溶解氧對電極生物膜反硝化性能的影響

呂江維，劉 佳，沈 宏，馮玉杰

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，yujief@hit.edu.cn)

以往大多數研究均認為幾乎所有的反硝化細菌都屬于兼性好氧菌［1］.只有在無分子氧的情況下，它們才利用硝酸鹽氮(NO3--N)或亞硝酸鹽氮(NO2

--N)進行呼吸.如果反應器中存在溶解氧，即使質量濃度很低，反硝化菌也會優先利用分子氧作為最終的電子受體進行呼吸，從而抑制了反硝化細菌體內硝酸鹽還原酶的合成，阻礙了硝酸鹽的還原［2］.然而pseudomonas spp，alcaligenes faecalis及thiosphaera pantotropha等好氧反硝化細菌［3-6］的發現沖破了這種傳統認識.這些細菌在有氧存在的情況下，也能將NO3-或NO2

-轉化為氮氣［7-10］.為了解釋好氧反硝化過程，Robert-son［11］提出好氧反硝化是微生物可以同時利用氧氣和NO3

-的結果，他認為胞外轉化和胞內同化是去除的兩種機制.當氧氣的質量濃度較高時，好氧反硝化細菌傾向于胞內同化.氧氣質量濃度降低，則大部分NO3-在細胞外被轉化.Berks［12］等人則從電子傳遞和硝酸鹽還原酶入手研究好氧反硝化.他們指出，由于厭氧反硝化細菌需要利用硝酸鹽呼吸產生的質子傳動力來維持生長，厭氧反硝化與膜結合酶密切相關.但在好氧反硝化中起主要作用的是周邊原生質酶.因為DO會阻止NO3-穿過原生質膜，不能夠到達膜結合酶的活性中心，這就抑制了膜結合酶的活性.上述研究都是針對傳統的生物反硝化過程［13-16］，就電極生物膜系統［17-19］這種新型的脫氮方法而言，有關溶解氧對反硝化性能影響的研究還不夠深入.Sakaibara and Araki［20］認為，當基質中含有DO和NO3-時，在以無定形碳為陽極、銹鋼為陰極的電極生物膜系統中，陽極首先會使碳氧化成CO2，從而中和了反硝化過程產生的堿度;而在陰極表面，由于氧的還原電位高于氫的還原電位，只有當DO被還原殆盡，即溶解氧質量濃度在電極表面為零，才能產生氫氣.也有研究認為［21］，在電極生物膜反應器中，從陰極表面逸出的H2能夠為生物創造厭氧環境，從而保證反硝化的進行.但是，電極生物膜系統中電極表面的電化學反應和生物化學反應是同時進行的，僅考慮電極反應過程是不完善的.本文測定了電解反應器及生物膜反應器中陰極區DO的質量濃度梯度，并考察了不同DO下電極生物膜系統的反硝化性能.

1 實驗

1.1 生物膜培養

根據本實驗室以往研究結果對BER系統中石墨陰極上的生物膜進行掛膜和培養.

1.2 電解－電極生物膜(ER＆BER)反應系統

ER電解系統中分別以泡沫鎳和不銹鋼板為陽極和陰極，反應器體積為1.5 L，控制ER反應器電位，使得水在ER反應器內發生電解，產生氧氣.BER生物膜系統中電極材料采用石墨，體積為2 L.ER和BER系統與培養液之間以三通閥連接.試驗時，通過調節培養液和電解反應器的出口流量，控制進入BER系統的硝酸鹽質量濃度和氧氣的量(圖1).

圖1 ER＆BER生物膜反應器示意圖

1.3 不同溶解氧質量濃度下BER系統內DO質量濃度梯度的變化

采用連續進水方式，控制進入電解系統水的流速為3 L/d及電解系統電流為150 mA.在電解系統DO基本恒定均勻下(質量濃度保持在6.80～6.90 mg/L)，打開三通閥，含有較高溶解氧的ER出水與培養液在三通閥處混合，培養液內含220 mg/L的硝酸鹽，流速亦為3 L/d，混合后，BER系統進水硝酸鹽氮質量濃度為110 mg/L，流速為6 L/d.BER系統的電流強度控制在20 mA.為監測BER系統內DO質量濃度變化，在BER反應器的頂端設置了8個取樣口，它們距陰極的距離依次為8、14、35、56、77、98、119和150 mm.系統穩定運行后，每隔2 h在取樣口取樣，測定DO質量濃度(圖2).為了比較電化學法(即無生物膜影響)、生物膜法(即無電化學影響)和電極生物膜法工藝中溶解氧質量濃度變化及其規律，對上述3種系統中的DO質量濃度梯度均進行了測定.

1.4 BER系統內反硝化過程中陰極區溶解氧DO的變化

為避免BER系統中陽極產生的氧氣對陰極反應產生干擾，用石棉布將陰陽極隔開.BER的電流強度控制在20 mA，總的反應時間為62 h，整個反應過程中用磁力攪拌器使溶液混合均勻.ER的電流強度先后調節為0、50、150 mA，每2 h測定一次陰極區DO質量濃度、出水的-N和-N質量濃度.硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的測定均采用標準分光光度法.

