电极生物膜法应用于污水脱氮环节的试验研究①

林金彪++刘成良

摘 要：该文以胶凝材料基电极作阳极，搭建电极生物膜反应器（BER），采用人工配制的模拟废水验证了电极的稳定性和导电性。结合ANAMMOX工艺，通过研究BER对工艺出水的处理效果，得出温度为28℃，C/N为1，HRT为6h时，反应器的最佳电流密度为0.09mA/cm2；当加载电流为286mA时，反应器出水中硝酸盐氮和总氮的浓度分别4.86mg/L和10.73mg/L。结果表明：胶凝材料基电极能有效解决传统电极存在的易腐蚀、寿命短、高成本等问题，满足在BER中使用的性能要求，且反应器对ANAMMOX出水有较好的处理效果。

关键词：电极生物膜法 厌氧氨氧化 电流密度 脱氮

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0099-01

现有的电极生物膜反应器常采用石墨、活性炭、不锈钢等材料制作电极，而这些材料存在易腐蚀、造成水质二次污染、使用寿命短、成本高昂、不易安装等问题[1]。

1 实验部分

1.1 实验装置

试验中电极生物膜反应器为有机玻璃制成的立方体池子，其有效尺寸（长（宽（高））为（50cm（50cm（48cm））），有效体积为120L。内部平行放置两块阳极板和一块阴极板，间距为10cm，两块阳极分别固定于阴极两侧。三块电极浸没在液体中的体积为17.24L，整个反应器的有效容积为102.76L，有效总阴极表面积为2 863.5cm2。

1.2 实验用水

该试验配制了四种模拟废水：氨氮试验用水a、亚硝酸盐氮试验用水b、硝酸盐氮试验用水c、混合试验用水d，并引取了实验室ANAMMOX（厌氧氨氧化）工艺流水线上的两种出水：ANAMMOX反应塔出水e和生活污水f，对电极生物膜反应器中的胶凝材料基阳极进行检测试验。在废水中加入NH4HCO3提供反应所需的碳源，使C/N为1。

1.3 试验方法

该次试验以电极生物膜反应器进水种类和电流密度为依据，分为两种工况。

工况A：分别对a、b、c、d四种模拟废水进行试验，将模拟废水加入试验进水池，电极生物膜反应器出水直接回流至试验进水池。调节电源，给电极加载286mA的稳定电流，即反应器中的电流密度为0.1mA/cm2。

工况B：将ANAMMOX反应塔出水e通入试验进水池，出水进入ANAMMOX工艺流水线回收利用。取四种电流43mA、195mA、286mA、444mA，进行四次试验。

1.4 测试指标及其方法

氨氮：纳氏试剂分光光度法；亚硝酸盐氮：N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；硝酸盐氮：酚二磺酸分光光度法；pH：pH计；温度：温度计。

2 结果与讨论

影响试验的因素有进水含氮量、pH、电流密度、温度、HRT（水力停留时间）、C/N等。该次所有试验的温度均为28℃，C/N均为1，调节电磁泵使进水流量为17.13L/h，即装置的HRT均为6h。在实验中发现，反应器中的pH值维持在性7～8之间，呈弱碱性，适合反硝化菌的生长，所以无需添加pH值缓冲体系[2]。该试验主要研究进水含氮情况和电流密度两个因素影响下，反应器去除氮素污染物的效果，以检验胶凝材料基电极的性能。

2.1 工况A

模拟废水a、b、c分别以氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮为主，模拟废水d则是三种氮素化合物的含量都比较高。分四次进行试验，测定不同废水在电极生物膜反应器中三种氮素化合物浓度的变化。a、b、c三种模拟废水采样时间间隔为2d，各采样4次，每次测定5组数据，模拟废水d由于浓度比较高，采样到第6次，出水浓度稳定。其中保持电磁泵工作，是为了让反应器内的废水能流动起来，与反硝化细菌有充分的接触。

实验结果表明，自制的胶凝材料基电极不会对水质造成二次污染，反硝化细菌能成功在新电极制作的反应器中挂膜、驯化、增殖。

2.2 工况B

将ANAMMOX反应塔出水e通入试验进水池，测定加载四种电流时，电极生物膜反应器出水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的浓度变化情况。采样时间间隔为2d，其中，第8天未采样，至第9天采样，各采样6次，每次测定5组数据取平均值。待系统稳定后，记录不同电流密度下，硝酸盐氮和总氮的浓度及其去除率。

由图1知，0.09mA/cm2附近的电流密度是一个转折点。当电流密度小于该值时，出水中硝酸盐氮和总氮的浓度均随电流密度的升高而明显降低；而大于该值时，出水中上述两种浓度明显上升。说明电极生物膜法促进反硝化有最佳电流密度[3]。

3 结语

（1）胶凝材料基电极具有良好的导电性和稳定性，具有不易腐蚀、材料易得、成本低、便于推广等优点。

（2）该设备对ANAMMOX工艺末端出水中硝酸盐氮的去除效果明显，在温度为28℃，C/N为1，HRT为6h时，反应器工作的最佳电流密度为0.09mA/cm2，电流密度偏离最佳值时，去除效果降低。当加载电流密度为0.1mA/cm2时，出水硝酸盐氮和总氮的浓度分别为4.86mg/L和10.73mg/L，去除率分别为88.76%和83.30%。

参考文献

[1] 杨昌柱，陈建平，张敬东，等.生物膜-电极法在废水处理中的应用[J].工业水处理，2006，26（11）：1-3.

[2] 吴未红，袁兴中，曾光明，等.电极-生物膜法去除地下水中硝酸盐氮[J].水处理技术，2005，31（5）：55-57.

[3] 庞朝晖，彭彩红，段铁军.电极生物膜处理水产养殖废水氨氮的实验研究[J]. 中国农学通报，2014，5：74-78.