复三维电极-生物膜反应器脱除饮用水中硝酸盐的试验研究
摘要：研究了连续流复三维电极-生物膜反应器在不同电流、温度和pH条件下的反硝化性能.结果表明,在电流从0mA增加至100mA的过程中,NO3--N去除率随电流增大而升高;电流为100mA时NO3--N去除率最高,达到了73.8%,出水NO3--N浓度为8.27mg·L-1;电流高于100mA时,NO3--N去除率略有下降.电流从0mA增加至150mA的过程中,NO2--N积累量先增加后减少;电流为60mA时NO2--N的积累最为严重.温度为31~35℃时,反硝化效果较好,出水NO3--N浓度低于10mg·L-1;温度为35℃时,NO3--N去除率最高,达到了85.5%.pH值为7.2~8.2时,反硝化效果较为理想,出水NO3--N浓度在10mg·L-1以下,NO2--N浓度低于1mg·L-1.该反应器具有较好的pH缓冲性能,进水pH从5.5上升至9.0的过程中,其出水pH可维持在7.6~8.2,NO3--N去除率在59.6%~80.2%.此外,电流、温度和进水pH还对氨氮的生成量和总磷的去除产生明显影响.通过复三维电极-生物膜反应器与纯电化学反应器的对比试验,对氨氮产生和总磷去除的可能原因进行了分析和探讨.
关键词：复三维电极-生物膜反应器，反硝化，除磷，电流，温度，pH
饮用水中的硝酸盐污染已成为比较普遍的环境污染问题.研究发现,高浓度硝酸盐会诱发蓝婴病及其它癌症的产生,对人类的身体健康构成了巨大威胁.目前,常用的脱除饮用水中硝酸盐的方法是异养生物反硝化,但该方法一般需要投加有机物(如甲醇、乙醇、醋酸等),因而处理成本较高,另一方面所投加有机物的性质还会影响微生物产率,并产生大量的生物污泥.同时,若有机基质投加不足,易导致水中亚硝酸盐氮的积累,若投加过量,则残留的有机基质会造成二次污染.近年来,国内外学者开发了电极-生物膜脱硝反应器,该反应器利用电化学和生物化学的耦合作用,采用自然吸附法或固定化技术在阴极表面培养自养反硝化细菌,在低压直流电作用下,阴极表面的反硝化菌以电解水产生的氢气为电子供体,发生反硝化反应将硝酸盐氮还原,因此,被人们认为是适合处理饮用水中硝酸盐的生物脱氮新工艺之一.
电化学反应是一种在电极表面上进行的非均相反应,反应物必须到达反应界面才能参与反应.单极电化学生物膜反应器由于电极面积较小,一般存在硝氮去除率较低、水力停留时间长、亚硝氮积累严重等问题.而在传统二维电解槽中装填一定体积的规则填料使之成为三维电极反应器,可以增大电极表面积,促进反应物的迁移,有效提高反应速度,减少水力停留时间.此外,范彬等的研究也证实三维电极系统可以极大地提高电流效率.因此,笔者自行设计了一套以活性炭和石灰石的混合物为填料的复三维电极-生物膜反应器,在对其接种并培养驯化约40d后,研究不同电流、温度和进水pH对反应器反硝化性能的影响,确定适宜的运行参数,并探讨进出水总磷浓度的变化,以期开发更高效的电极-生物膜反应器.
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