圖2 系統溶解氧測定采樣口示意圖

2 結果和討論

2.1 不同研究系統內DO質量濃度梯度的變化

研究表明，電解反應器、生物膜反應器和電極生物膜反應器中DO質量濃度梯度呈現不同的變化趨勢(圖3).在ER系統電流強度為150 mA時，經檢測進入BER系統的溶解氧質量濃度保持在6.80～6.90 mg/L.在單純電解過程中(圖3 (a))，陰陽極之間DO質量濃度梯度的差值很小，反硝化進行12 h后，DO的平均值為3.54 mg/ L.但在生物膜反應系統中(圖3(b))，DO下降得很快，如反應12 h后，離陰極表面8 mm處的DO質量濃度僅為 0.71 mg/L，遠低于 6.80～6.90 mg/L的初始質量濃度，這一結果說明陰極表面生物膜可能存在好氧呼吸過程，致使陰極表面溶解氧質量濃度低于單純電解過程.

與上述兩種體系相比，在電極生物膜反硝化過程中，陰陽極之間的溶解氧質量濃度梯度最大(圖3(c)).反應12 h后，陽極表面的DO質量濃度為3.56 mg/L，是3種研究系統中最高的，但是陰極表面的DO質量濃度僅為0.91 mg/L.在電極生物膜系統中除了生物的呼吸作用，陰極還會析出氫氣.因此，上述結果應該是生物呼吸和氫氣析出的共同作用結果.

2.2 進水中不同溶解氧質量濃度對電極生物膜脫氮效果的影響

調節水電解池的外加電流強度分別為0、50、150 mA，以改變進水的溶解氧質量濃度.每隔2 h測定一次BER系統內陰極區的溶解氧質量濃度和陰極出水的硝酸鹽和亞硝酸鹽質量濃度(圖4).

圖3 不同反應時間反硝化系統中DO質量濃度梯度變化

ER系統內電流強度的增大必然會使BER系統進水的溶解氧質量濃度增加，經檢測進入電極生物膜反應器的溶解氧質量濃度分別為5.54 mg/L(I=0 mA)、6.18 mg/L(I=50 mA)和6.71 mg/L(I=150 mA).由圖4可以看出，電極生物膜反應器陰極區的溶解氧質量濃度也略有不同，基本上與進水中的溶解氧質量濃度變化趨勢一致.但溶解氧質量濃度的變化對硝酸鹽氮降解的影響并不明顯，當ER系統電流為0和50 mA時，BER系統出水的硝酸鹽氮質量濃度均低于3 mg/L;ER系統電流為150 mA時，BER系統出水硝酸鹽氮質量濃度稍高，但也低于7 mg/L.

溶解氧質量濃度對亞硝酸鹽的積累情況也有一定的影響.當充氧電流為50 mA時，亞硝酸鹽氮的累積最高值為0.65 mg/L.但經接近60 h反硝化后，其質量濃度可以降到0.03 mg/L左右.但在150 mA充氧電流條件下，反應約60 h，亞硝酸鹽的出水平均質量濃度為0.23 mg/L左右，比不充氧的自然條件高出0.1 mg/L.說明溶解氧的存在對亞硝酸鹽的反硝化過程影響較為明顯.

圖4 不同供氧質量濃度下電極生物膜系統的變化

2.3 連續改變進水溶解氧質量濃度對電極生物膜脫氮的影響

反應器中硝酸鹽氮的初始質量濃度為110 mg/L，使電極生物膜在不充氧的自然條件下反應，電流強度為20 mA.分別在反應進行了23 h和47 h時，將ER系統的電流強度先后變化為50 mA和150 mA，總反應時間為61 h.每隔2 h測一次陰極區的溶解氧質量濃度、出水的硝酸鹽質量濃度和亞硝酸鹽質量濃度.實驗結果見圖5.

ER系統電流強度每改變一次，都會使電解生物膜反應器陰極區的溶解氧質量濃度出現小幅度的增長(圖5(a))，出水的硝酸鹽氮的質量濃度也有所增加，但峰值均小于2 mg/L.但陰極區溶解氧質量濃度和出水硝酸鹽氮的質量濃度很快又恢復到較低水平(圖5(a)和(b))，反應55 h后，電極生物膜反應器的出水質量濃度穩定在1.0 mg/L左右.連續增加溶解氧的質量濃度對出水亞硝酸鹽氮的積累影響不大，其值始終小于0.3 mg/L，遠小于美國飲用水標準規定的1 mg/L.

圖5 連續改變進水溶解氧質量濃度時電極生物膜系統的變化

3 溶解氧對電極生物膜上生物相變化的影響

分別在ER系統充氧電流為0 mA和150 mA條件下，對生長在生物膜上的微生物相進行透射電鏡觀察，結果見圖6.氧之前，微生物的種類比較豐富，其中0.3～2.0 μm桿菌的數量最多.此外還生長著大量的球菌和弧形菌(圖6(a)).電極生物膜系統提供額外的溶解氧后(充氧電流為150 mA)，從TEM圖像上觀察到了一些生物相的改變(圖6 (b))，雖然桿菌依然是優勢菌種，但是其平均長度僅為0.5 μm.這表明在溶解氧質量濃度較高的環境下，短桿菌的生長最為旺盛.同時，溶解氧質量濃度的提高使得直徑在100～200 nm的微球菌大量繁殖.而在未充氧時觀察到的生長于電極生物膜上的弧菌，在充氧條件下并未觀察到.

圖6 電極生物膜系統生物相分析

4 結論

1)在電極生物膜反硝化系統中，電化學反應和微生物的好氧呼吸共同影響著DO的消耗，其中微生物的影響較大.

2)在BER系統中，未發現DO質量濃度變化對硝酸鹽氮去除的明顯影響，過高的DO質量濃度會增加亞硝酸鹽氮的積累.

3)DO質量濃度變化時，TEM觀察發現電極生物膜上的生物相發生一些變化.

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