三維生物膜電極反應(yīng)器處理地下水中硝酸鹽的研究.pdf

1、三維生物膜電極反應(yīng)器(3D-BER)是一種新型水處理反應(yīng)器，本研究在大量資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)常規(guī)BER反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了一種新型3D-BER，并用其對(duì)地下水中的硝酸鹽進(jìn)行了處理。反應(yīng)器陽極為石墨板，陰極為不銹鋼網(wǎng)，顆粒電極采用活性炭，陰極設(shè)計(jì)為呈螺旋型布設(shè)于反應(yīng)器中，有效的加大了陰極與顆粒電極之間的接觸面積，增高了電流效率進(jìn)而增強(qiáng)了反硝化效果。通過接種培養(yǎng)和馴化，研究了反應(yīng)器的啟動(dòng)過程，并利用啟動(dòng)后的反應(yīng)器對(duì)地下水中的硝酸鹽氮進(jìn)行了

2、處理研究，分析了各種影響因素和運(yùn)行條件的優(yōu)化，研究表明新型的反應(yīng)器處理地下水中硝酸鹽氮是可行的，硝酸鹽氮去除率保持在83％左右。
　　3D-BER的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)分為循環(huán)培養(yǎng)和連續(xù)進(jìn)水培養(yǎng)兩個(gè)階段。首先利用取自污水廠的反硝化菌源，通過8個(gè)周期的傳代培養(yǎng)過程，篩選培養(yǎng)出反硝化菌接種液，然后用此反硝化菌液對(duì)3D-BER進(jìn)行接種培養(yǎng)，經(jīng)過15天的循環(huán)培養(yǎng)后，循環(huán)液中硝酸鹽氮的去除率達(dá)到穩(wěn)定，電極上出現(xiàn)了一層很薄的微生物薄膜，可以認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)已

3、存在一定量的反硝化微生物，接種完成。在連續(xù)進(jìn)水啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)C/N和電流強(qiáng)度，研究了3D-BER反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)果顯示當(dāng)進(jìn)水硝酸鹽濃度40mg/L，電流強(qiáng)度40mA，C/N在2-10之間，硝酸氮的去除率保持在99.77％左右不變，主要是異養(yǎng)反硝化菌承擔(dān)反硝化作用;而當(dāng)C/N從1降到0時(shí)，去除率下降但穩(wěn)定在50％左右，這時(shí)主要是氫型自養(yǎng)菌承擔(dān)反硝化作用。為使異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化菌實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，本實(shí)驗(yàn)C/N取1。經(jīng)過兩個(gè)半月的微生物

4、接種馴化培養(yǎng)過程，顆粒電極表面覆蓋了一層厚厚的乳白色生物膜，通過光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡(SEM)等手段判斷，反應(yīng)器中主要的反硝化菌包含假單胞菌屬、腸桿菌科、不動(dòng)桿菌屬和微球菌。
　　用培養(yǎng)成熟后的3D-BER反應(yīng)器對(duì)地下水中的硝酸氮的去除進(jìn)行研究，分析了主要的影響因素，包括進(jìn)水硝酸鹽濃度、電流強(qiáng)度、水力停留時(shí)間和進(jìn)水pH。通過單因子分析實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)果:
　　(1)進(jìn)水硝酸鹽濃度對(duì)硝酸氮的去除存在一個(gè)最佳范圍，硝酸鹽氮濃度受

5、很多條件因素影響，最佳去除率為90.29％。濃度較低或過高都會(huì)抑制反硝化進(jìn)行。
　　(2)電流越大產(chǎn)生的H2越多，本實(shí)驗(yàn)電流強(qiáng)度在30-45mA時(shí)硝酸氮去除率最高達(dá)到91.36％;但此時(shí)對(duì)應(yīng)的亞硝酸鹽氮積累量和氨氮濃度也最大。電流在10-60mA之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流效率大于100％。
　　(3)水力停留時(shí)間主要決定傳質(zhì)時(shí)間，還影響水中的溶解氧，水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)有利于反應(yīng)器去除效率的提高，但是時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)增加運(yùn)行成本，結(jié)合反應(yīng)器

6、的經(jīng)濟(jì)性考慮，停留時(shí)間不易小于6h。
　　(4)進(jìn)水pH主要是影響反硝化菌的生長(zhǎng)情況，最佳生長(zhǎng)pH為7.0-8.0之間，去除率達(dá)到77.37％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示反應(yīng)器進(jìn)水pH對(duì)處理效果影響較小，這是由于該反應(yīng)器具有pH緩沖作用，使反應(yīng)器內(nèi)部pH始終保持在7.11左右。
　　為了研究不同影響因素之間的相互作用以及找出顯著影響因素和最佳反應(yīng)條件，研究采用Plackett-Burman(PB)法和Box-Behnken Design(

7、BBD)法對(duì)影響因素:進(jìn)水硝酸鹽濃度(A)、電流強(qiáng)度(B)、水力停留時(shí)間(C)和進(jìn)水pH(D)對(duì)脫氮效果的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響程度大小順序?yàn)锽＞C＞A＞D。
　　采用N=12的PB設(shè)計(jì)法，以硝酸鹽氮的去除率Y(％)為響應(yīng)值，得出的回歸方程如下：Y(％)=82.9+0.0.271×A-0.528×B+2.07×C-0.856×D
　　采用N=15的BBD設(shè)計(jì)方法，以硝酸鹽氮的去除率Y(％)為響應(yīng)值，得出的回歸方程如下