电极生物膜法处理水中硝酸盐氮的试验研究黄显怀

第35卷第12期哈尔滨工业大学学报JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.35N.o122003年12月Dec.,2X()3电极生物膜法处理水中硝酸盐氮的试验研究黄显怀’,2,鲍立宁2,马利民,(l.中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽合肥23的26,E一mial:hhxuan乡@mial.uatc.edu.。n;2,安徽建筑工业学院环境工程系,安徽合肥23的22;3.合肥工业大学土建工程学院,安徽合肥23(刀的)摘要:采用电极生物膜工艺处理含硝酸盐氮的饮用水.研究结果表明,反应器进水硝酸盐氮35m『L,I=印mA,HRT二sh,n(C):n(N)=4,2,1时,出水硝酸盐氮去除率均95%;无外加有机物时,在I=印、100mA,HRT=12h的条件下,硝酸盐氮去除率分别为60%和95%.在异养条件下,从电极生物膜反应器中共培养分离出24株菌株,其中18株具有反硝化脱氮能力,占分离菌株数的75.0%(以肠杆菌科和假单胞菌属为主);在自养条件下,共分离出16株苗株,其中11株具有反硝化脱氮能力,占分离菌株数的68.8%(以假单胞菌属为主).关健词:电极生物膜法;饮用水;硝酸盐氮;反硝化中圈分类号:TU996.71TE另22文献标识码:A文章编号:0367一6234(2的3)12一1486一03Deintirifcaitonofdirndlngwaterbyibonlm一eleetrdoePrcoessHuANGxian一huail,2,BAou一ningZ,MAu一min3(1.cShoolOfChemist叮andMaetiriascSienee,Unive.iytofcSieneeandeTehno10gyOfChina,Hefei23加26,China,hxhuan户@mial.uste.edu.en;2.DetP.ofEnviornmentiaEnigneeirng,AnhuiInoittuteOfAcrhitectuoandIndust卿,Hefei23X()22,Chi·na;3.cShoolOfCivilEnigneeirng,HefeiUniveoityOfTechnolo盯,Hefei23《D的,China)Abstaret:hTeteratmentofN03-一eontainingwaterbyabioiflm一eleetrodeporeessdemonstratedthattheN03一书ermovaleiffeieneywasover95%atN03-一of35m岁L,1of60mA,HRTofsh,andC/Nratioof4,2,1.AtHRTof12h,Iof100and6()mAwithnoo铭aniesaddition,theN03一书removaleiffeieneieswereover95%and6()%,respeetively.hTeseparationOfbacteirainhtebiioflm一eleet耐eeractorwasalsounder-taken.hTeersultshowedthateihgteentyepsofbacteiraweerinvolvedindenitirifeationinthetwenty一four脚upssepaartedformtheheteorotrphieeractorwiht75.0%ofEntero6aeteriaeeaeandsPeudomona:脚ups.EleventyePsofbaeteirafordenitirifeationweerseparatedintheautotorphieeraeotrwith68.8%OfsPeudomonasstarins.Keywords:bioiflm一eleetrodeporeess:dirnki飞water;nitratenitorgen;deniririfeation.