电极-SBR法处理城市污水脱氮除磷的研究
[关键词]电极；SBR 法；城市污水；生物脱氮除磷
[中图分类号]X5 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2012)05-0268-02
Nitrogen and Phosphorus Removal in Municipal Sewage Treatment by Electrode SBR
Chen Xinyi1, Shi Jianyun2
Abstract: In the paper, we wanted to know the differences of the effects of wastewater treatment with sequencing batch reactor if is electrode. The experiment indicated, even through in the treatment effect of nitrogen or phosphorus, electrode-sequencing batch reactor is better than sequencing batch reactor. That the electrode reaction has created the oxygen consistency of the electrode surface level reduction and restrains the more growth nitrifying the fungus, and on the other hand electrolysis provides H+ as the electronics reception body for nitrifies fungus, and has promoted denitrify the reaction. Hydrogen that the cathode gives has formed the anaerobic areas, and the denitrifies fungus probably is being short of the organic matter that the utilization is adsorbed under the oxygen condition and does the anti-absorb that nitrifies the capacity accomplishing opposite phosphorus of carbon source.
Keywords: electrode；sequencing batch reactor (SBR)；municipal wastewater；biological nitrogen and phosphorus removal
随着经济建设的高速发展，随着化肥、洗涂剂、农药和各种其它化学物质的普遍使用城市污水中的氮、磷含量不断增加。一般的生物处理或二级处理对氮、磷的去除效果很差。如果高氮、磷含量的废水排入湖泊或不能流动的水体则将导致水体的富营养化使水休中藻类大量繁殖，而藻类死亡后又会使水体受到其分解产物的二次污染而消耗大量的溶解氧，为此需要对含氮磷量偏高的城市污水进行脱氮除磷处理。在此基础上，结合了广州市城市污水水质的特点以及国内外相关报道，提出了电极—SBR 法处理城市污水除磷脱氮的方法。并对次进行了理论探讨和实验研究[1-2]。
1 电极生物法的发展概况
早在 1988 年，Funchs 等[3]已将生物处理方法与电化学方法结合起来，应用于反硝化除氮。1990 年，Senda 将氧化还原酶修饰在电极上，应用于传感器和反应器中，其明显特征是能对酶反应进行电化学控制。
1992 年，Mello[4]等首次提出电极—生物反应器的概念。他们将NO3- 、NO2-、N2O 还原酶与藏红T 等具有电子传递能力的染料基质相混合后，涂布在阴极表面，制成生物膜电极。经过固定，酶的活性及染料的电子传递能力均有所提高，电极为固定化酶有效地提供还原能力。他们还首先提出了“电流提供反硝化还原力”、“电流促进和控制反硝化”等概念。
1993 年，Y.Sakakibara 等[5-6]将脱氮菌固定在阴极表面，对地面水和饮用水中的浓度NO3-进行处理，取得了很好的效果。在推导模型时，又提出了电极--生物膜的概念[7]， Flora 则称之为生物膜电极[8]。
1994 年，Sakakibara[9]研究了阳极反应对脱氮的影响。他认为，由于NO3-的迁移率比Na+的高，为保持电中性，主体溶液OH –浓度升高。碳阳极的氧化则有利于中和OH -，降低溶液pH，增强厌氧环境，从而有利于生物脱氮。
