电极生物膜法反硝化脱氮的研究进展

摘要：电极－生物膜法是近年来才发展起来的一项新型水处理技术。在处理低浓度硝酸盐氮污染的地下水和饮用水等方面具有良好的效果。本文对硝酸盐氮污染概况及其危害和电极生物膜法研究进展概况作一说明，并对其基本原理和影响因素进行了一些理论探讨。

关键词：电极生物膜法 反硝化 硝酸盐氮 反硝化效果 饮用水

1 引言

目前，许多国家的地下水都受到不同程度的硝酸盐污染。在欧洲的一些地区，30年前硝酸盐的污染就已达到比较严重的水平，而且还在继续增长[1]。我国一些地区的地下水中的硝酸盐含量逐年增加，个别地区用作饮用水的地下水中硝酸盐氮浓度已达到30mg/L。世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐氮不超过10mg/L。推荐标准是5mg/L[2]。我国《生活饮用水水质卫生规范》规定：硝酸盐（以N计）标准是20mg/L。

硝酸盐污染主要是由生产中大量使用化肥所致[1]。未被植物吸收或挥发的肥料中的氮以硝酸盐的形式挥发或由地表径流淋滤到地下水，这不但降低植物对氮的利用率，而且还会增加地下水中硝酸盐的浓度，使其高于饮用水中可接受的水平[3]。植物的固氮作用、家庭污水、工业废物及地下水回灌也会造成地下水硝酸盐浓度升高[2]。

人离不开硝酸盐，否则，香肠会变暗，茄子酱会发霉，奶酪会失去特有的香味和颜色[4]。但过量的硝酸盐对人体非常不利。硝酸盐会破坏细胞和组织的呼吸，从而导致血液中乳酸、胆固醇和白血球增加，蛋白质就会大量减少，血液成分的变化会引起多种疾病，从肌肉痉挛到卒中[4]。另外，硝酸盐被摄入人体后，在肠胃中被还原为亚硝酸盐，可引起人体高铁血蛋白症，并诱发癌症。一些研究还发现硝酸盐可引起动物的心脏等方面的问题[2]。由于饮用含高含量硝酸盐的地下水会给人类健康造成危害。因此，硝酸盐的去除问题已成为人们关注的焦点。

2 电极－生物膜法研究发展概况

目前脱除饮用水中的硝酸盐的方法主要有膜分离法，离子交换法以及生物反硝化法[2]。

膜分离法对硝酸盐无选择性，几乎能去除所有的无机离子，从人类健康、成本费等方面考虑，膜法的实用性较差。

离子交换法是利用阴离子交换树脂中的氯离子与硝酸根离子进行阴离子交换而完成的。这样造成水中氯离子的增加。另外，再生过程中，产生高浓度硫酸盐和硝酸盐废液，会造成二次污染。

生物反硝化法利用反硝化细菌，在缺氧条件下，将硝酸盐还原为氮气。外加碳源的异养反硝化法需向水中投加甲醇等有机物，需进行复杂的后处理除去过量的有机物。用硫作为电子供体的自养反硝化法会造成出水中硫酸盐含量高。另外，外加的氢源安全性低，利用率低且成本高。而电极生物膜法在处理低浓度硝酸盐氮污染的地下水和饮用水等方面具有良好的效果。它具有处理费用低、去除率高、效果稳定、易控制等优点。

电极生物膜法是是近年来才发展起来的一项新型水处理技术。在国外，1988年，U.Fuch等将生物处理方法与电化学方法结合起来，应用于反硝化除氮[5]。1992年，R.B.Mellor等[6]在Nature杂志上报道了利用电极－生物膜法进行反硝化的实验研究。他们将NO3-、NO2-、还原酶与某些染料基质相结合，涂布在阴极表面，制成生物膜电极。并提出 “电流提供反硝化还原力”、“电极生物反应器”等概念。1993年，Y.sakakibara等将脱氮细菌固定在阴极表面，对地面水和饮用水中低浓度硝酸盐进行处理，取得了很好的效果[5]。1994年，Y.sakakibara[7]又研究了阳极反应对脱氮的影响。同年，J.P.V.Flora等[8]也进行了电极生物膜法的试验研究，发现电流的增加可导致氮气产量的增加，证明了电流可促进和控制反硝化的原理。1997年，M.Kuroda等[9]通过一组试验研究了该法对COD去除的特性和氢气利用的情况。结果发现细菌在进行反硝化的同时，也利用了COD。因此，电极生物反硝化法可应用于处理各种废水。1998年，Z.Feleke等[10]研究了在不同的电流下，水中N03－和其他离子（如Ca+，Na+， SO42-，Cl-）浓度的变化情况。结果发现：Na+,SO42-,Cl-离子浓度几乎没有变化，脱氮率随电流的不同从0到100%变化，Ca+，Mg+因形成沉淀而沉积在电极上，这会阻碍反硝化作用的进行，但改变电极的极性，Ca+，Mg+会重新释放到水中。2001年，T.Watanabe等[11]也进行了电极生物膜法的试验研究，结果发现：水中pH值维持中性，水中硝酸盐和铜离子得到去除。

