隨著(zhù)經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，隨著(zhù)化肥、洗涂劑、農藥和各種其它化學(xué)物質(zhì)的普遍使用城市污水中的氮、磷含量不斷增加。一般的生物處理或二級處理對氮、磷的去除效果很差。如果高氮、磷含量的廢水排入湖泊或不能流動(dòng)的水體則將導致水體的富營(yíng)養化使水休中藻類(lèi)大量繁殖，而藻類(lèi)死亡后又會(huì )使水體受到其分解產(chǎn)物的二次污染而消耗大量的溶解氧，為此需要對含氮磷量偏高的城市污水進(jìn)行脫氮除磷處理。在此基礎上，結合了廣州市城市污水水質(zhì)的特點(diǎn)以及國內外相關(guān)報道，提出了電極—SBR 法處理城市污水除磷脫氮的方法。并對次進(jìn)行了理論探討和實(shí)驗研究。
1 電極生物法的發(fā)展概況
早在 1988 年，Funchs 等已將生物處理方法與電化學(xué)方法結合起來(lái)，應用于反硝化除氮。1990 年，Senda 將氧化還原酶修飾在電極上，應用于傳感器和反應器中，其明顯特征是能對酶反應進(jìn)行電化學(xué)控制。
1992 年，Mello等首次提出電極—生物反應器的概念。他們將NO3- 、NO2-、N2O 還原酶與藏紅T 等具有電子傳遞能力的染料基質(zhì)相混合后，涂布在陰極表面，制成生物膜電極。經(jīng)過(guò)固定，酶的活性及染料的電子傳遞能力均有所提高，電極為固定化酶有效地提供還原能力。他們還首先提出了“電流提供反硝化還原力”、“電流促進(jìn)和控制反硝化”等概念。
1993 年，Y.Sakakibara 等將脫氮菌固定在陰極表面，對地面水和飲用水中的濃度NO3-進(jìn)行處理，取得了很好的效果。在推導模型時(shí)，又提出了電極--生物膜的概念， Flora 則稱(chēng)之為生物膜電極。
1994 年，Sakakibara研究了陽(yáng)極反應對脫氮的影響。他認為，由于NO3-的遷移率比Na+的高，為保持電中性，主體溶液OH –濃度升高。碳陽(yáng)極的氧化則有利于中和OH -，降低溶液pH，增強厭氧環(huán)境，從而有利于生物脫氮。
Kuroda在反應器中投加乙酸鈉，提高了脫氮速率。實(shí)驗表明，脫氮效率隨C/N 比的增加而增加，C/N 為1 的時(shí)候達到最大，在5 小時(shí)的水力停留時(shí)間中，NO3-的還原率達到90 %以上，無(wú)殘余的乙酸鹽及NO2-存在，脫氮效率為未投加乙酸鈉時(shí)的3.8 倍。
在國內，電極生物膜處理廢水方面的研究起步不久。黃民生對影響電極生物膜反硝化作用的一些因素進(jìn)行了研究。結果表明，電場(chǎng)條件下，陰極生物膜法反硝化效果良好，生物膜的培養馴化時(shí)間和條件、溫度及進(jìn)水溶解氧濃度等因素對反硝化效果產(chǎn)生一定影響。1997 年，黃民生還對具有反硝化能力的氫細菌特性進(jìn)行了系統的總結。
2001 年，范彬等構造了異養—電極—生物膜聯(lián)合反應器以脫除地下水的硝酸鹽[13]。實(shí)驗發(fā)現，運行過(guò)程中，當投加的有機基質(zhì)小于完全反硝化的計量時(shí)，可以通過(guò)電化學(xué)手段所具有的反硝化能力對殘留的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮進(jìn)行脫除。
隨著(zhù)電極生物膜法在近年來(lái)迅速發(fā)展，把電解引入生物膜法已經(jīng)成為了一項新型廢水處理技術(shù)，電解技術(shù)在生物領(lǐng)域應用已開(kāi)始逐步深入。盡管近年來(lái)電解—生物法的一些研究逐漸增多，但這些研究很多都局限于地下水或飲用水的反硝化脫氮。
2 材料與方法
2.1 實(shí)驗材料
本試驗在原有研究的基礎上，對比電極-SBR 法與普通傳統SBR 法處理城市污水脫氮除磷的效果比較。實(shí)驗裝置有電極-SBR 和傳統SBR 兩種反應器。實(shí)驗裝置如圖1 所示。
以上兩種反應器外形尺寸相同，由原來(lái)的聚乙烯瓶進(jìn)行改裝而得的。它們的大小一致，長(cháng)為14.5 cm，寬為8.0 cm，高為16.5cm。有效容積為1650 mL。
電極系統陰、陽(yáng)極為石墨板，該石墨板的石墨含量為90 %，長(cháng)為 13.0 cm，寬為6.7 cm，厚1.0 cm，陰極板總面積約為：2×2×13×6.7=348.4 cm2；電場(chǎng)總面積為：2×13×6.7=174.2 cm2。電解槽由三塊電極板隔成三等份。電陽(yáng)極置于槽中間；電陰極置于槽的兩邊。曝氣裝置有ACO-5503 型空氣泵(功率：6 W；風(fēng)量：4.2 L/min；風(fēng)壓：3.5 PSI),曝氣頭和氧氣管若干。裝置位于反應器的下部，氧氣由下至上輸送。