Kuroda[10]在反应器中投加乙酸钠，提高了脱氮速率。实验表明，脱氮效率随C/N 比的增加而增加，C/N 为1 的时候达到最大，在5 小时的水力停留时间中，NO3-的还原率达到90 %以上，无残余的乙酸盐及NO2-存在，脱氮效率为未投加乙酸钠时的3.8 倍。
在国内，电极生物膜处理废水方面的研究起步不久。黄民生对影响电极生物膜反硝化作用的一些因素进行了研究[11]。结果表明，电场条件下，阴极生物膜法反硝化效果良好，生物膜的培养驯化时间和条件、温度及进水溶解氧浓度等因素对反硝化效果产生一定影响。1997 年，黄民生还对具有反硝化能力的氢细菌特性进行了系统的总结[12]。
2001 年，范彬等构造了异养—电极—生物膜联合反应器以脱除地下水的硝酸盐[13]。实验发现，运行过程中，当投加的有机基质小于完全反硝化的计量时，可以通过电化学手段所具有的反硝化能力对残留的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮进行脱除。
随着电极生物膜法在近年来迅速发展，把电解引入生物膜法已经成为了一项新型废水处理技术，电解技术在生物领域应用已开始逐步深入。尽管近年来电解—生物法的一些研究逐渐增多，但这些研究很多都局限于地下水或饮用水的反硝化脱氮。
2 材料与方法
2.1 实验材料
本试验在原有研究[16-17]的基础上，对比电极-SBR 法与普通传统SBR 法处理城市污水脱氮除磷的效果比较。实验装置有电极-SBR 和传统SBR 两种反应器。实验装置如图1 所示。
以上两种反应器外形尺寸相同，由原来的聚乙烯瓶进行改装而得的。它们的大小一致，长为14.5 cm，宽为8.0 cm，高为16.5cm。有效容积为1650 mL。
电极系统阴、阳极为石墨板，该石墨板的石墨含量为90 %，长为 13.0 cm，宽为6.7 cm，厚1.0 cm，阴极板总面积约为：2×2×13×6.7=348.4 cm2；电场总面积为：2×13×6.7=174.2 cm2。电解槽由三块电极板隔成三等份。电阳极置于槽中间；电阴极置于槽的两边。曝气装置有ACO-5503 型空气泵(功率：6 W；风量：4.2 L/min；风压：3.5 PSI),曝气头和氧气管若干。装置位于反应器的下部，氧气由下至上输送。
电源采用一个线性直流稳压稳流电源(龙威仪器设备制造厂)，型号和参数分别为：APR-3005，0~30 V，0~5 A; 同时连接一个毫安表(广州永生仪表厂)，一个电压表(武汉三五仪表厂)对电流电压进行准确调测。
电源开关、曝气开关采用定时控制，定时控制仪器(郑州鸿联电子有限公司)的型号和参数分别为：TB 1025 型，220 V，0~30 A。
2.2 实验方法
按照常规 SBR 反应器所需的污泥浓度，分取广州市某污水处理厂厌氧池、好氧池和缺氧池的部分污泥按一定的配比加入反应器中。加至400 mL 左右。同时除去石墨碳板所占的体积，每次进水大约1 L左右。每天(实验时间在五月份)基本运行周期如下(以下所取样，均为澄清后所取上清液分析)：
按比例配水，将等量等浓度等水质废水分别倒入两反应器中；
厌氧搅拌 1.5 h，搅拌器为自制小马达扇叶搅拌；
好氧曝气 4~5 h；
结束曝气，缺氧搅拌，石墨板加电源通电0.5 h；
沉淀出水(取样分析点)；
研究过程中有关项目的分析方法，测试方法均按国家环保局编[18]，1997 年版《水和废水监测分析方法》进行。
3 实验结果
3.1 CODCr 的去除
从图 2 的出水CODCr 的处理效率来看，加电极的生物处理比不加电极的一方略好。平均高出10 %~15 %。
3.2 TP 的去除
从图 3 可以看出，电极—SBR 法的去除率在85 %~95 %之间，传统SBR 法在75 %~80 %之间，从磷去除率来看，电极—SBR 法比传统SBR 法好。我们认为电极对磷的去除有一定的作用。同时从出水的磷的含量来看，硝酸盐氮的含量对微生物在厌氧时释放磷有一定的抑制作用。
3.3 总氮的去除
从图 4 的实验对比结果看，有加电极的SBR 反应器的总氮去除率比没有电极的SBR 的高，高出5 %~10 %。
4 小结
文章通过实验从宏观上对电极—SBR 和传统SBR 的出水总磷、总氮和CODCr 等指标的测定，再结合微观上对微生物活性及数量的观察研究，说明电场作用下微生物对氮、磷等营养物的摄取情况，寻找能对微生物摄取营养产生最佳影响的实验条件。同时研究把电极引入SBR 法对废水处理效果的影响，得到以下的主要研究结论：
(1)污泥中的亚硝化菌的世代生长周期较长，适应电极作用下的生长环境能力不强；从微观的角度看，低电压电场的作用对硝化菌和亚硝化菌的影响不大。但有在驯化初期有一定的抑制作用。
(2)在SBR 法中引入电极，对脱氮处理的效果有所提高。在生物新陈代谢的过程中引入电解作用，有利于强化电解氧化还原作用降解有机污染物，提高了微生物对硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的彻底转化。为反硝化菌提供H+作为电子受体，有利于生物反硝化除氮。