饮用含硝酸盐的水会给人类健康造成危害,世界卫生组织和欧共体规定饮用水中硝酸盐氮不超过11.3m岁L,美国国家环保局规定的最大质量硝酸盐污染的质量浓度为10.om岁L川.饮用水中硝酸盐的去除已引起关注.电极生物膜法是近年来发展起来的一项新型自养反硝化脱氮处理技术,用于处理低浓度硝酸盐氮污染的地下水,具有处理费用低、去除效率高、效果稳定、易控制、不需外加甲醇等有机物的特点仁’一4〕.电极生物膜法与单纯的生物膜法相收稿日期:2003一10一18.甚全项目:安徽省优秀青年科技基金资助项目(2佣1一35).作者简介:黄显怀(1965一),男,博士研究生,副教授.比,其优点主要体现在利用电极上,既可利用电极作为生物膜的载体,又可利用阴极微电解水释放出H:和阳极碳氧化产生的CO:为反硝化菌提供碳源和供氢体.碳阳极的氧化产物二氧化碳可中和反硝化脱氮产生的OH一,降低pH值,增强厌氧环境,有利于生物的脱氮.本研究探讨了在电流作用下,不同碳氮比条件下电极生物膜反应器的脱氮效果,并分离鉴定了反应器内主要脱氮微生物菌株.1试验装置与方法1.1试验装卫IIT一CSZ型直流数显恒流直流电源,DTA温第2]期黄显怀,等:电极生物膜法处理水中硝酸盐氮的试验研究·1487·度控制仪,BllX)一300M回流蠕动泵,有机玻璃反应器等;试验中采用的电极为碳电极.反应器内温度控制在(25士0.5)℃.反应器装置如图l所示.COD及浊度.No3一、NO:一指标采用紫外分光光度法,其他各项指标按标准方法测定〔’〕.……………碳电极沙·说明:l生化反应器的尺寸(高x直径):51omx7名。m;.2采用6根碳棒作为阴极,一根作为阳极;阴极之间问距为3.1om,阳极与阴极间距为5刀。叫3.阴极表面裹有活性炭纤维;4.碳棒尺寸(长x直径)为:312emxl,lom·图1生物膜电极反应器装置示意图Fig.1SehematiediagramOfbioiflmeleetrodereaetor叩pa-】.atlls微生物的驯化方法为:从城市污水处理厂水解池中取出污泥投人生物反应器内,通入电流,定期更换营养液,驯化选择处理效果好的微生物,使其附着在活性炭纤维上.反应器的操作方式为间歇操作,反应器进水由自来水、硝酸盐、醋酸钠配成含不同碳氮比的水样,试验自n(C),n(N)二4开始,每次换水时测定进、出水硝酸盐浓度,运行一段时间,当出水中硝酸盐浓度稳定在某一数值时,再逐步降低碳氮比,比较不同碳氮比下反应器的脱氮效果.反应器进水水样中,硝酸盐氮质量浓度为35m岁L1.2微生物分离与鉴定方法自运行的电极生物膜反应器中提取水样,进行细菌的分离与鉴定.分离与鉴定过程如下:2结果与讨论2.1不同碳氮比下的脱氮效果分析图2表明,不同碳氮比下出水硝酸盐浓度的差别较小,且出水硝酸盐浓度很低,硝酸盐的去除率达到95%以上.异养菌反硝化脱氮完全时,理论上n()C:n(N)1.4,实际运行中碳氮比控制在;3而在电极生物膜反应器中,即使在n(c:)n(N)二2和1时,出水硝酸盐质量浓度都很低,说明反应器体系内已有自养菌存在.卜卜十咋叫卜护本一卜卜甲人丫产,刁刁阵阵,`J卜尸.,月卜刁叶褚卜`司卜么粼娜举价阮vvv叫叫俞人一.,己(C):n(N)二4~奋,2(C):n(N)二279121315今卜钾(e):n(N)二ltd/403020oroǎ一曲乱淤艺月冬ONàd采采样样样富集培养养养接种培养养(((电极生物物物(厌氧,ld,,,(厌氧,冬3代代膜膜反应器)))))30℃)))))30℃)))戈戈lJ线分分离离培养养了了康菊冬3d___3330℃)))挑挑取单菌菌落落培养养(((厌氧,-23d,,3330℃)))图21=60mA,HRT=sh,不同碳氮比下的脱氮效果Fig.2EffeetofdenitirifeationwithdiffeerntC/Nartio在I=60mA,不同碳氮比下,从反应器进水开始,每隔lh测定出水硝酸盐质量浓度,试验结果见图3.