在国内，对电极－生物膜法工艺的研究起步较晚。1996年，高廷耀等[12]通过试验得出：在－反硝化反应器中，当电流密度i<0.14mA/cm2时，反硝化速度随电流的增加而增加，进水DO<2.5mg/L时，DO对间歇式处理的反硝化速率不产生明显影响。1997年，黄民生[13]对具有53CD硝化能力的氢细菌的基本特性进行了系统的总结。1999年，彭永臻[14]等提出了电极－生物膜法工艺的过程控制方法和在线模糊控制系统，并系统地介绍了电极—生物膜脱氮法模糊控制器的设计及其计算机算法。同年，邱凌峰[15]采用电极－生物膜法和单纯生物膜法分别对微污染源水进行脱氮预处理。结果表明：在相同条件下，前者相对于后者而言，有更高的反硝化效率，并能很好控制水中亚硝酸盐的生成。2001年，范彬[1]等研究了以无烟煤和以颗粒活性炭为介质的复三维电极－生物膜反应器脱除饮用水中硝酸盐的工艺。实验表明：两种介质的反应器在不加任何有机基质时都能有效地脱除水中的硝酸盐。2002年，曲久辉[16]等研究了一种电化学与生物膜集成的固定床—微电解反应器。2003年，王海燕[17]研究了无烟煤作填充介质时其粒径对复三维电极-生物膜反应器脱硝效果的影响。他们选择两种具有代表性的无烟煤粒径：平均粒径分别为1.9mm和4.0mm，研究两种粒径介质的反应器出水中的N03--N，N02--N，pH变化，并对电流效率及处理负荷进行对比。同年，郭一令[18]等采用旋转电极型生物 (BERC)脱氮，对以氢气作为电子供体的自养反硝化进行了研究。

3 电极生物膜法的基本原理探讨

电极生物膜法采用固定化技术将微生物固定在电极表面，形成一层生物膜，然后在电极间通入一定的电流，在阴极产生的氢气被固着在阴极上的反硝化菌所高效利用，碳阳极的氧化产物有利于中和OH-,降低pH值，增强厌氧环境，有利于生物的脱氮[5]。电极生物膜法充分结合电化学法和生物膜法，其原理包括电化学原理和生物原理。

3.1 电化学原理

电极生物膜法充分利用了电化学作用，其基本过程是：在电极之间通入一定的电流，在阴极产生氢气，在阳极产生二氧化碳，产生的气体分别为反硝化菌提供氢源和碳源。地下水或饮用水中一般含：H+,OH-,Cl-,Ca2+,Mg2+,Na+,NO3-等基本离子。

则在阴极上可能存在的反应式：

Ca2+ + 2e = 　Ca e =-2.868V

Mg2+ 　+ 2e = Mg e =-2.372V

Na+ +e = Na e =-2.71V

2H+ +2e = H2 e =0V

NO3- +2H+ +e =NO2+H2O e=0.799V

NO3- + 4H++2e =NO + 2H2O e=0.957V

阳极上可能存在的反应式：

2Cl- = Cl2 + 2e e =1.35V

[20]C+2H2O=CO2 +4H+ +4e e = 0.207V

4OH- = O2 + 2H2O +4e e = 0.401V

在电极上先析出何种产物取决于多种因素，如这种离子的浓度，超电势等等，热力学告诉我们：在阳极进行的氧化反应的首先是析出电势（考虑超电势等因素后的实际析出电极电势）代数值小的还原态物质；在阴极上进行还原反应的首先是析出电势代数值较大的氧化态物质。

基于这一原理，则有：

①在阴极上，电极电势很小的金属离子如Ca2+，Na+ 等在阴极不易被还原。虽然，都大于，但NO3-离子很难接近阴极，阴极附近NO3-浓度很低，使得NO3-的析出电位小于H+的析出电位，故在阴极上，H+首先得到电子被还原成氢气。以反应：2H+ + 2e = H2 为主。