(3)在SBR 法中引入电极，对除磷效果有一定影响。虽然在电极－SBR 法中，除磷还是主要依靠聚磷菌在厌氧时放磷，好氧时吸磷来进行，但是电极的加入，提高了聚磷菌的反应速度，从而提高了除磷效果。
(4)由于电场的作用，造成了电极表层的氧气浓度降低，抑制了硝化/亚硝化菌的生长，并在电解的过程中为反硝化提供H+作为电子受体，促进了反硝化反应。而阴极板上产生的氢气形成了缺氧环境，反硝化菌可能在缺氧的条件下利用氢作为载体对硝酸盐氮、亚硝酸盐氮进行彻底的氧化还原成氮气。
综上所述，笔者认为研究城市污水的电解—生物法处理过程具有一定的实际意义和应用价值，但将电解—生物法这一技术广泛应用于城市污水除磷脱氮，还有待进一步的研究和探索。
参考文献
[1]熊建英，杨海真．城市污水除磷脱氮处理工艺概况[J]．环境导报，1999(1)：11-13．
[2]朱苓，王毓芳．生物膜电极法在废水处理中的应用[J]．污染防治技术，1998，11(1)：45-47．
[3]Fuchs，Uwe and Furst，Peter．Method and apparatus for electro-biological reactors，especially water purification．DE 3838170 (C1．C12 p3/00)，17，May，1990．Appl．10，Nov，1998．
[4]Mellor R B．Reduction of nitrate and nitrite in water by immobilized enzymes[J]．Nature，1992(355)：717-719．
[5]Sakakibara M Y ． Biocatalyst-immobilized electrode and method for treatment of water by use of the electrode．EP573226(C1．C12 M1/40)，8 Dec．1993．
[6]Sakakibara M Y ． Electric prompting and control of denitrification[J]．Biotech．Bio-eng．，1993(42)：535-537．
[7]Sakakibara Y ． Modeling of electrochemically-activated denitrifying biofilm[J]．Wat．Res．，1994，28(5)：1077-1086．
[8]Flora J R V．Numerical modeling of a bilfilm-electrode reactor used for enhanced denitrification[J]．Wat．Sci．Tech．，1994，29(10-11)：517-524．
[9]Sakakibara Y．Denitrification and neutralization with an electrochemical and biological reactor[J]．Wat．Sci．Tech．，1994，30(6)：151-155．
[10]Kuroda M．High-rate denitrification of nitrate polluted water by a bioelectro reactor process[J]．水环境学会志，1994，17(10)：623-631．
[11]黄民生，高廷耀．电极生物膜法反硝化试验研究[J]．上海环境科学，1996，15(6)：25-27．
[12]黄民生．具有反硝化能力的氢细菌特性及其应用[J]．上海环境科学，1997，16(1)：36-37，43．
[13]邱凌峰，陈远铭．电极生物膜法应用于微污染源水预处理反硝化环节的试验研究[J]．福州大学学报：自然科学学报，2000，28(2)：116-120．
[14]范彬．异养-电极-生物膜联合反应器脱除地下水中硝酸盐的研究[J]．环境科学学报，2001，21(3)：257-262．
[15]曲久辉．电极产氢自养反硝化去除地下水中硝酸盐氮的研究[J]．环境科学，2001，22(6)：49-52．
[16]张乐华．电极—生物法处理城市污水技术及应用研究[D]．广东工业大学工学硕士论文，2002．
[17]李彦．电极生物膜法处理城市污水的研究[D]．广东工业大学工学学士论文，2002．
[18]国家环保局，水和废水监测分析方法(第三版)[M]．中国环境科学出版社，1997．
(本文文献格式：陈欣义，石键韵．电极-SBR 法处理城市污水脱氮除磷的研究[J]．广东化工，2012，39(5)：268-269)
[作者简介] 陈欣义(1980-)，男，汕头人，硕士，主要从事水处理工作。
