电流对MEC3DBERS脱氮除磷效果的影响及机理分析

中国环境科学2016,36(8)：2388~2394ChinaEnvironmentalScience电流对MEC-3DBER-S脱氮除磷效果的影响及机理分析王建超1,2,郝瑞霞1*,周彦卿1(1.北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124；2.中国核电工程有限公司河北分公司,河北石家庄050000)摘要：针对低C/N污水处理厂二级处理出水中氮、磷去除问题,基于三维电极生物膜工艺(3DBER)反硝化脱氮碳源消耗量少的特点,构建了微电凝聚-三维电极生物膜耦合硫自养强化脱氮除磷工艺(MEC-3DBER-S).对比研究了3DBER与MEC-3DBER-S在不同电流强度条件下的运行特性,并结合基于nirS基因的克隆文库技术分析了MEC-3DBER-S中反硝化微生物的构成.运行结果表明,MEC-3DBER-S有效强化了氮、磷的去除效果,特别是提高了低电流条件下的脱氮效率;同时电流作用能够促进海绵铁腐蚀,提高除磷效果.当C/N=1.5、HRT=8h、I=300mA条件下,其TN和TP去除率分别达到75%和78%,分别比3DBER高10%和28%左右.基于nirS基因的克隆文库结果表明,MEC-3DBER-S中同时存在与具有异养、氢自养、硫自养和铁自养反硝化功能的菌属相似的细菌.该体系中有机碳源、H2、单质硫和Fe2+等电子供体可相互补充,强化了脱氮;同时,体系中还存在物化联合生物除磷的作用,强化了除磷.因而,MEC-3DBER-S复合反硝化体系保证了较高的脱氮除磷效果.关键词：三维电极生物膜反应器；复合反硝化；脱氮除磷；克隆文库；电子供体中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)08-2388-07Influenceofelectriccurrentforenhancingnitrogenandphosphorusremovalefficiencyandmechanismanalysisonmicroelectrocoagulationcombined3-dimensional-biofilm-electrodewithsulfurautotrophicdenitrificationtechnology.WANGJian-chao1,2,HAORui-xia1*,ZHOUYan-qing1(1.KeyLaboratoryofWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,HebeiBranch,Shijiazhuang050000,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(8)：2388~2394Abstract：A3-dimensionalbiofilmelectrodereactor(3DBER)coupledwithsulfurautotrophicdenitrificationsystemwasdevelopedbyintegratingwithmicro-electrocoagulationprocess.Thenovelprocess,namelyMEC-3DBER-S,wassetuptoenhancetheremovalefficiencyofnitrogenandphosphorusfortheeffluentoflowC/Nratiofrommunicipalwastewatertreatmentplant(WWTP).ThecharactersofMEC-3DBER-Swerecomparedwiththatof3DBERunderdifferentcurrentconditions.Moreover,thebiofilmdenitrifyingbacteriacommunitywasalsoanalyzedinMEC-3DBER-SsystembasedonthelibraryofnirSgenecloningtechnology.TheresultsindicatedthattheremovalefficiencyofnitrogenandphosphorusareintensifiedinMEC-3DBER-Sprocessascomparedto3DBER,especiallythedenitrificationunderthelowercurrentconditions.Phosphorusremovalefficiencycouldbeimprovedbythespongeironcorrosionprocessthatwasinducedbythefunctionofcurrent.Thenitrogenandphosphorusremovalefficiencieswerereachedabout75%and78%respectively,whichwere10%and28%higherthanthatof3DBERundertheconditionofC/N=1.5,HRT=8h,I=300mA.Inaddition,itwasfoundthatheterotrophicdenitrifyingbacteria,hydrogenautotrophicdenitrifyingbacteria,sulfurautotrophicdenitrifyingbacteriaandironautotrophicdenitrificationdenitrifyingbacteriasimultaneouslyexistedinMEC-3DBER-Ssystem,whichcouldrespectivelyutilizeorganiccarbon,H2,sulfurandFe2+aselectrondonorsfordenitrification.Thedenitrificationefficiencycouldbeimprovedandstabilizedbythemutualcomplementationofthedifferentelectrondonors.Inthemeantime,therewouldbethephysical,chemicalandbiologicaleffectsthatwereresultedinmoreefficientforphosphorusremovalinthesystem.Thus,ahighernitrogenandphosphorusremovalefficiencycouldbeguaranteedinMEC-3DBER-Sprocess.