摘要：生物膜法在給水和排水處理領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和進展,認為該工藝是極具發(fā)展?jié)摿Φ乃幚矸椒?并對今后開展這方面的研究提出了展望。

關(guān)鍵詞：生物膜,電級生物膜法,廢水中的應(yīng)用,發(fā)展前景

1. 引言

在自然界中，存在大量依靠有機物生存的微生物。他們有氧化分解有機物并轉(zhuǎn)化為無機物的巨大功能。生物膜法就是利用這一功能，并采取一定的人工措施，創(chuàng)造有利于微生物生長繁殖的環(huán)境。面對有機物其分解作用的微生物主要是細菌，原生動物只起輔助作用。生物膜法是使微生物群體附著與其他物體表面上呈膜狀，并讓他和廢水接觸而使之凈化的方法。近年來，隨著化肥，洗滌劑，農(nóng)藥和其他各種化學(xué)物質(zhì)的廣泛使用，城市生活污水中的氮，磷含量不斷增加。傳統(tǒng)的生物處理工藝對氮，磷的處理效果不甚理想。為此國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，比如結(jié)合了生物法和電化學(xué)方法發(fā)展起來的電極生物膜法，具有脫氮效率高，運行管理方便，處理費用低廉等優(yōu)點。如今,該技術(shù)在水處理的研究已逾10年,其處理形式和處理對象上也發(fā)生了一系列革新。尤其是近年來,電極生物膜法與其它工藝的結(jié)合,進一步推動了該處理系統(tǒng)向高效低耗方向發(fā)展,工程應(yīng)用前景十分廣闊[1]

2. 基本原理

電極生物膜法用于去除亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的研究同單純的生物膜法相比,電極生物膜法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在利用電極上。一是利用電極作為生物膜的載體，二是利用電場微電解水釋放出的H+為反硝化菌提供電子受體.其原理一方面,由于H+是從生物膜外因電場吸引力作用穿透生物膜向內(nèi)擴散的,所以生物膜中的微生物能高效利用H+進行反硝化作用[3];另一方面,陰極板上產(chǎn)生的氫氣又通過生物膜溢出,在生物膜附近形成了缺氧環(huán)境,有利于反硝化菌的生長。[2]

3. 國內(nèi)外電極生物膜法反硝化脫氮研究概況

RB Mellor[6]等在Nature雜志上首次報道了利用電極2生物膜法進行反硝化的實驗研究，他們將NO3。NO2。N2O還原酶與藏紅T等具有電子傳遞能力的染料基質(zhì)相混合后,涂敷到陰極表面,經(jīng)過固定,酶的活性及染料的電子傳遞能力均有所提高,電極為固定化酶有效地提供還原能力。在電場作用下水合H+在陰極表面得到電子成為H原子,而染料有效地捕獲電子和氫原子,使得反硝化生物酶完成對硝酸鹽的徹底還原。提出了“電流提供反硝化還原力-電極生物反應(yīng)器-電流促進和控制反硝化等概念”。

Y Sakakibara[7]等在實驗中,用藻朊酸鈉凝膠將反硝化細菌進行固定,在掛膜時投加有機碳(乙酸鈉)掛膜結(jié)束后用微電流進行馴化2個月，然后,將陰極和陽極分別置于兩個相聯(lián)的反應(yīng)器中,以便陰極反應(yīng)受陽極影響較小,經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),利用反應(yīng)器對水中的NO3-進行處理當(dāng)電流I為0mA時,無氮氣析出;電流I從10mA增加到40mA時,氮氣產(chǎn)量增加4倍。Y. Sakakibara等在推導(dǎo)模型時,提出了電極生物膜的概念，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),由于氫氣從生物膜內(nèi)向生物膜外擴散,氫氣的利用率很高;在電極生物膜內(nèi)外的物質(zhì)遷移受電場以及水力情況的影響。Y.Sakak2ibara[8]還研究了陽極反應(yīng)對脫氮的影響，他認為,由于NO3-的遷移率比Na+高,為保持電中性,主體溶液OH-濃度升高;碳陽極的氧化則有利于中和OH-,降低溶液pH增強厭氧環(huán)境,從而有利于生物脫氮。

R._V._Flora[9]等提出氫抑制效應(yīng),即當(dāng)氫氣產(chǎn)量大于化學(xué)計量式的理論值時,產(chǎn)氫對反硝化構(gòu)成抑制。

M Kuroda [10]等采用石墨棒作陽極置于圓桶中心位置,10根掛有生物膜的石墨棒作為陰極均勻分布于桶壁,構(gòu)造電極生物膜反應(yīng)器,對含有硝酸鹽和有機物的模擬廢水進行連續(xù)處理實驗"研究表明,COD和NO-能夠被同時去除。上海同濟大學(xué)在這方面的研究較早，黃民生[11]對影響電極生物膜法反硝化作用的一些因素進行研究表明,在微電流電解條件下,陰極生物膜可獲得較好的反硝化效果;陰極生物膜的培養(yǎng)時間和條件,進水溶解氧含量和溫度對其反硝化效果產(chǎn)生一定影響。

