电流强度对3D-BER去除硝酸氮性能的影响

陈泽新 杨晓婷 董京洲 李俊成 李金成

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

三维生物膜电极反应器(3D-BER)通常采用活性炭作为颗粒电极，将阴极电化学反应产氢，颗粒电极的吸附催化和自养型反硝化菌生物膜脱氮作用相结合，不需要外加有机物和氢源，同时利用阳极产生的CO2作为无机碳源，并形成pH缓冲体系，实现高硝酸氮去除率，降低亚硝酸产生[1]。同时由于颗粒电极的存在，增大了生物电极面积，提高了电流效率[2]。本研究通过对阴极结构的改进，构建一个新型的三维生物膜电极反应器，并以此对含硝酸氮的模拟地下水进行了去除研究，分析了电流强度对三维生物膜电极反应器接种生物膜前后的硝酸氮去除性能影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验原水

1.2 实验装置

反应器阴阳极布置形式采用上下对称布置的方式，下部为不锈钢阴极，上部为石墨阳极，阴阳极之间填充颗粒活性炭，粒径2 mm～4 mm，作为颗粒电极，从而构成三维电极。反应器直径为150 mm，电极间距为50 mm。有效容积为0.8 L。反应器结构见图1。

1.3 实验方法

为考察3D-BER反应器在纯电化学条件下对硝酸氮的去除情况，实验将反应器分为两组，一组反应器不进行自养反硝化菌的接种，称为三维电化学反应器(Three-Dimensional Chemical Reactor，3D-CER)。另则对反应器的阴极和颗粒电极部分接种自养型反硝化菌，形成三维生物膜电极反应器(3D-BER)，接种启动过程如下:

1)3D-BER的启动。接种液取自某污水厂脱氮段的活性污泥，经对污泥的淘洗、离心分离、富集培养后形成含有氢自养反硝化菌的接种液，将接种液填充反应器有效体积的70%，再用营养液充满，采用内循环的方式进行挂膜培养，每1周更换上述接种液和营养液，经过约2个月的培养，硝酸氮去除率可稳定达到85%以上，并且在颗粒电极表面形成了肉眼可见的一层白色生物膜，启动过程完成[3]。2)实验方法。根据资料及前期研究结果，考虑反应器的实际运行条件，实验中保持温度T=25 ℃，控制进水硝酸氮浓度为30 mg/L，pH=7左右，水力停留时间为12 h。实验中改变电流强度，研究反应器对水中硝酸氮的去除以及亚硝酸氮和氨氮的累积情况，电流强度的梯度设置为20 mA，40 mA，60 mA，80 mA，每次改变电流强度，先稳定运行48 h后，再测定运行一周期后的出水硝酸氮、亚硝酸氮和氨氮浓度及pH值。

1.4 分析方法

2 实验结果及分析

2.1 对硝酸氮去除率的影响

实验结果如图2所示。

第二阶段电流从40 mA上升到60 mA为稳定区，硝酸氮去除率略有下降。当电流强度较低时，阴极区的氢气以微小气泡的形式产生，有利于氢气溶解于水，从而提高微生物氢气利用率。但是，当电流强度增大后，氢气量上升，氢气气泡变大，以致于其容易从水中脱出，并且电流强度大阳极会发生析氧反应抑制微生物反硝化作用[6]。

电流强度对3D-CER硝酸氮去除率的影响随电流强度升高持续上升，与3D-BER变化趋势完全不同。3D-BER去除效果在大部分电流强度范围内都要优于3D-CER，说明电流强度对微生物的还原作用产生影响，从而体现在硝酸氮去除率上。

2.2 对亚硝酸氮累积的影响

由图3可以看出，电流强度对3D-CER和3D-BER出水亚硝酸氮浓度累积的影响较小，随电流强度从20 mA升高到80 mA，3D-CER出水亚硝酸氮浓度从5.7 mg/L上升到7.1 mg/L，而3D-BER出水亚硝酸氮浓度则在1.4 mg/L～3.3 mg/L之间波动。这是由于在电流强度大时，3D-CER中亚硝酸根的生成量速率要快于其被还原的速率，所以出现亚硝酸氮积累现象，而3D-BER中亚硝酸还原菌能利用增大电流强度时产生充足的电子供体将亚硝酸氮还原，从而减轻亚硝酸氮积累的程度。

2.3 对氨氮累积的影响

2.4 对反应器内pH的影响

如图5所示，出水pH随电流强度增大而降低，阴极区pH随电流强度增大而增大，说明阴极区是产碱反应，阳极区是产酸反应。

由于出水pH要低于进水，则产酸量要大于产碱量。3D-BER的产酸产碱量要大于3D-CER，因为氢自养反硝化菌反应本身就是一个产碱的过程。但是当电流强度小于60 mA时，阴极区pH保持相对稳定的pH值，说明反应器具有一定的缓冲作用。

3 结语

新型的三维生物膜电极反应器在没有外加碳源和氢源的条件下，可以有效去除地下水中的硝酸氮。当电流强度为40 mA；阴阳极间距50 mm；进水硝酸氮浓度为30 mg/L；进水pH=7；水力停留时间12 h，3D-BER硝酸氮的最高去除效率可达90.15%，亚硝酸氮的累积量为2 mg/L左右，而氨氮的累积量最大为3 mg/L。

[1] Feleke,Z.Selective Reduction of Nitrate to Nitrogen Gas in a Biofilm-Electrode Reactor[J].Wat.Res,1998,32(9):2728-2734.

[2] Sakakibara Y.Denitrification and neutralization with an electrochemical and biological reactor[J].Wat.sci.tech,1994,30(6):151-155.

[3] Dong Y L,Adela R,Lee M,et al.Appl Environ Microbiol[J].2002,68(5):2140-2147.

[4] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京：中国环境科学出版社,2002.

[5] 葛艳菊.电极—生物膜反应器去除厌氧氨氧化出水中硝酸氮的性能研究[D].北京：北京市环境保护科学研究院,2007.

[6] 周欲飞.电极生物膜组合工艺去除地下水硝酸氮的试验研究[D].杭州：浙江大学,2010.

[7] 唐金晶,郭劲松,方 芳,等.三维电极生物膜脱氮系统的电场响应性[J].重庆大学学报,2013(5):138-142,150.

[8] 周贵忠，孙 静，张 旭，等.地下水生物反硝化碳源材料研究[J].环境科学与技术，2008，31(37)：4-10.

[9] 赵国智.电极生物膜反硝化去除地下水中硝酸氮的实验研究[D].杭州：浙江大学,2011.

[10] S.Ghafari,M.Hasan,M.K.Aroua.Nitrate remediation in a novel upflow bioelectrochemical reactor(UBER)using palm shell activated carbon as cathode material,Electrochim.Acta，2009(54)：4164-4171.