②在阳极上，=10-7，=Pφ, = Pφ。不考虑超电势，则有：

＝－＝0.207－＝－0.206V

=－=0.401－＝0.814V

＜，且远小于，故在阳极上，碳棒将被氧化，析出二氧化碳，以反应：C + 2H2O = CO2 + 4H+ + 4e为主。

这样在阴极产生的氢气，在阳极产生的二氧化碳就为自养反硝化菌进行自养反硝化提供必要的氢源和碳源。

3.2 生物原理

电极生物膜法主要是培养出具有反硝化能力的自养细菌将硝酸盐转化为氮气，达到脱氮的目的。反硝化细菌为兼性厌氧菌，在有氧的条件下，它们利用氧进行好氧呼吸，但当溶解氧浓度较低时，它们从硝酸盐中吸取氧，从而将硝酸盐转化为氮气。反硝化细菌种类较多，主要有：无色杆菌属、气杆菌属、产碱杆菌属、杆菌属、黄杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、变形杆菌属)及硫杆菌属等[19]。根据细菌生长所利用的碳源不同，反硝化细菌可分为异养反硝化菌和自养反硝化菌。

异养反硝化菌是利用有机物作为营养源的反硝化菌，常用的有机物有甲醇、乙醇和醋酸等，其反应式为：

NO3- +1.08CH3OH+0.24H2CO30.06C5H7O2N + 0.47 N2+1.68H2O+HCO3-

①

[11]7.03CH3COOH+8.58NO3-0.58C5H7O2N+11.16CO2 + 8.58OH- +7.74H2O + 4N2

②

自养反硝化菌是利用重碳酸离子和溶解于水中的碳酸等无机碳作为细菌合成碳源的细菌。它以氢气和单质S以及硫化物作为无机电子供体，其反应式为：

[20]55S + 50NO3- + 38H2O +20C O2 +4NH4 4C5H7O2N + 55SO42- + 25N2 + 64H+

③

[11]2.16NO3 -+ 7.24H2 + 0.8CO2 0.16 C5H7O2N + N2 +5.6H2O+2.16OH-

④

反应式④是氢细菌利用氢气作为能源，并同化二氧化碳，将硝酸盐转化为氮气的反应式。氢细菌的种类很多，是一些兼性化能自养菌。它们分属在假单胞菌属，副球菌属，黄杆菌属，产碱菌属，诺卡氏菌属等，大多数氢细菌为革兰氏阴性菌，多数是好氧，少数是厌氧或兼性厌氧。如脱氮副球菌在厌氧条件下氧化H2时，以硝酸为最终电子受体，进行反硝化作用。氢细菌大多数为中温细菌，适合于中性或微碱性条件下生长，在化能自养菌中，氢细菌是生长速度最快的一类（生长周期一般为几个小时），细胞得率也很高。每克能源的细胞得率分别约为亚硝化细菌的15倍，硝化细菌的71倍和硫细菌的24倍 [13]。

由此可知，电极生物膜法的其本原理概括为：自养反硝化菌利用两极产生的H2和CO2，将硝酸盐转化为氮气，达到脱氮的目的。

4 影响自养反硝化效果的因素

影响反硝化效果的因素很多，根据以前学者的试验结果，归纳起来主要有以下几点：

4.1 pH值对反硝化的影响

pH值是影响反硝化的一个重要环境因子。大多数学者都认为：反硝化的最佳的pH值范围在中性和微碱性之间。如Timmermans指出，反硝化最适宜的pH为8.3，当环境中pH值偏离这一最佳值时，反硝化速率逐渐下降。pH值还会影响到反硝化的最终产物，如当pH低于6.0～6.5时，最终产物N2O占优势。徐亚同[19]通过试验发现：当pH大于8时．会出现NO2-的积累，并且pH愈高，NO2-积累愈严重。原因是高pH值抑制了亚硝酸盐还原酶的活性所致。

4.2 DO对反硝化的影响

生物反硝化需要在缺氧的环境中才能进行。过高的溶解氧含量对NO3--N在阴极生物膜上的还原产生严重的干扰作用。高廷耀[12]的研究表明：进水DO≥2.5mg/L时，在2h内仍能获得较好的反硝化效果。但当进水DO≥4.5mg/L时，反硝化效果将明显降低，进出水的硝酸盐浓度几乎没有变化。

