三維生物膜電極反應器處理地下水中硝酸鹽的研究.pdf

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

2、處理研究，分析了各種影響因素和運行條件的優(yōu)化，研究表明新型的反應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的啟動實驗分為循環(huán)培養(yǎng)和連續(xù)進水培養(yǎng)兩個階段。首先利用取自污水廠的反硝化菌源，通過8個周期的傳代培養(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3D-BER進行接種培養(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到穩(wěn)定，電極上出現(xiàn)了一層很薄的微生物薄膜，可以認為反應器內(nèi)已

3、存在一定量的反硝化微生物，接種完成。在連續(xù)進水啟動實驗中，通過調(diào)節(jié)C/N和電流強度，研究了3D-BER反應器的運行穩(wěn)定性，結(jié)果顯示當進水硝酸鹽濃度40mg/L，電流強度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)反硝化菌承擔反硝化作用;而當C/N從1降到0時，去除率下降但穩(wěn)定在50％左右，這時主要是氫型自養(yǎng)菌承擔反硝化作用。為使異養(yǎng)和自養(yǎng)反硝化菌實現(xiàn)協(xié)同作用，本實驗C/N取1。經(jīng)過兩個半月的微生物

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，通過光學顯微鏡及掃描電鏡(SEM)等手段判斷，反應器中主要的反硝化菌包含假單胞菌屬、腸桿菌科、不動桿菌屬和微球菌。
　　用培養(yǎng)成熟后的3D-BER反應器對地下水中的硝酸氮的去除進行研究，分析了主要的影響因素，包括進水硝酸鹽濃度、電流強度、水力停留時間和進水pH。通過單因子分析實驗，得出以下結(jié)果:
　　(1)進水硝酸鹽濃度對硝酸氮的去除存在一個最佳范圍，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抑制反硝化進行。
　　(2)電流越大產(chǎn)生的H2越多，本實驗電流強度在30-45mA時硝酸氮去除率最高達到91.36％;但此時對應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，對應的電流效率大于100％。
　　(3)水力停留時間主要決定傳質(zhì)時間，還影響水中的溶解氧，水力停留時間的延長有利于反應器去除效率的提高，但是時間過長會增加運行成本，結(jié)合反應器

6、的經(jīng)濟性考慮，停留時間不易小于6h。
　　(4)進水pH主要是影響反硝化菌的生長情況，最佳生長pH為7.0-8.0之間，去除率達到77.37％。實驗結(jié)果顯示反應器進水pH對處理效果影響較小，這是由于該反應器具有pH緩沖作用，使反應器內(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條件，研究采用Plackett-Burman(PB)法和Box-Behnken Design(

7、BBD)法對影響因素:進水硝酸鹽濃度(A)、電流強度(B)、水力停留時間(C)和進水pH(D)對脫氮效果的影響進行了評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響程度大小順序為B＞C＞A＞D。
　　采用N=12的PB設(shè)計法，以硝酸鹽氮的去除率Y(％)為響應值，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)計方法，以硝酸鹽氮的去除率Y(％)為響應值，得出的回歸方程如下