溶解氧對(duì)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(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，yujief@hit.edu.cn)

以往大多數(shù)研究均認(rèn)為幾乎所有的反硝化細(xì)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(jìn)行呼吸.如果反應(yīng)器中存在溶解氧，即使質(zhì)量濃度很低，反硝化菌也會(huì)優(yōu)先利用分子氧作為最終的電子受體進(jìn)行呼吸，從而抑制了反硝化細(xì)菌體內(nèi)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(xì)菌［3-6］的發(fā)現(xiàn)沖破了這種傳統(tǒng)認(rèn)識(shí).這些細(xì)菌在有氧存在的情況下，也能將NO3-或NO2

-轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓?-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(shí)利用氧氣和NO3

-的結(jié)果，他認(rèn)為胞外轉(zhuǎn)化和胞內(nèi)同化是去除的兩種機(jī)制.當(dāng)氧氣的質(zhì)量濃度較高時(shí)，好氧反硝化細(xì)菌傾向于胞內(nèi)同化.氧氣質(zhì)量濃度降低，則大部分NO3-在細(xì)胞外被轉(zhuǎn)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(xì)菌需要利用硝酸鹽呼吸產(chǎn)生的質(zhì)子傳動(dòng)力來維持生長(zhǎng)，厭氧反硝化與膜結(jié)合酶密切相關(guān).但在好氧反硝化中起主要作用的是周邊原生質(zhì)酶.因?yàn)镈O會(huì)阻止NO3-穿過原生質(zhì)膜，不能夠到達(dá)膜結(jié)合酶的活性中心，這就抑制了膜結(jié)合酶的活性.上述研究都是針對(duì)傳統(tǒng)的生物反硝化過程［13-16］，就電極生物膜系統(tǒng)［17-19］這種新型的脫氮方法而言，有關(guān)溶解氧對(duì)反硝化性能影響的研究還不夠深入.Sakaibara and Araki［20］認(rèn)為，當(dāng)基質(zhì)中含有DO和NO3-時(shí)，在以無定形碳為陽極、銹鋼為陰極的電極生物膜系統(tǒng)中，陽極首先會(huì)使碳氧化成CO2，從而中和了反硝化過程產(chǎn)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(dāng)DO被還原殆盡，即溶解氧質(zhì)量濃度在電極表面為零，才能產(chǎn)生氫氣.也有研究認(rèn)為［21］，在電極生物膜反應(yīng)器中，從陰極表面逸出的H2能夠?yàn)樯飫?chuàng)造厭氧環(huán)境，從而保證反硝化的進(jìn)行.但是，電極生物膜系統(tǒng)中電極表面的電化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，僅考慮電極反應(yīng)過程是不完善的.本文測(cè)定了電解反應(yīng)器及生物膜反應(yīng)器中陰極區(qū)DO的質(zhì)量濃度梯度，并考察了不同DO下電極生物膜系統(tǒng)的反硝化性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 生物膜培養(yǎng)

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室以往研究結(jié)果對(duì)BER系統(tǒng)中石墨陰極上的生物膜進(jìn)行掛膜和培養(yǎng).

1.2 電解－電極生物膜(ER＆BER)反應(yīng)系統(tǒng)

ER電解系統(tǒng)中分別以泡沫鎳和不銹鋼板為陽極和陰極，反應(yīng)器體積為1.5 L，控制ER反應(yīng)器電位，使得水在ER反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生電解，產(chǎn)生氧氣.BER生物膜系統(tǒng)中電極材料采用石墨，體積為2 L.ER和BER系統(tǒng)與培養(yǎng)液之間以三通閥連接.試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)液和電解反應(yīng)器的出口流量，控制進(jìn)入BER系統(tǒng)的硝酸鹽質(zhì)量濃度和氧氣的量(圖1).