收稿日期：2016-01-05基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378028)*责任作者,教授,[e-mail]8期王建超等：电流对MEC-3DBER-S脱氮除磷效果的影响及机理分析2389Keywords：3-dimensionalbiofilmelectrodereactor；compounddenitrifying；nitrogenandphosphorusremoval；clonelibrary；electrondonor污水再生回用是解决水资源危机的必然途径.受污水处理技术限制,城市污水经二级生物处理后仍含有较高浓度的氮、磷等植物营养物质,不能完全确保回用水的生态安全,特别是回用于景观补水和地下水回灌时,较高的氮、磷会对水环境生态系统造成严重影响[1].城市污水厂尾水C/N(COD/TN)普遍低于生物反硝化脱氮所需的理论值2.86[2],存在碳源不足的问题,常规生物深度脱氮技术往往需额外投加有机碳源,增加了处理成本,易造成二次污染[3-4];且在深度除磷方面存在一定的难度[5].因此,突破传统工艺的局限并探索针对于低C/N污水厂尾水中氮、磷深度去除新工艺的研究成为目前迫切需要解决的关键问题.三维电极生物膜工艺(3DBER)是电化学作用和生物反硝化作用相耦合的一种脱氮过程.该工艺同时存在自养反硝化和异养反硝化两种生物脱氮过程,能够节省脱氮过程中有机碳源的消耗[6];另外,外加电流可以刺激和强化微生物的代谢和传质过程,促进生物反应进程,强化污染物的去除,特别适用于低C/N城市污水厂二级生物处理出水的深度脱氮处理[7].目前,关于3DBER的研究主要集中在填料构成和反应器结构等方面.王海燕[8]、Wan等[9]分别针对不同结构的电化学氢自养与硫自养集成脱氮反应器进行了研究,均取得了较高的脱氮效果;孟成成等[10]将单质硫/活性炭混合作为3DBER填料构建了三维电极生物膜耦合硫自养脱氮工艺,试验证明该工艺具有电子供体补偿能力强、有机碳源消耗量少、水力停留时间短和pH值缓冲能力强的特点,并强化了脱氮效果;而后,王建超等[11]以海绵铁/活性炭混合作为3DBER填料进行研究,发现其具有同步脱氮除磷的效果,但存在出水pH值偏高的问题,从而影响脱氮效果的进一步提高.本研究基于3DBER反硝化脱氮碳源消耗量少的特点,利用海绵铁、硫磺和活性炭填料,构建了微电凝聚-三维电极生物膜耦合硫自养强化脱氮除磷工艺(MEC-3DBER-S),用于强化低C/N污水厂二级处理出水中氮、磷的去除效果.电流是影响该系统运行特性的关键因素,其会促进H2产生和海绵铁腐蚀,进而影响系统的脱氮除磷效果[12-14].本文通过对比3DBER与MEC-3DBER-S在不同电流条件下的运行效果,并结合基于nirS基因的克隆文库结果,分析了MEC-3DBER-S的脱氮除磷机理.该研究对于提高低C/N污水处理厂尾水的脱氮除磷效果,提高再生水品质具有重要意义.1材料与方法1.1试验装置及启动1232111105496III78图1MEC-3DBER-S试验装置示意Fig.1SchematicdiagramofMEC-3DBER-SⅠ.MEC反应区;Ⅱ.3DBER-S反应区;1.进水桶;2.蠕动泵;3.反冲洗管;4.布水板;5.承托层;6.阴极;7.绵铁/活性炭复合填料;8.单质硫/活性炭复合填料;9.生物膜取样口;10.取水样口;11.阳极;12.直流电源MEC-3DBER-S装置采用连续升流式反应器,结构如图1所示.有机玻璃材质,内径25cm,承托层高度10cm,反应区分为Ⅰ、Ⅱ前后两段,分别高32cm和64cm,总有效容积15L.MEC反应区以海绵铁/活性炭复合为填料,填充体积比从上至下呈1:8→1:5递增分布,其中海绵铁和活性炭粒径均为5~8mm;3DBER-S反应区以单质硫/活性炭2390中国环境科学36卷复合为填料,体积比为1:5,其中单质硫和活性炭粒径均为5~8mm.石墨棒阳极设在反应器中央,贯穿3DBER-S反应区,并止于MEC反应区填料表层以下10cm处;为增大阴极表面积,利于微生物附着,以内夹聚丙烯腈活性炭纤维的双层泡沫镍为阴极,贯穿MEC和3DBER-S反应区,紧靠反应器壁设置.与之对比运行的常规三维电极生物膜工艺(3DBER)的装置设计尺寸与MEC-3DBER-S相同,不同之处体现在:(1)结构方面,3DBER不分隔反应区,且阳极下端贯穿所有填料固定于布水板上;(2)填料方面,3DBER填料均为活性炭颗粒.1.2分析仪器表1为指标测定用到的相关仪器仪表.表1设备一览表Table1Equipmentlist项目测定方法备注pH值pH计上海三信PHS-3C型TNTOC/TN分析仪jenamultiN/C3000NH4+-N纳氏试剂分光光度UVmini-1240分光光度计TP钼酸铵分光光度法UVmini-1240分光光度计NO2--N/NO3--N离子色谱仪Metrohm861SO42-离子色谱仪Metrohm861CODCOD快速测定仪北京连华科技1.3试验用水进水