新型三维生物膜电极法处理地下水硝酸盐的研究

唐兆国

（山东建筑大学，山东 济南250101）

近年来，对地下水NOX-N 的去除主要可分为三类：化学法（通过投加一些药剂，使硝酸盐被还原进而得到去除）、物理化学相结合的法（比如有蒸馏、反渗透、电渗析、离子交换等）、生物法。而很多研究人员确信在这三类之中生物法最有发展前景。生物法一般可分为：原位生物脱氮法和反应器生物脱氮[3]。在地下水的脱氮方面，BER 技术与其它方法技术相比具有很多明显的优势，因此得到了较大的关注，也具有深入研究的意义。因此，本论文通过构建一种新型三维生物膜电极反应器，研究对地下水脱氮能力的影响因素。

1 试验方法

首先构建新型三维生物膜电极反应器，然后培养反硝化细菌，并使反应器完成挂膜从而让电极负责反硝化菌。最后进行小试实验，通过比较不同电流强度、HRT 条件下NOX-N 的去除效果，来确定主要影响因素和选出较好的工作条件。

经查阅资料且综合考虑，本次试验以采用石墨阳极，不锈钢阴极，活性炭为颗粒电极，石英砂为绝缘材料，反应器原理图如图1。

图1 反应器装置

反应器整体采用钢化玻璃，系统为竖流式。进水口在系统下部，出水口在系统上部，进出水口口径为25mm，最高处设气管和电管的进口。反应器直径为200mm，高500mm，有效使用容积为4L，并且整个反应器由底部150mm，顶部150mm 和中间200mm 三部分通过法兰连接组成，分别构成了系统的进水区域、反应区域和排气区域。反应器的下部设置直径200mm 的玻璃挡板，其上布满孔径为10mm 圆孔，以便均匀进水和分布，也可起到支撑固定阴阳极的作用。正常工作过程，按时用蠕动泵进行反冲洗，以免避免颗粒电极滤层堵塞并去除多余的杂质。试验水样采用自来水并用KNO3调配，碳源选择葡萄糖，配制试验水质范围如表1。

表1 试验水质范围

2 电流强度对去除NOX-N 的影响

电流可以把水电解为氢气（H2），并以电子供体的形式作用于反硝化细菌，从而可以认为电子供体的数量可以由电流强度决定。但是若是电流强度过大，微生物的活性也会受到影响，也会加快活性炭阳极的溶解，对水质产生明显的影响。当电流强度过小时，H2产量不足，不利于脱氮，还会导致亚硝酸盐的积累。本次小试实验设置电流范围为10-90 mA，梯度为10mA，其它工况为定值，即水温250C，pH 值7.5，NO3--N 为29mg/L，HRT为10h。

电流强度对NO3--N 的影响效果如图2 所示。

由图2 可以看出，初始阶段随着电流强度提高，硝酸盐氮的去除效果也在增强，当电流强度达到40mA 的时候，硝酸盐去除率可以达到90%左右。当电流强度再继续上升的时候，硝酸盐去除率下降，先平缓下降后急速下降，最后当电流强度达到70mA 时，去除率趋于平稳，电流已基本不会起到促进作用，并且在试验中发现出水中含有黑色杂质颗粒，影响了水质。试验结果与之前的理论分析基本吻合，符合预期。本次试验得出的最佳电流强度范围为40-50mA。

电流强度对NO2--N、氨氮的影响效果如图3 所示。

图2 电流强度对NO3—-N 去除率的影响

图3 电流强度对NO2--N、氨氮的影响

图4 HRT 对NO3--N 去除率的影响

图5 HRT 对NO2--N、氨氮的影响

由图3 可以看出，随着电流强度的增加，亚硝氮的含量急速升高，当电流强度为40mA 时，亚硝氮的积累量达到峰值；随着电流强度的继续增加，亚硝氮的积累开始急速下降，当电流强度为50mA 时，亚硝氮的积累量达到最低；电流强度再增加，亚硝氮的含量也处于稳定状态。由此我们分析出，随着电流强度的增大，电子供体（H2）供应量得到了提高，促进了反硝化作用，产生了氮气（N2）；当电流强度超过50mA 时，电子供体（H2）已得到满足，不会再利于反硝化反应，相反由于过大的电流强度，对反硝化细菌产生了一定的抑制作用。由上图还可以看出氨氮的变化规律：当电流强度30mA 时，出水氨氮值达到顶峰；继续加大电流强度，出水氨氮值急速下降，在电流强度达到40-50 mA时，出水氨氮值达到最低值；之后再加大电流强度，出水氨氮浓度稍有反弹但总体稳定。

综上所述，在该工况条件下，即水温250C，pH 值7.5，NO3-N为29mg/L，HRT 为10h，我们可以得知电流强度最佳氛围在40mA-50mA。

3 HRT 对去除NOX-N 的影响

HRT 即水力停留时间它会影响反应器的容积，在实际生产中也会影响水池的容积，从而降低功效。本次小试实验把HRT分别设为2.3h、3.8h、6.2h、8.0h 及10.8h 五个时间梯度。其他工况为定值，即水温270C，pH 值7.2，NO3-N 为29mg/L，电流强度为45mA。HRT 对NO3--N 的影响效果如图4 所示。

由图4 可以得知，在该时间梯度范围内，随着HRT 的增加，NO3--N 的去除率也逐渐增加，两者近似为线性关系。HRT 对NO2--N、氨氮的影响效果如图5 所示。

由图5 可以得知，当HRT 小于4h 的时候，亚硝氮的含量是呈递增趋势的，随着HRT 的增长，亚硝氮的积累量持续下降，10h 之后会降到0.2 mg/L 以下。分析原因，这是因为水与微生物接触时间过短的时候，电子供体（H2）数量有限，系统来不及完全运行，NO3--N 会和亚硝氮处于一个竞争的状态，且NO3-N 处于优先地位。所以接触时间越长，反应时间越长，反硝化就越彻底，亚硝氮的积累现象就越不明显。由图5 也可以看出，HRT 在前6个小时时氨氮含量处于较低水平，6-8h 氨氮含量快速增长，之后平稳下降。这是由于生产氨氮主要可以分为两种，第一种是在电流作用下硝酸氮在阴极附件发生电解反应产生氨氮，第二种是微生物的氨化作用。因此随着HRT 的增加，微生物与废水接触反应时间越长，反硝化效果也越完全。综上所述，在该工况条件下，HRT 与NOX-N 的去除率基本呈正比关系。当然该组试验也存在局限性，选取的时间梯度过少，无法完全反应HRT 与硝酸盐氮的关联，这点不足要在今后的试验中弥补。

4 结论

电流强度主要是通过提供电子供体（H2）来影响反硝化反应，当数值为40-50mA 时为最佳。数值过小无法完全进行反硝化作用，数值过大会影响出水水质和微生物活性，也不利于反硝化。在试验工况条件和HRT 梯度下，HRT 与硝酸盐的去除率呈正比关系。但过长的HRT 会增大反应器容积，影响效率。实际生产中要多方面考虑，选择合适的HRT。