微生物電解池對低C-N廢水的強(qiáng)化處理研究.pdf

1、生物脫氮的傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝，存在許多問題。除了需要分別在好氧、缺氧兩個階段完成硝化、反硝化之外，反硝化對碳源的依賴，對低C/N廢水來說，是一個巨大挑戰(zhàn)。在實(shí)際脫氮工藝中，往往需要外加碳源，以彌補(bǔ)碳源的不足。如何提高反硝化對碳源的利用率，乃至在單一厭氧反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)硝化反硝化，是污水生物脫氮領(lǐng)域重要的科學(xué)問題。微生物電解池(MEC)是電活性微生物（如鐵還原菌）參與的陽極氧化耦合陰極還原過程的裝置，能夠在處理污染物的同時(shí)獲取能量或進(jìn)行陰極

2、合成。在微生物電化學(xué)系統(tǒng)中，關(guān)于陰極反硝化脫氮已經(jīng)有許多報(bào)道。但是，該系統(tǒng)(如MEC)是否能夠減少反硝化對碳源的依賴，以及是否可將氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，進(jìn)而被陰極還原或者直接參與厭氧氨氧化(Anammox)脫氮，目前還沒有報(bào)道。針對這一問題，本文以微生物陽極氧化為主線，分別以陽極對碳源的氧化，耦合陰極反硝化，試圖將碳源更集中地用于反硝化;以陽極對氨氮的氧化，耦合陰極反硝化或Anammox，去除進(jìn)水中的氨氮。在此基礎(chǔ)上，分別以縮短水

3、力停留時(shí)間，減少其它異養(yǎng)過程對碳源的消耗和以富集鐵還原菌為目標(biāo)的強(qiáng)化陽極氧化，進(jìn)一步提高脫氮效果。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在電極置入?yún)捬鮑ASB反應(yīng)器所組成的單室MEC內(nèi)，考察其對低C/N廢水反硝化性能的影響，發(fā)現(xiàn)陽極氧化有機(jī)物-陰極還原硝酸鹽可將碳源更集中地應(yīng)用于脫氮。0.5V外加電壓于厭氧反應(yīng)器的碳-碳電極，NO3--N的去除率比對照反應(yīng)器提高了14％;碳-碳電極反應(yīng)器的COD去除率比對照反應(yīng)器提高了12％。通過電流計(jì)算

4、，陽極庫侖效率為18％，這一化學(xué)計(jì)量與MEC提高的反硝化效果基本一致。由電子流平衡可知，碳-碳電極反應(yīng)器比對照反應(yīng)器多去除的乙酸、丙酸和丁酸相當(dāng)于多產(chǎn)生15.5mmol/L電子，其中至少80％的電子用于陰極反硝化（其余用于甲烷化）。零價(jià)鐵作為電極進(jìn)一步提高了反硝化的處理效果，NO3--N的去除率比對照反應(yīng)器提高了26％。根據(jù)電流計(jì)算可知，零價(jià)鐵作為電極強(qiáng)化了有機(jī)物的陽極氧化效果，其陽極庫侖效率提高至25％。零價(jià)鐵-碳電極反應(yīng)器比對照反應(yīng)

5、器多去除的乙酸、丙酸和丁酸相當(dāng)于多產(chǎn)生26.4mmol/L電子，其中至少85％用于陰極反硝化。零價(jià)鐵作為反硝化的電子供體可忽略不計(jì)（小于總脫氮效果的1％），然而由Fe0釋放的Fe2+被NO3-氧化成Fe(Ⅲ)，有助于富集鐵還原菌，進(jìn)而增強(qiáng)陽極氧化。變性梯度凝膠電泳(DGGE)和熒光原位雜交(FISH)分析顯示，MEC可顯著增強(qiáng)反硝化細(xì)菌和鐵還原菌的富集，尤其在應(yīng)用零價(jià)鐵電極時(shí)。
　　(2)外加電壓能將碳源更集中地用于反硝化，但是甲

6、烷化不可避免地占用了一部分碳源。為此，通過縮短水力停留時(shí)間，將厭氧消化控制在水解酸化段，從而減少甲烷化對碳源的利用，提高反硝化效率。結(jié)果表明，水解酸化段反硝化速率比厭氧段反硝化速率提升了69.0mg/(L·h)，并且隨著水力停留時(shí)間的逐漸縮短，外加電壓反應(yīng)器的反硝化進(jìn)一步得以改善。與厭氧段反硝化的效果相比，在水解酸化段，外加電壓使反硝化對碳源的利用率，從19％提高到31％。FISH分析表明，外加電壓緩解了水力停留時(shí)間對反硝化細(xì)菌的影響，

7、并使反硝化菌的豐度增加。
　　(3)在MEC內(nèi)通過陽極氧化，將氨氮氧化為亞硝酸鹽，再與氨氮進(jìn)行Anammox反應(yīng)，或陰極反硝化，實(shí)現(xiàn)高氨氮廢水的脫氮。為此，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N為100 mg/L、NO2--N為100mg/L時(shí)，以Anammox菌為接種污泥的外加-0.5 V電勢反應(yīng)器，其TN去除率比對照反應(yīng)器提高12％，通過電流計(jì)算顯示:陽極氧化消耗的NH4+-N占NH4+-N總?cè)コ实?8％。維持進(jìn)水亞硝酸鹽的濃度不變，將進(jìn)水NH

8、4+-N的濃度從100mg/L，分別增加到150mg/L和200mg/L時(shí)，外加電勢反應(yīng)器對NH4+-N去除率的改善（與參比相比），分別從12％升高到20％，隨后降低到18％。這是因?yàn)镹H4+-N的陽極氧化依賴于陰極還原，在提高進(jìn)水NH4+-N時(shí)，陽極氧化所生成的NO2--N不足以充當(dāng)陰極電子受體，導(dǎo)致NH4+-N的去除率降低。根據(jù)電流可知，陰極反硝化和Anammox分別貢獻(xiàn)NO2-還原率的19％和81％。FISH和高通量分析顯示，外加

9、電勢可富集具有傳遞電子能力的Nitrosomonas europaea細(xì)菌，參與電極的氨氮氧化，從而生成亞硝酸鹽，提高Anammox過程和陰極反硝化。
　　(4)為提高氨氮的陽極氧化效率，投加Fe(Ⅲ)，通過異化Fe(Ⅲ)還原強(qiáng)化MEC，進(jìn)一步提高總氮去除率。經(jīng)過比較Fe2O3粉末、Fe3O4粉末、Fe(OH)3膠體、檸檬酸鐵的投加效果，發(fā)現(xiàn)加入Fe2O3粉末時(shí)，NH4+-N的去除率最高，可達(dá)46％。將Fe2O3粉末投入250 m

10、L的半連續(xù)反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)加入Fe2O3的反應(yīng)器NH4+-N的去除率比對照反應(yīng)器提高了48％。但是，有機(jī)物抑制了異化Fe(Ⅲ)還原，使NH4+-N的去除率比無碳源反應(yīng)器降低了28％。添加Fe2O3的MEC反應(yīng)器，進(jìn)一步強(qiáng)化了NH4+的去除，去除率達(dá)29％，比未添加Fe2O3的電反應(yīng)器提高了12％。FISH分析表明，F(xiàn)e(Ⅲ)的投加富集了鐵還原菌，促進(jìn)了NH4+-N的異化Fe(Ⅲ)還原，從而加快了NH4+-N的氧化。同時(shí)在外加電壓作用下促進(jìn)了