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(jìn)展,認(rèn)為該工藝是極具發(fā)展?jié)摿Φ乃幚矸椒?并對(duì)今后開(kāi)展這方面的研究提出了展望。

關(guān)鍵詞：生物膜,電級(jí)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(jī)物生存的微生物。他們有氧化分解有機(jī)物并轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)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(zhǎng)繁殖的環(huán)境。面對(duì)有機(jī)物其分解作用的微生物主要是細(xì)菌，原生動(dòng)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(lái)，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(duì)氮，磷的處理效果不甚理想。為此國(guó)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(lái)的電極生物膜法，具有脫氮效率高，運(yùn)行管理方便，處理費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)象上也發(fā)生了一系列革新。尤其是近年來(lái),電極生物膜法與其它工藝的結(jié)合,進(jìn)一步推動(dòng)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(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)吸引力作用穿透生物膜向內(nèi)擴(kuò)散的,所以生物膜中的微生物能高效利用H+進(jìn)行反硝化作用[3];另一方面,陰極板上產(chǎn)生的氫氣又通過(guò)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(zhǎng)。[2]

3. 國(guó)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(bào)道了利用電極2生物膜法進(jìn)行反硝化的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(chǎng)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(duì)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(jìn)和控制反硝化等概念”。

Y Sakakibara[7]等在實(shí)驗(yàn)中,用藻朊酸鈉凝膠將反硝化細(xì)菌進(jìn)行固定,在掛膜時(shí)投加有機(jī)碳(乙酸鈉)掛膜結(jié)束后用微電流進(jìn)行馴化2個(gè)月，然后,將陰極和陽(yáng)極分別置于兩個(gè)相聯(lián)的反應(yīng)器中,以便陰極反應(yīng)受陽(yáng)極影響較小,經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用反應(yīng)器對(duì)水中的NO3-進(jìn)行處理當(dāng)電流I為0mA時(shí),無(wú)氮?dú)馕龀?電流I從10mA增加到40mA時(shí),氮?dú)猱a(chǎn)量增加4倍。Y. Sakakibara等在推導(dǎo)模型時(shí),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(kuò)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(chǎng)以及水力情況的影響。Y.Sakak2ibara[8]還研究了陽(yáng)極反應(yīng)對(duì)脫氮的影響，他認(rèn)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(yáng)極的氧化則有利于中和OH-,降低溶液pH增強(qiáng)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(jì)量式的理論值時(shí),產(chǎn)氫對(duì)反硝化構(gòu)成抑制。

M Kuroda [10]等采用石墨棒作陽(yáng)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(duì)含有硝酸鹽和有機(jī)物的模擬廢水進(jìn)行連續(xù)處理實(shí)驗(yàn)"研究表明,COD和NO-能夠被同時(shí)去除。上海同濟(jì)大學(xué)在這方面的研究較早，黃民生[11]對(duì)影響電極生物膜法反硝化作用的一些因素進(jìn)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(shí)間和條件,進(jìn)水溶解氧含量和溫度對(duì)其反硝化效果產(chǎn)生一定影響。

黃民生[11]還對(duì)具有反硝化能力的氫細(xì)菌特性進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),并認(rèn)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(guó)國(guó)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(guò)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(chǎng)作用下,各種物質(zhì)對(duì)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(duì)含銅離子的高濃度硝酸鹽酸洗廢水進(jìn)行處理, [1]當(dāng)在兩極間通以電流時(shí),陰極上同時(shí)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(guò)程中生成的OH可以中和進(jìn)水中的H,提高pH值。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)進(jìn)水Cu2+=10mg/L, NO3-=200mgN/L, pH=2,水力停留時(shí)間=18h,C/N=1時(shí),經(jīng)馴化的反硝化菌能在含銅溶液中進(jìn)行反硝化反應(yīng),出水中Cu2+小于1mg/L, NO3-小于5mgN/L,幾乎沒(méi)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(jìn)水的酸度,使得出水pH提高到6。然而,銅離子的存在對(duì)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(zhǎng)。

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(shí)發(fā)現(xiàn),農(nóng)藥IPT阻礙反硝化過(guò)程中N2OyN2反應(yīng)的進(jìn)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(méi)有IPT的干擾95%的NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，針對(duì)這種情況,他們?cè)陔姌O生物膜反應(yīng)器后增加一個(gè)活性炭吸收池,不僅可以使得出水IPT達(dá)標(biāo)(40Lg/L),而且還避免了NO的積累。

4.3 將來(lái)的研究方向和應(yīng)用前景

由于電極生物膜法具有運(yùn)行管理方便,脫氮效率高,處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),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(huì)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(shí)踐,還需在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。如表1所示

表1. 生產(chǎn)實(shí)踐的開(kāi)展研究

結(jié)束語(yǔ)：

生物膜法尤其是電級(jí)生物膜法作為一種新穎的水處理技術(shù),具有高效、經(jīng)濟(jì)、管理方便等優(yōu)點(diǎn),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(duì)于污水中氮的去除,有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，我想對(duì)于現(xiàn)今污染越來(lái)越嚴(yán)重的地球,這方法由于其高效等優(yōu)點(diǎn)將得到越來(lái)越多人的重視, 但是,據(jù)可靠文件調(diào)查,目前人們對(duì)該工藝中存在的深層次問(wèn)題還沒(méi)有得到解決,例如,需要深入研究電場(chǎng)作用下各種污染物質(zhì)的降解機(jī)理及其協(xié)同效應(yīng)等問(wèn)題,但我相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的深入研究,必將在國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

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