電源采用一個(gè)線(xiàn)性直流穩壓穩流電源(龍威儀器設備制造廠(chǎng))，型號和參數分別為：APR-3005，0~30 V，0~5 A; 同時(shí)連接一個(gè)毫安表(廣州永生儀表廠(chǎng))，一個(gè)電壓表(武漢三五儀表廠(chǎng))對電流電壓進(jìn)行準確調測。
電源開(kāi)關(guān)、曝氣開(kāi)關(guān)采用定時(shí)控制，定時(shí)控制儀器(鄭州鴻聯(lián)電子有限公司)的型號和參數分別為：TB 1025 型，220 V，0~30 A。
2.2 實(shí)驗方法
按照常規 SBR 反應器所需的污泥濃度，分取廣州市某污水處理廠(chǎng)厭氧池、好氧池和缺氧池的部分污泥按一定的配比加入反應器中。加至400 mL 左右。同時(shí)除去石墨碳板所占的體積，每次進(jìn)水大約1 L左右。每天(實(shí)驗時(shí)間在五月份)基本運行周期如下(以下所取樣，均為澄清后所取上清液分析)：
按比例配水，將等量等濃度等水質(zhì)廢水分別倒入兩反應器中；
厭氧攪拌 1.5 h，攪拌器為自制小馬達扇葉攪拌；
好氧曝氣 4~5 h；
結束曝氣，缺氧攪拌，石墨板加電源通電0.5 h；
沉淀出水(取樣分析點(diǎn))；
研究過(guò)程中有關(guān)項目的分析方法，測試方法均按國家環(huán)保局編[18]，1997 年版《水和廢水監測分析方法》進(jìn)行。
3 實(shí)驗結果
3.1 CODCr 的去除
從圖 2 的出水CODCr 的處理效率來(lái)看，加電極的生物處理比不加電極的一方略好。平均高出10 %~15 %。
3.2 TP 的去除
從圖 3 可以看出，電極—SBR 法的去除率在85 %~95 %之間，傳統SBR 法在75 %~80 %之間，從磷去除率來(lái)看，電極—SBR 法比傳統SBR 法好。我們認為電極對磷的去除有一定的作用。同時(shí)從出水的磷的含量來(lái)看，硝酸鹽氮的含量對微生物在厭氧時(shí)釋放磷有一定的抑制作用。
3.3 總氮的去除
從圖 4 的實(shí)驗對比結果看，有加電極的SBR 反應器的總氮去除率比沒(méi)有電極的SBR 的高，高出5 %~10 %。
4 小結
文章通過(guò)實(shí)驗從宏觀(guān)上對電極—SBR 和傳統SBR 的出水總磷、總氮和CODCr 等指標的測定，再結合微觀(guān)上對微生物活性及數量的觀(guān)察研究，說(shuō)明電場(chǎng)作用下微生物對氮、磷等營(yíng)養物的攝取情況，尋找能對微生物攝取營(yíng)養產(chǎn)生最佳影響的實(shí)驗條件。同時(shí)研究把電極引入SBR 法對廢水處理效果的影響，得到以下的主要研究結論：
(1)污泥中的亞硝化菌的世代生長(cháng)周期較長(cháng)，適應電極作用下的生長(cháng)環(huán)境能力不強；從微觀(guān)的角度看，低電壓電場(chǎng)的作用對硝化菌和亞硝化菌的影響不大。但有在馴化初期有一定的抑制作用。
(2)在SBR 法中引入電極，對脫氮處理的效果有所提高。在生物新陳代謝的過(guò)程中引入電解作用，有利于強化電解氧化還原作用降解有機污染物，提高了微生物對硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的徹底轉化。為反硝化菌提供H+作為電子受體，有利于生物反硝化除氮。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
(3)在SBR 法中引入電極，對除磷效果有一定影響。雖然在電極－SBR 法中，除磷還是主要依靠聚磷菌在厭氧時(shí)放磷，好氧時(shí)吸磷來(lái)進(jìn)行，但是電極的加入，提高了聚磷菌的反應速度，從而提高了除磷效果。
(4)由于電場(chǎng)的作用，造成了電極表層的氧氣濃度降低，抑制了硝化/亞硝化菌的生長(cháng)，并在電解的過(guò)程中為反硝化提供H+作為電子受體，促進(jìn)了反硝化反應。而陰極板上產(chǎn)生的氫氣形成了缺氧環(huán)境，反硝化菌可能在缺氧的條件下利用氫作為載體對硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮進(jìn)行徹底的氧化還原成氮氣。
綜上所述，筆者認為研究城市污水的電解—生物法處理過(guò)程具有一定的實(shí)際意義和應用價(jià)值，但將電解—生物法這一技術(shù)廣泛應用于城市污水除磷脫氮，還有待進(jìn)一步的研究和探索。
