复三维电极-生物膜反应器脱除饮用水中硝酸盐的试验研究

摘要

我国是一个水资源短缺的国家,改革开放以来,在取得巨大经济成就的同时,大量工农业和居民生活废水的排放污染了水体,使饮用水安全受到严重威胁。近年来硝酸盐污染饮用水源的问题已引起越来越多的关注和重视。电极-生物膜反应器(biofilm-electrode reactor,BER)反硝化技术将电化学法和自养生物膜法相结合,与需要外加碳源的传统异养反硝化工艺相比,被认为是适合处理受硝酸盐污染的微污染饮用水的新工艺之一。
　　 本文以自行设计的复三维电极-生物膜反应器(three dimentional Biofilm-Electrode Reactor,3d-BER)为技术载体,开展了反应器接种、驯化和运行条件的优化研究,使其具备了较好的反硝化性能,考察了电流、温度、进水pH、流量及氮磷比(N/P)等因素对该反应器反硝化性能的影响。主要得到以下结果:
　　 1.电流的变化对反应器的反硝化性能具有较大的影响。NO3--N去除率在电流从0 mA增加至100 mA的过程中随电流增大而迅速升高,当电流高于100 mA时,NO3--N去除率略有下降。NO2--N的积累量在电流从0 mA增大至150 mA的过程中呈现先增加后减少的抛物线型,电流为60mA时NO2--N的积累最为严重。NH4+-N生成浓度在电流从0 mA增大至80 mA的过程中逐渐增大,并在80mA时达到最大值4.91 mgL-1,之后随电流增大,NH4+-N生成量有所减少。
　　 2.在16℃-35℃的温度范围内,3d-BER的反硝化性能随温度升高而提高,温度为35℃时,NO3--N去除率达到了85.5％。温度从16℃上升到35℃的过程中,NO2--N积累量先增加后减少。在16℃～35℃的温度范围内,出水中均有一定浓度的NH4+-N生成。
　　 3.3d-BER具有良好的pH缓冲能力,进水pH从5.5升至9.0的过程中,出水pH可维持在7.6～8.2。在此过程中,NO3--N去除率先随进水pH升高而增大,进水pH为7.2时,NO3--N去除率最高达80.2%。其后随pH升高,NO3--N去除率下降。进水pH从.5.5上升至9.0的过程中,NO2--N积累浓度先降低后升高,并在进水pH为8.2时有最小值0.15 mg L-1。NH4+-N的生成浓度则呈先增后降的规律。当进水pH为8.2时,NH4+-N的生成浓度值最大为2.09 mg L-1。
　　 4.进水流量对反应器的去除效果有明显影响。进水流量从95 mL h-1增加至195 mL h-1的过程中,NOH--N去除率由89.1%降低至52.7%。进水流量增大的过程中,NO2--N积累浓度急剧增加。在此过程中,NH4+-N生成浓度先增加后减少,当进水流量为140 mLh-1时达最大值4.50 mg L-1。
　　 5.对反应器中NH4+-N的生成原因进行了分析,认为是微生物的同化反硝化作用和硝酸盐的电化学还原作用的结果。与纯电化学反应器的对比试验表明,反应器中氨氮的生成主要与生物作用有关。
　　 6.维持NO3--N浓度在30 mg L-1左右时,改变N/P使之在5:1到100:1的范围内变化,对NO3--N的去除未见明显影响。N/P从5:1增大至10:1时,NO2--N生成量由0.79 mg L-1降低至0.27 mg L-1,之后随N/P继续增大,NO2--N积累浓度值逐渐增大。NH4+-N的生成也受到N/P的影响,N/P从5:1增大至100:1的过程中,NH4+-N生成浓度由4.50 mg L-1逐渐减小至0.26 mg L-1。
　　 7.3d-BER具有较好的除磷功能,电流、温度、进水pH、流量和N/P对反应器的除磷效果均有一定的影响。电流在0 mA～150 mA时,TP去除率可达51.3%～93.O%。在16℃～35℃的温度范围内,TP去除率随温度升高而增加。在进水pH从5.5上升到9.0的过程中,TP去除率逐渐增加。总体而言,TP去除率随进水流量和N/P的增大而下降。与纯电化学反应器的对比试验表明,磷的去除主要与生物作用有关。