碳氮比對生物膜法處理氮污染地下水的影響分析

程雅楠　王田田　張鵬

摘要：通過調整碳氮比（C/N）對電極生物膜處理含硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮地下水的效果進行了分析，研究了不同條件下地下水中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除率。研究結果表明：當C/N =1.00受污染地下水中硝酸鹽氮去除率最高，達到97%；亞硝酸鹽氮檢出量≤0.01 mg/L，同時未檢測出超標外加碳源。當C/N≥1.00或者C/N≤1.00時，地下水硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮的檢出率均大幅增加。說明在去除地下水氮污染過程中，碳氮比（C/N）對生物膜表面的降解菌生長影響較大，進而影響了硝酸鹽氮的去除率，增加了亞硝酸鹽氮的積累。

關鍵詞：電極生物膜；反硝化；硝酸鹽氮；亞硝酸鹽氮

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18010903

1引言

可供人類利用的淡水資源中68%為地下水，而近幾年水質監測結果顯示，地下水也受到不同程度的污染，包括硝酸鹽污染、氨氮污染等＼[1～5＼]。有研究表明世界75%～80%的人口的灌溉用水依賴于地下水，50%的城市居民的生活用水和將近90%的農村地區的居民生活用水是以地下水為飲用水水源，然而地下水的健康狀況卻不容樂觀。長期以來人類重視發展經濟而忽視了環境保護，導致目前地下水污染問題比較嚴重，而硝酸鹽污染是地下水污染中的一個非常重要的方面＼[6＼]。本文采用電極生物膜法對受硝酸鹽污染的地下水進行修復，研究其處理效果并深入研究其技術原理。

2實驗材料與方法

2.1實驗材料

2.1.1實驗裝置

圖1工藝流程圖中實驗裝置的有效容積為12 L，外筒直徑260 mm，高300 mm；內筒直徑75 mm，高180 mm。內置微生物載體為長約150 mm的80%棉、20%晴綸材質棉線，有效體積約為3200 cm3。

設備中電極陽極（碳棒）的有效表面積約為4000 mm2。總長度4600 mm的電極陰極（不銹鋼絲）包埋于棉質微生物載體內。反應器中采用WX-77962-00型蠕動泵用以均勻水質，另設有MP-15RN 型磁力驅動循環泵用以確保反應器內水流循環。

本實驗選用人工模擬受硝酸鹽污染的地下水。試驗選用市政自來水為主體水環境，其中含定量的NaNO3模擬受硝酸鹽氮污染水，實驗過程中選用甲醇作為反硝化作用中的碳源＼[7＼]（表1）。

本裝置特點：

①可附著的生物量大；

②陰極電化學的還原作用能夠去除硝酸鹽污染；

③降解氮污染微生物可以利用電極陽極上發生氧化反應產生的CO2，進而降解污染物。

1為原水 ；2為蠕動泵；3為反應器電源；4為電極陽極（碳棒）；5為電極陰極（不銹鋼絲）；6為棉質微生物載體；7為水系統循環泵；8為溢水孔；9為導體

2.1.2主要實驗儀器

本實驗使用主要儀器如表2所示。

2.2分析項目及方法

2.2.1污泥的接種

本實驗所用污泥取自污水處理機構，進行實驗室模擬培養，培養水系統每24 h更換，培養適應期共7 d。

2.2.2分析方法

硝酸鹽測定采用紫外分光光度法＼[8＼]，選用TU-1901 雙光束紫外分光光度計進行測定，測定試劑選用1 mol/L的鹽酸溶液、氫氧化鋁懸浮液以及0.8%的氨基磺酸溶液。紫外分光光度法是在求得吸光度的校正值后，從校準曲線中算得相應的硝酸鹽氮質量濃度＼[9＼]。

亞硝酸鹽的測定，采用我國檢驗水中亞硝酸鹽氮的標準方法為重氮偶合分光光度法＼[8＼]，與氨基苯磺酰胺重氮偶合后，采用分光光度計比色定量＼[10＼]。pH值及溫度均由pH計測定。

3結果與討論

在不同碳氮比C/N條件下，模擬受污染地下水環境中的含氮有機物氧化分解實驗參數及結果如圖2所示。

（a）硝酸鹽分解率在不同碳氮比作用時的變化（b）亞硝酸鹽氮濃度在不同碳氮比作用時產生的pH值變化

圖2含氮有機物在不同碳氮比作用下氧化分解變化趨勢

根據圖2（a）分析得出，不同碳氮比下反應器的處理效果不同。碳氮比為3.00，水力停留時間為8 h時，硝酸鹽氮得到完全的去除，隨之碳氮比經3.50、2.50、1.50、1.20、1.00、0.70、0.50遞減，硝酸鹽氮濃度緩慢增長。

圖2（b）數據顯示，實驗初期及中期模擬污染水系統中亞硝酸鹽氮含量很低，均滿足地下水水質指標中亞硝酸鹽氮濃度限值（≤0.02mg/L）。隨著碳氮比降至1.00后，亞硝酸鹽含量明顯高出水質指標限值。說明在反應過程中，產生較多量的亞硝酸鹽氮。

圖3分析了不同C/N下反應器進出水中COD含量的變化。圖中數據顯示，隨C/N的減少，進出水中COD濃度均有所下降。當碳氮比C/N持續減少至1.00以下時COD無檢出，說明添加的甲醇在反應過程中已被分解＼[11＼]。

4結論

（1）碳源是電極生物膜反應器中獲取高效反硝化效率的主要控制參數，C/N代表有機碳源的量，過高的C/N會產生水質污染，進而增加水處理藥劑，提高運行成本。但過低的C/N則會過度積累亞硝酸鹽導致反硝化不完全，因此污染物降解過程中碳源類型及碳氮比值的確定十分重要。

（2）反硝化過程中產生亞硝酸鹽氮積累，是由于硝酸鹽氮降解反應過程中硝酸鹽降解菌的還原酶作用強于亞硝酸鹽還原作用，抑制了亞硝酸鹽還原＼[12～14＼]，從而產生大量亞硝酸鹽氮。

（3）硝酸鹽氮降解反應中的，當C/N為1.00時，污染物降解完全，去除率已達到95%，因此說明去除地下水氮污染過程中最佳碳氮比為1.00。

致謝：本實驗工作由中國環境監測總站張鵬工程師等協助完成，在此表示感謝。endprint

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Effect of C / N Ratio on Treatment of Nitrogen-Contaminated Groundwater by Biofilm Process

Chen Yanan1， Wang Tiantian1， Zhang Peng2

（1. CCCC Railway Consultants Group Co.， Ltd， Bijing 100088， China； 2. China National Environmental Monitoring Center， Bijing 100012， China）

Abstract： The removal rate of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen in the groundwater are different due to the change of C/N. The result show that： when the optimum C/N is 1.00， the nitrate nitrogen removal rate reached the maximum value 97% and nitrite concentration was ≤0.01 mg/L. The content of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen has increased considerably when C/N≥1.00 or C/N≤1.00 of groundwater. The results indicated that in the process of nitrogen pollution removing. The growth of the biodegradable bacteria is much affected by C/N on the surface of the biofilm， and then the removal rate of nitrate nitrogen was affected. The accumulation of nitrite nitrogen was also increased.

Key words： biofilm-electrode reactor； denitrification； nitrate nitrogen； nitrite nitrogenendprint