4.3 温度对反硝化效果的影响。

温度也是影响反硝化效果的一个重要因素。反硝化速率一般随温度的升高而增大。但超过一定温度时，反硝化速率提高就不明显了。自养反硝化菌生长的最适温度是24～32℃[12]。

4.4不同C/N对反硝化速率的影响。

不同的碳氮比对反硝化速率的影响很大。一般来说，碳氮比越高，反硝化速率越快。M.Kuroda在反应器中投加乙酸钠，提高了脱氮速率。在5小时的水力停留时间中，NO3-的还原率达到90%以上，无残余的乙酸钠及NO2-存在，脱氮速率为未投加乙酸钠的3.8倍[5]。黄显怀[22]等人的研究结果表明：C/N＝4时，体系中异养菌大量繁殖，能在短时间内将硝酸盐质量浓度降到最低。而C/N＝1时，异养菌数量较少，反应器内存在部分自养反硝化脱氮菌，反硝化速率较慢，需要较长时间才能将硝酸盐质量浓度降到最低。

4.5电流强度与自养反硝化速率的关系

电流强度与反硝化速率有很大关系。电流越大，则在两极产生的气体量越多，自养反硝化菌可利用的营养源增多，则反硝化速率提高。但并非电流强度越大越好，通入的电流强度有个极限，即当电流强度超过极限电流强度时，反硝化速率反而下降。出现这种现象的原因是：电流过大，一部分微生物的生长会受到抑制；电流过大，阳极产物二氧化碳增多，则体系的酸性增强，酸性环境不利于微生物的生长；电流过大，则阴极会产生过量的氢气，这会产生抑氢效应[8]。这对微生物的生长也有抑制作用。另外，过大的电流会使阳极碳棒大量的溶于水中，影响水质。高廷耀[12]的试验结果表明：当电流密度i 在0.04～0.14mA/cm2范围内时，反硝化速率随电流密度 i 增加而线形升高。但当i ≥0.30mA/cm2时，反硝化速率将显著下降。

5 展望

电极生物膜法具有处理费用低、去除率高、效果稳定、易控制等优点，但此工艺的研究才刚刚起步，对该工艺中存在的深层次问题还没有完全弄清楚。要应用生产实践，还需在以下几个方面开展研究。

①需要深入研究电场作用下各种污染物质的降解机理及其协同效应问题。应设计合适的阳极、阴极材料及其空间布置方式，以提高电流利用效率，降低能耗。

②从微生物方面着手，对反应器中的微生物进行分离、鉴定，选择优势菌种进行反硝化脱氮实验，采用分子生物学手段对脱氮能力强的菌种进行基因鉴定，提出改造其它菌种的分子生物学手段与方法，考察其实际应用的可行性。

③电极生物膜法涉及到生物学和电化学等多个学科，影响因素很多，要深入研究每个因素的作用特别是因素间协同作用，找到它们的最佳结合点。

④电极生物膜法在脱氮的同时，也能去除COD[9]。因此，该法可用于废水处理的实践中，但需采取各种措施提高效率，降低处理费用。这就需要从各方面进行一系列的研究，设计出科学而紧凑的反应器结构，优化各项操作参数、改进填料、电源方式等。

⑤电极生物膜反应器中生物化学反应过程复杂，且受多种因素的影响，很难用传统的控制理论进行有效的控制，因而利用模糊控制理论寻求有效合理的自动控制方式，结合现代计算机自动化控制技术，求得电极－生物膜法工艺的自动化控制工程模型。如彭永臻[14]等提出了电极生物膜工艺的过程控制方法和在线模糊控制系统。

⑥目前，国内外学者积极研究三维电极。在基础理论研究方面，大家对其宏观理论已达成一些共识，但在微观即在原子、分子水平上的研究仍待深入，尤其关于电极表面实际反应历程、反应动力学、热力学均缺乏深入研究。这就需要我们运用现代实验方法和手段深入研究电极表面的物理化学反应历程，在详实实验数据的基础上建立各类三维电极反应过程的理论模型。在实际应用方面，主要是应深入研究探索提高电流效率的有效途径。现代研究已经表明光、声[23]、磁[24]对污染物去除都有一定效果，如何将三维电极与这些技术很好的耦合起来，达到扬长避短，也是一个极有前途的领域。

电极生物膜法是一种新颖的水处理技术，它具有处理费用低、去除率高、效果稳定、易控制等优点，随着对该工艺的深入研究，相信该工艺必将得到广泛的应用和用于生产实践。

参考文献

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