度再繼續上升的時候，硝酸鹽去除率下降，先平緩下降后急速下降，最后當電流強度達到70mA 時，去除率趨于平穩，電流已基本不會起到促進作用，并且在試驗中發現出水中含有黑色雜質顆粒，影響了水質。試驗結果與之前的理論分析基本吻合，符合預期。本次試驗得出的最佳電流強度范圍為40-50mA。

電流強度對NO2--N、氨氮的影響效果如圖3 所示。

圖2 電流強度對NO3—-N 去除率的影響

圖3 電流強度對NO2--N、氨氮的影響

圖4 HRT 對NO3--N 去除率的影響

圖5 HRT 對NO2--N、氨氮的影響

由圖3 可以看出，隨著電流強度的增加，亞硝氮的含量急速升高，當電流強度為40mA 時，亞硝氮的積累量達到峰值；隨著電流強度的繼續增加，亞硝氮的積累開始急速下降，當電流強度為50mA 時，亞硝氮的積累量達到最低；電流強度再增加，亞硝氮的含量也處于穩定狀態。由此我們分析出，隨著電流強度的增大，電子供體（H2）供應量得到了提高，促進了反硝化作用，產生了氮氣（N2）；當電流強度超過50mA 時，電子供體（H2）已得到滿足，不會再利于反硝化反應，相反由于過大的電流強度，對反硝化細菌產生了一定的抑制作用。由上圖還可以看出氨氮的變化規律：當電流強度30mA 時，出水氨氮值達到頂峰；繼續加大電流強度，出水氨氮值急速下降，在電流強度達到40-50 mA時，出水氨氮值達到最低值；之后再加大電流強度，出水氨氮濃度稍有反彈但總體穩定。

綜上所述，在該工況條件下，即水溫250C，pH 值7.5，NO3-N為29mg/L，HRT 為10h，我們可以得知電流強度最佳氛圍在40mA-50mA。

3 HRT 對去除NOX-N 的影響

HRT 即水力停留時間它會影響反應器的容積，在實際生產中也會影響水池的容積，從而降低功效。本次小試實驗把HRT分別設為2.3h、3.8h、6.2h、8.0h 及10.8h 五個時間梯度。其他工況為定值，即水溫270C，pH 值7.2，NO3-N 為29mg/L，電流強度為45mA。HRT 對NO3--N 的影響效果如圖4 所示。

由圖4 可以得知，在該時間梯度范圍內，隨著HRT 的增加，NO3--N 的去除率也逐漸增加，兩者近似為線性關系。HRT 對NO2--N、氨氮的影響效果如圖5 所示。

由圖5 可以得知，當HRT 小于4h 的時候，亞硝氮的含量是呈遞增趨勢的，隨著HRT 的增長，亞硝氮的積累量持續下降，10h 之后會降到0.2 mg/L 以下。分析原因，這是因為水與微生物接觸時間過短的時候，電子供體（H2）數量有限，系統來不及完全運行，NO3--N 會和亞硝氮處于一個競爭的狀態，且NO3-N 處于優先地位。所以接觸時間越長，反應時間越長，反硝化就越徹底，亞硝氮的積累現象就越不明顯。由圖5 也可以看出，HRT 在前6個小時時氨氮含量處于較低水平，6-8h 氨氮含量快速增長，之后平穩下降。這是由于生產氨氮主要可以分為兩種，第一種是在電流作用下硝酸氮在陰極附件發生電解反應產生氨氮，第二種是微生物的氨化作用。因此隨著HRT 的增加，微生物與廢水接觸反應時間越長，反硝化效果也越完全。綜上所述，在該工況條件下，HRT 與NOX-N 的去除率基本呈正比關系。當然該組試驗也存在局限性，選取的時間梯度過少，無法完全反應HRT 與硝酸鹽氮的關聯，這點不足要在今后的試驗中彌補。

4 結論

電流強度主要是通過提供電子供體（H2）來影響反硝化反應，當數值為40-50mA 時為最佳。數值過小無法完全進行反硝化作用，數值過大會影響出水水質和微生物活性，也不利于反硝化。在試驗工況條件和HRT 梯度下，HRT 與硝酸鹽的去除率呈正比關系。但過長的HRT 會增大反應器容積，影響效率。實際生產中要多方面考慮，選擇合適的HRT。