黃民生[11]還對具有反硝化能力的氫細菌特性進行了系統(tǒng)的總結(jié),并認為制作小型電極生物膜反應(yīng)器脫除飲用水中的NO-是一條適合我國國情的技術(shù)路線。彭永臻[3]等在電極生物膜法已有的研究基礎(chǔ)上,提出了該工藝的過程控制方法和在線模糊控制系統(tǒng),給出了相應(yīng)的控制流程圖;并且系統(tǒng)地介紹了電極。

4. 在廢水處理中的應(yīng)用

由于污水中的成分復(fù)雜,而且在電場作用下,各種物質(zhì)對陰極表面的微生物的影響不甚了解,而將電極生物膜法應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的研究才剛剛起步，令人鼓舞地是,如今這方面的研究已經(jīng)取得了較大的突破。

4.1 處理含Cu2+、NO3-的酸浸廢水

2002年, Tomohide等在反應(yīng)器中投加乙酸鹽作為外加碳源,對含銅離子的高濃度硝酸鹽酸洗廢水進行處理, [1]當(dāng)在兩極間通以電流時,陰極上同時發(fā)生反硝化反應(yīng)與銅離子的還原反應(yīng),并且反硝化過程中生成的OH可以中和進水中的H,提高pH值。實驗表明,當(dāng)進水Cu2+=10mg/L, NO3-=200mgN/L, pH=2,水力停留時間=18h,C/N=1時,經(jīng)馴化的反硝化菌能在含銅溶液中進行反硝化反應(yīng),出水中Cu2+小于1mg/L, NO3-小于5mgN/L,幾乎沒有NO2和剩余的乙酸鹽存在，并且反硝化反應(yīng)生成的OH-中和了進水的酸度,使得出水pH提高到6。然而,銅離子的存在對反硝化反應(yīng)有著明顯的抑制作用,且隨著銅離子濃度的升高,滯后期逐漸延長。

4.2 處理農(nóng)藥廢水[4]

2001年，Z._Felckc等研究電極生物膜法處理農(nóng)藥廢水時發(fā)現(xiàn),農(nóng)藥IPT阻礙反硝化過程中N2OyN2反應(yīng)的進行,生成的副產(chǎn)物為N2O,在IPT存在的條件下,大約30%的NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，若沒有IPT的干擾95%的NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，針對這種情況,他們在電極生物膜反應(yīng)器后增加一個活性炭吸收池,不僅可以使得出水IPT達標(biāo)(40Lg/L),而且還避免了NO的積累。

4.3 將來的研究方向和應(yīng)用前景

由于電極生物膜法具有運行管理方便,脫氮效率高,處理費用低等優(yōu)點,將它應(yīng)用于化肥生產(chǎn)，炸藥生產(chǎn)，核工業(yè)等高濃度的硝酸鹽廢水處理必會有廣闊的應(yīng)用前景。而這方面的研究剛剛起步,要應(yīng)用于生產(chǎn)實踐,還需在以下幾個方面開展研究。如表1所示

表1. 生產(chǎn)實踐的開展研究

結(jié)束語：

生物膜法尤其是電級生物膜法作為一種新穎的水處理技術(shù),具有高效、經(jīng)濟、管理方便等優(yōu)點,適合于處理微污染水源和含高濃度硝酸鹽的工業(yè)廢水,尤其是該工藝對于污水中氮的去除,有其獨到的優(yōu)勢，我想對于現(xiàn)今污染越來越嚴(yán)重的地球,這方法由于其高效等優(yōu)點將得到越來越多人的重視, 但是,據(jù)可靠文件調(diào)查,目前人們對該工藝中存在的深層次問題還沒有得到解決,例如,需要深入研究電場作用下各種污染物質(zhì)的降解機理及其協(xié)同效應(yīng)等問題,但我相信隨著這項技術(shù)的深入研究,必將在國內(nèi)外水處理領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 黃游,湯兵,電極生物膜法在水處理中的研究進展,環(huán)境保護科學(xué),2003,19(7):22-26

[2] 邱凌峰,陳遠銘,電極生物膜法應(yīng)用于微污染源水預(yù)處理反硝化環(huán)節(jié)的試驗研究,福州大學(xué)學(xué)報, 2004,28(2):13-14

[3]Sakakibara Y. Denitrification and neutralization with an electrochemical and biological reactor [J].Water Science and Technology,1994, 30(6):151-155

[4]彭永臻等,生物電極脫氮工藝的在線模糊控制研究(一).中國給水排水,1999,15(2):5-9

[5]彭永臻等,生物電極脫氮工藝的在線模糊控制研究(二).中國給水排水,1999,15(4):5-10

[6]R B Mellor, J Ronnenberg, W H Campbell, etal. Reduction of nitrate and nitrite in water by immobilized enzymes [J]. Nature, 1992，35(5):717-719

[7] Y Sakakibara, M Kuroda. Electric prompting and control of denitrification [J]. Biotech. Bioeng，1993,(4)2:535-537

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[9] J R V Flora, M T Suidan, SIslam, etal. Numericalmodeling of a biofilm electro dereactor used for enhanced denitrification [J]. Wat. Sci. Tech., 1994, 29(10-11): 517-524

[10] M Kuroda, T Watanabe,Y Umedu. Simultaneous COD removal and denitrification of wastewate by bioelectroreactors [J]. Wat. Sci. Tech., 1997, 35(8): 161-168.

[11] 黃民生,高廷耀, 電極生物膜法反硝化試驗研究[J], 上海環(huán)境科學(xué), 1996, 15(6):25-27