网站原创摘 要：根据自养反硝化理论,采用自行设计的电极生物膜反应器去除水中的硝态氮,研究了电流、碳氮比、温度等因素对反硝化过程出水中亚硝态氮浓度的影响.得出了本实验中该反应器控制出水中亚硝态氮的最佳工艺条件：电流为10mA,碳氮比为1,温度为30℃.
关 键 词：生物电化学发法；反硝化；亚硝态氮
一、引言
电极生物膜法通过在电极上挂膜,通入微电流驯化出异养反硝化菌,电解水反应在阴极上产生氢气,在阳极上产生二氧化碳,自养反硝化菌一方面通过合成作用利用二氧化碳作为碳源,利用硝态氮作为氮源合成自身生长代谢和繁殖所需的有机化合物,另一方面通过分解作用利用阴极上产生的氢气作为电子供体[1],利用硝酸盐作为无氧呼吸链末端的电子受体,将硝态氮还原为氮气,从而达到去除硝态氮污染的目的.
电极生物膜法结合了电化学与生物技术,电极电解水产生的氢气和二氧化碳都是清洁无害的产物,并且都被自养反硝化菌直接利用并参与反硝化反应[2].附着在阴极上的反硝化菌可以直接利用阴极表面的氢原子,对氢的利用更高效,并且阴极产生的氢气可以保证阴极区域的厌氧环境,有利于反硝化菌的生长和反硝化反应的顺利进行.
二、实验装置与实验方法
反应器由玻璃瓶制作,直径8.2cm,高15cm,有效体积0.8L.阴极、阳极材料均为石墨板,长10cm,宽5cm,面积50cm2,极间距2cm.反应器内置磁力转子,反应器放在数显恒温磁力搅拌器上,既可以控制温度,又可以保持反应器内的水处于搅拌状态,不至于出现浓度分层现象[3].外接稳压直流电源,可以调节电流大小.
实验用水为实验室配制的模拟用水,硝酸盐采用硝酸钠,碳源采用乙酸钠,硝酸盐进水浓度为50mg/L.
实验所用污泥采自污水处理厂的厌氧段,将活性污泥稀释到一定浓度,与营养液一起投加到反应器中,在常温、厌氧条件下培养.培养过程中采用磁力搅拌器对反应器内的污泥进行搅拌,防止污泥沉淀.培养半个月左右的时间之后,石墨电极板上出现一层微生物薄膜,这时候去掉反应器内的剩余污泥,并且不再投加营养液,改投实验室配制的模拟用水.接入直流电进行驯化,使得生物膜上的微生物能适应电场环境并且驯化出自养反硝化菌.
驯化期间,控制电流为5mA,温度为25C、碳氮比为3：1,进水硝态氮浓度为50mg/L.每天进行一次以8小时为一周期的出水硝态氮浓度测试,以了解驯化情况.当出水硝酸盐浓度基本稳定后,微生物驯化完成,可以进行实验.
三、结果与讨论
(一)电流对出水中亚硝态氮浓度的影响
设置温度30C、碳氮比2：1,停留时间6小时,进水硝态氮浓度50mg/L.把电流分别调节为1mA、3mA、5mA、8mA、10mA、15mA进行实验,测试不同电流条件下反应器出水中的亚硝态氮浓度.
实验结果表明,在不同电流条件下,反应器出水中都检测到了亚硝态氮,由于亚硝态氮是硝态氮反硝化过程中的一个中间产物[4],并且亚硝态氮的降解总是是比硝态氮有所延迟,所以在硝态氮没有完全降解完之前总是能检测到亚硝态氮的存在.实验中,在所有电流条件下反应器出水中的亚硝态氮浓度范围为0.279mg/L到0.31mg/L,起落幅度不大.电流为1mA时,反应器出水中硝态氮浓度为0.31mg/L,电流为5mA时,出水中亚硝态氮浓度0.284mg/L,之后电流进一步加大时,出水中亚硝态氮浓度几乎不变,约0.28mg/l左右.表明在微电流范围内,适当加大电流有助于降低出水中的亚硝态氮的浓度.本实验中,最佳电流值为10mA.
(二)碳氮比对出水中亚硝态氮浓度的影响
设定电流为10mA、温度为30C、停留时间为6小时、进水硝态氮浓度50mg/L.在此条件下分别对碳氮比为0、0.5、1、1.5、2、2.5进行实验,测定不同碳氮比条件下反应器出水中的亚硝态氮浓度变化.
实验结果表明,虽然在不同碳氮比条件下反应器出水中的亚硝态氮浓度各不相同,但是出水中亚硝态氮浓度数值都不大,碳氮比分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5时,对应的反应器出水中的亚硝态氮浓度分别为0.27mg/L、0.263mg/L、0.259mg/L、0.273mg/L、0.265mg/L、0.282mg/L.可以看出出水中亚硝态氮浓度总体上在0.26mg/L和0.28mg/L的范围内浮动.其中,当碳氮比为1时,出水中的亚硝态氮浓度最低.
(三)温度对出水中亚硝态氮浓度的影响
设定电流为10mA、碳氮比为2、停留时间为6小时、进水硝态氮浓度为50mg/L.分别调节温度为15C、20C、25C、30C、35C、40C,测定不同温度条件下反应器出水中亚硝态氮的浓度.
实验结果表明,温度为15C的时候,出水中亚硝态氮浓度为0.276mg/L,温度提升至20C时,出水中亚硝态氮浓度下降为0.271mg/L,可以看出温度变为25C和30C时,出水中亚硝态氮浓度进一步下降,30C时,亚硝态氮浓度最低,为0.265mg/L.35C、40C时出水中亚硝态氮浓度开始上升,35C、40C时出水中亚硝态氮浓度分别为0.266mg/L和0.268mg/L.不过从数据上看,出水中亚硝态氮浓度变化幅度也很小,最小浓度0.265mg/L和最大浓度0.276mg/L只相差0.011mg/L.
四、结论
随着微电流的增大,出水中亚硝态氮浓度会变小.本实验中最佳电流值为10mA.碳氮比过大或过小都会导致出水中亚硝态氮浓度增加,本实验中,当碳氮比为1时,出水中的亚硝态氮浓度最小.出水中的亚硝态氮随温度升高会先减小再变大.本实验中最佳温度为30C.
本实验条件下,反应器在反硝化过程中影响出水中亚硝态氮浓度的影响因素的最佳工艺条件是：电流10mA、碳氮比为1、温度为30C.