碳氮比对生物膜法处理氮污染地下水的影响分析

程雅楠　王田田　张鹏

摘要：通过调整碳氮比（C/N）对电极生物膜处理含硝酸盐氮、亚硝酸盐氮地下水的效果进行了分析，研究了不同条件下地下水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的去除率。研究结果表明：当C/N =1.00受污染地下水中硝酸盐氮去除率最高，达到97%；亚硝酸盐氮检出量≤0.01 mg/L，同时未检测出超标外加碳源。当C/N≥1.00或者C/N≤1.00时，地下水硝酸盐氮及亚硝酸盐氮的检出率均大幅增加。说明在去除地下水氮污染过程中，碳氮比（C/N）对生物膜表面的降解菌生长影响较大，进而影响了硝酸盐氮的去除率，增加了亚硝酸盐氮的积累。

关键词：电极生物膜；反硝化；硝酸盐氮；亚硝酸盐氮

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18010903

1引言

可供人类利用的淡水资源中68%为地下水，而近几年水质监测结果显示，地下水也受到不同程度的污染，包括硝酸盐污染、氨氮污染等＼[1～5＼]。有研究表明世界75%～80%的人口的灌溉用水依赖于地下水，50%的城市居民的生活用水和将近90%的农村地区的居民生活用水是以地下水为饮用水水源，然而地下水的健康状况却不容乐观。长期以来人类重视发展经济而忽视了环境保护，导致目前地下水污染问题比较严重，而硝酸盐污染是地下水污染中的一个非常重要的方面＼[6＼]。本文采用电极生物膜法对受硝酸盐污染的地下水进行修复，研究其处理效果并深入研究其技术原理。

2实验材料与方法

2.1实验材料

2.1.1实验装置

图1工艺流程图中实验装置的有效容积为12 L，外筒直径260 mm，高300 mm；内筒直径75 mm，高180 mm。内置微生物载体为长约150 mm的80%棉、20%晴纶材质棉线，有效体积约为3200 cm3。

设备中电极阳极（碳棒）的有效表面积约为4000 mm2。总长度4600 mm的电极阴极（不锈钢丝）包埋于棉质微生物载体内。反应器中采用WX-77962-00型蠕动泵用以均匀水质，另设有MP-15RN 型磁力驱动循环泵用以确保反应器内水流循环。

本实验选用人工模拟受硝酸盐污染的地下水。试验选用市政自来水为主体水环境，其中含定量的NaNO3模拟受硝酸盐氮污染水，实验过程中选用甲醇作为反硝化作用中的碳源＼[7＼]（表1）。

本装置特点：

①可附着的生物量大；

②阴极电化学的还原作用能够去除硝酸盐污染；

③降解氮污染微生物可以利用电极阳极上发生氧化反应产生的CO2，进而降解污染物。

1为原水 ；2为蠕动泵；3为反应器电源；4为电极阳极（碳棒）；5为电极阴极（不锈钢丝）；6为棉质微生物载体；7为水系统循环泵；8为溢水孔；9为导体

2.1.2主要实验仪器

本实验使用主要仪器如表2所示。

2.2分析项目及方法

2.2.1污泥的接种

本实验所用污泥取自污水处理机构，进行实验室模拟培养，培养水系统每24 h更换，培养适应期共7 d。

2.2.2分析方法

硝酸盐测定采用紫外分光光度法＼[8＼]，选用TU-1901 双光束紫外分光光度计进行测定，测定试剂选用1 mol/L的盐酸溶液、氢氧化铝悬浮液以及0.8%的氨基磺酸溶液。紫外分光光度法是在求得吸光度的校正值后，从校准曲线中算得相应的硝酸盐氮质量浓度＼[9＼]。

亚硝酸盐的测定，采用我国检验水中亚硝酸盐氮的标准方法为重氮偶合分光光度法＼[8＼]，与氨基苯磺酰胺重氮偶合后，采用分光光度计比色定量＼[10＼]。pH值及温度均由pH计测定。

3结果与讨论

在不同碳氮比C/N条件下，模拟受污染地下水环境中的含氮有机物氧化分解实验参数及结果如图2所示。

（a）硝酸盐分解率在不同碳氮比作用时的变化（b）亚硝酸盐氮浓度在不同碳氮比作用时产生的pH值变化

图2含氮有机物在不同碳氮比作用下氧化分解变化趋势

根据图2（a）分析得出，不同碳氮比下反应器的处理效果不同。碳氮比为3.00，水力停留时间为8 h时，硝酸盐氮得到完全的去除，随之碳氮比經3.50、2.50、1.50、1.20、1.00、0.70、0.50递减，硝酸盐氮浓度缓慢增长。

图2（b）数据显示，实验初期及中期模拟污染水系统中亚硝酸盐氮含量很低，均满足地下水水质指标中亚硝酸盐氮浓度限值（≤0.02mg/L）。随着碳氮比降至1.00后，亚硝酸盐含量明显高出水质指标限值。说明在反应过程中，产生较多量的亚硝酸盐氮。

图3分析了不同C/N下反应器进出水中COD含量的变化。图中数据显示，随C/N的减少，进出水中COD浓度均有所下降。当碳氮比C/N持续减少至1.00以下时COD无检出，说明添加的甲醇在反应过程中已被分解＼[11＼]。

4结论

（1）碳源是电极生物膜反应器中获取高效反硝化效率的主要控制参数，C/N代表有机碳源的量，过高的C/N会产生水质污染，进而增加水处理药剂，提高运行成本。但过低的C/N则会过度积累亚硝酸盐导致反硝化不完全，因此污染物降解过程中碳源类型及碳氮比值的确定十分重要。

（2）反硝化过程中产生亚硝酸盐氮积累，是由于硝酸盐氮降解反应过程中硝酸盐降解菌的还原酶作用强于亚硝酸盐还原作用，抑制了亚硝酸盐还原＼[12～14＼]，从而产生大量亚硝酸盐氮。

（3）硝酸盐氮降解反应中的，当C/N为1.00时，污染物降解完全，去除率已达到95%，因此说明去除地下水氮污染过程中最佳碳氮比为1.00。

致谢：本实验工作由中国环境监测总站张鹏工程师等协助完成，在此表示感谢。endprint

參考文献：

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Effect of C / N Ratio on Treatment of Nitrogen-Contaminated Groundwater by Biofilm Process

Chen Yanan1， Wang Tiantian1， Zhang Peng2

（1. CCCC Railway Consultants Group Co.， Ltd， Bijing 100088， China； 2. China National Environmental Monitoring Center， Bijing 100012， China）

Abstract： The removal rate of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen in the groundwater are different due to the change of C/N. The result show that： when the optimum C/N is 1.00， the nitrate nitrogen removal rate reached the maximum value 97% and nitrite concentration was ≤0.01 mg/L. The content of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen has increased considerably when C/N≥1.00 or C/N≤1.00 of groundwater. The results indicated that in the process of nitrogen pollution removing. The growth of the biodegradable bacteria is much affected by C/N on the surface of the biofilm， and then the removal rate of nitrate nitrogen was affected. The accumulation of nitrite nitrogen was also increased.

Key words： biofilm-electrode reactor； denitrification； nitrate nitrogen； nitrite nitrogenendprint