圖1 ER＆BER生物膜反應(yīng)器示意圖

1.3 不同溶解氧質(zhì)量濃度下BER系統(tǒng)內(nèi)DO質(zhì)量濃度梯度的變化

采用連續(xù)進(jìn)水方式，控制進(jìn)入電解系統(tǒng)水的流速為3 L/d及電解系統(tǒng)電流為150 mA.在電解系統(tǒng)DO基本恒定均勻下(質(zhì)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(yǎng)液在三通閥處混合，培養(yǎng)液內(nèi)含220 mg/L的硝酸鹽，流速亦為3 L/d，混合后，BER系統(tǒng)進(jìn)水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為110 mg/L，流速為6 L/d.BER系統(tǒng)的電流強(qiáng)度控制在20 mA.為監(jiān)測(cè)BER系統(tǒng)內(nèi)DO質(zhì)量濃度變化，在BER反應(yīng)器的頂端設(shè)置了8個(gè)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(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，每隔2 h在取樣口取樣，測(cè)定DO質(zhì)量濃度(圖2).為了比較電化學(xué)法(即無生物膜影響)、生物膜法(即無電化學(xué)影響)和電極生物膜法工藝中溶解氧質(zhì)量濃度變化及其規(guī)律，對(duì)上述3種系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度梯度均進(jìn)行了測(cè)定.

1.4 BER系統(tǒng)內(nèi)反硝化過程中陰極區(qū)溶解氧DO的變化

為避免BER系統(tǒng)中陽極產(chǎn)生的氧氣對(duì)陰極反應(yīng)產(chǎn)生干擾，用石棉布將陰陽極隔開.BER的電流強(qiáng)度控制在20 mA，總的反應(yīng)時(shí)間為62 h，整個(gè)反應(yīng)過程中用磁力攪拌器使溶液混合均勻.ER的電流強(qiáng)度先后調(diào)節(jié)為0、50、150 mA，每2 h測(cè)定一次陰極區(qū)DO質(zhì)量濃度、出水的-N和-N質(zhì)量濃度.硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的測(cè)定均采用標(biāo)準(zhǔn)分光光度法.

圖2 系統(tǒng)溶解氧測(cè)定采樣口示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 不同研究系統(tǒng)內(nèi)DO質(zhì)量濃度梯度的變化

研究表明，電解反應(yīng)器、生物膜反應(yīng)器和電極生物膜反應(yīng)器中DO質(zhì)量濃度梯度呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)(圖3).在ER系統(tǒng)電流強(qiáng)度為150 mA時(shí)，經(jīng)檢測(cè)進(jìn)入BER系統(tǒng)的溶解氧質(zhì)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(zhì)量濃度梯度的差值很小，反硝化進(jìn)行12 h后，DO的平均值為3.54 mg/ L.但在生物膜反應(yīng)系統(tǒng)中(圖3(b))，DO下降得很快，如反應(yīng)12 h后，離陰極表面8 mm處的DO質(zhì)量濃度僅為 0.71 mg/L，遠(yuǎn)低于 6.80～6.90 mg/L的初始質(zhì)量濃度，這一結(jié)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(zhì)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(zhì)量濃度梯度最大(圖3(c)).反應(yīng)12 h后，陽極表面的DO質(zhì)量濃度為3.56 mg/L，是3種研究系統(tǒng)中最高的，但是陰極表面的DO質(zhì)量濃度僅為0.91 mg/L.在電極生物膜系統(tǒng)中除了生物的呼吸作用，陰極還會(huì)析出氫氣.因此，上述結(jié)果應(yīng)該是生物呼吸和氫氣析出的共同作用結(jié)果.

2.2 進(jìn)水中不同溶解氧質(zhì)量濃度對(duì)電極生物膜脫氮效果的影響

調(diào)節(jié)水電解池的外加電流強(qiáng)度分別為0、50、150 mA，以改變進(jìn)水的溶解氧質(zhì)量濃度.每隔2 h測(cè)定一次BER系統(tǒng)內(nèi)陰極區(qū)的溶解氧質(zhì)量濃度和陰極出水的硝酸鹽和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度(圖4).