开始lh内,不同碳氮比下的反硝化速率均较大,但随时间的延长而逐渐降低.原因是开始lh内,营养物质充分,反硝化菌能高效快速地利用营养物质进行反硝化脱氮;随着时间推延,营养物质逐渐被消耗,反硝化菌无充足的营养物质可利用,其活性有所降低,反硝化速率也逐渐降低.n(c:)n(N)=4时,体系中异养菌大量繁殖,能在短时间内将硝酸盐质量浓度降到最低;而n(C):n(N)=1时,异养菌数量较少,反应器内存在部分自养反硝化脱氮菌,反硝化速率较慢,需要较长时间才能将硝酸盐质量浓度降到最低.25002.00015.0010.005.000阪阪阪、、、____絮二牛~一一----~~~争一`干二二才一一一一今一n(C):n(N)=l-州卜-n(C):n(N)二2~n(C):n(N)二4宁曰勃已íǎN声O之àd盔醉信耍歌周十模拟反应器内的环境,碳氮比为4/1,选用的异养培养基为:2.09硝酸钾、0.2gM邓。、·7HZo、0.59悦HPO4丹.09NaAe泌09琼脂、l以X)mL蒸馏水,pH7.2一7.6.所采用的自养培养基:2.09硝酸钾刀.29Mgso;·71120、0.59玫HpO`、20.09琼脂、l仪幻mL蒸馏水,pH7.2一7.6.1.3试验分析方法本试验监测的指标有:NO:一,NO:一,PH,图3碳氮比为1,2,4;了=印n,A,硝酸盐质量浓度随时间变化Fig.3Vairationofnitartewithtime2.2无外加有机物时,自养反硝化脱氮试验结果图4表明,电极生物膜反应器内,不外加有机物作为碳源和供氢体,仅仅依靠电解产生的氢气和二氧化碳供自养反硝化菌所利用,在停留时间12h,电流增加,反硝化脱氮效果好,当进水硝酸盐氮35m岁L,电流为100mA时,出水硝酸盐去·1488·哈尔滨工业大学学报第35卷除率达到95%以上.图5表明停留时间sh,脱氮效率达到90%,在开始3h由于底物浓度较高,脱氮速率较快.反应器的出水pH为6.7一7.1,p(COD)蕊2.om岁L,浊度蕊5.Om以L,户(N02一N)簇0.lm岁L.表明电极生物膜反应器的出水只需要经过简单深度处理,即可达到饮用水卫生标准.石2“厂一衣、\Tab.表2自养菌相鉴定结果及其组成ResulstadngrouPseParatdeandidenitndeofautotorPihebcsteira分离菌株数比例/%反硝化菌株数反硝化菌比例/%假单胞菌属肠杆菌科不动杆菌属合计50l816l0(].01187.566.740.068.8一令~了二4DmA10丫瓜、丫J一,一手一十一卜」-月卜~扫一奋一了=60mA80mA一长一才二1以〕mA123456789l/d图4不同电流下,无外加有机物,HRT二12h,反应器的脱氮效果F19.4Effeotofdenitirifeationwithnoorganics图51二100mA,无外加有机物,硝酸盐浓度随时间变化Fig.5Vairarionofnitratewithtime3微生物的分离与鉴定依据细菌的形态、生理生化特征和生态特征进行细菌的分离鉴定,进行糖发酵、过氧化氢酶等12个实验,参照文献〔6]进行细菌属的归类.试验结果表明,所选用的反硝化培养基能较好地筛选出样品中利用硝酸盐的菌株,而且培养基所选用的碳源、碳氮比与反应器内一致,使分离菌株较好地保持其原有的特性.在无碳源的自养状态下,给真空罐通人Cq、践的混合气,模拟反应器内电极上的产气情况,使菌体处于厌氧或极微量氧的状态.对照实验表明,在自养培养基上,只抽真空不通混合气时,自养菌株不能生长,因此,所选用的自养培养方法是可行的.异养、自养条件下,细菌分离鉴定结果一见表1么表1异养菌相鉴定结果及其组成Tab.1ResulstandgoruPsePaartedandide心nedofheetrotorPhiebacetira属分离菌株数比例/%反硝化菌株数反硝化菌比例/%假单胞菌属833.3562.5肠杆菌科1458.31178.6不动杆菌属28.321