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間反硝化系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度梯度變化

ER系統(tǒng)內(nèi)電流強(qiáng)度的增大必然會(huì)使BER系統(tǒng)進(jìn)水的溶解氧質(zhì)量濃度增加，經(jīng)檢測(cè)進(jìn)入電極生物膜反應(yīng)器的溶解氧質(zhì)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(yīng)器陰極區(qū)的溶解氧質(zhì)量濃度也略有不同，基本上與進(jìn)水中的溶解氧質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致.但溶解氧質(zhì)量濃度的變化對(duì)硝酸鹽氮降解的影響并不明顯，當(dāng)ER系統(tǒng)電流為0和50 mA時(shí)，BER系統(tǒng)出水的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度均低于3 mg/L;ER系統(tǒng)電流為150 mA時(shí)，BER系統(tǒng)出水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度稍高，但也低于7 mg/L.

溶解氧質(zhì)量濃度對(duì)亞硝酸鹽的積累情況也有一定的影響.當(dāng)充氧電流為50 mA時(shí)，亞硝酸鹽氮的累積最高值為0.65 mg/L.但經(jīng)接近60 h反硝化后，其質(zhì)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(yīng)約60 h，亞硝酸鹽的出水平均質(zhì)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(duì)亞硝酸鹽的反硝化過程影響較為明顯.

圖4 不同供氧質(zhì)量濃度下電極生物膜系統(tǒng)的變化

2.3 連續(xù)改變進(jìn)水溶解氧質(zhì)量濃度對(duì)電極生物膜脫氮的影響

反應(yīng)器中硝酸鹽氮的初始質(zhì)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(yīng)，電流強(qiáng)度為20 mA.分別在反應(yīng)進(jìn)行了23 h和47 h時(shí)，將ER系統(tǒng)的電流強(qiáng)度先后變化為50 mA和150 mA，總反應(yīng)時(shí)間為61 h.每隔2 h測(cè)一次陰極區(qū)的溶解氧質(zhì)量濃度、出水的硝酸鹽質(zhì)量濃度和亞硝酸鹽質(zhì)量濃度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.

ER系統(tǒng)電流強(qiáng)度每改變一次，都會(huì)使電解生物膜反應(yīng)器陰極區(qū)的溶解氧質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)(圖5(a))，出水的硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度也有所增加，但峰值均小于2 mg/L.但陰極區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度和出水硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度很快又恢復(fù)到較低水平(圖5(a)和(b))，反應(yīng)55 h后，電極生物膜反應(yīng)器的出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定在1.0 mg/L左右.連續(xù)增加溶解氧的質(zhì)量濃度對(duì)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(yuǎn)小于美國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 mg/L.

圖5 連續(xù)改變進(jìn)水溶解氧質(zhì)量濃度時(shí)電極生物膜系統(tǒng)的變化

3 溶解氧對(duì)電極生物膜上生物相變化的影響

分別在ER系統(tǒng)充氧電流為0 mA和150 mA條件下，對(duì)生長(zhǎng)在生物膜上的微生物相進(jìn)行透射電鏡觀察，結(jié)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(shù)量最多.此外還生長(zhǎng)著大量的球菌和弧形菌(圖6(a)).電極生物膜系統(tǒng)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(yōu)勢(shì)菌種，但是其平均長(zhǎng)度僅為0.5 μm.這表明在溶解氧質(zhì)量濃度較高的環(huán)境下，短桿菌的生長(zhǎng)最為旺盛.同時(shí)，溶解氧質(zhì)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(shí)觀察到的生長(zhǎng)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(tǒng)生物相分析

4 結(jié)論

1)在電極生物膜反硝化系統(tǒng)中，電化學(xué)反應(yīng)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(tǒng)中，未發(fā)現(xiàn)DO質(zhì)量濃度變化對(duì)硝酸鹽氮去除的明顯影響，過高的DO質(zhì)量濃度會(huì)增加亞硝酸鹽氮的積累.

3)DO質(zhì)量濃度變化時(shí)，TEM觀察發(fā)現(xiàn)電極生物膜上的生物相發(fā)生一些變化.

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