基于微電極技術(shù)的反硝化濾池生物膜特性分析

宋慧敏,周小紅,張永明,施漢昌* (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 00084；.上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 0035)

由氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素排放引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響.因此,現(xiàn)有城市污水處理廠的脫氮能力需要大幅提升以滿足日益嚴(yán)格的總氮排放標(biāo)準(zhǔn).反硝化濾池通過(guò)在填料或多孔介質(zhì)上附著反硝化細(xì)菌等微生物聚集體獲得穩(wěn)定的反硝化效果,已經(jīng)在國(guó)內(nèi)城市污水處理廠二級(jí)生物處理以及深度處理中得到了應(yīng)用[1].在工程運(yùn)行中,反硝化濾池不能保證嚴(yán)格的缺氧條件,高溶解氧濃度成為阻礙反硝化作用順利進(jìn)行的限制性因素并會(huì)消耗反硝化所需的碳源,然而目前尚未有該方面的定量考察和研究.

微電極技術(shù)自20世紀(jì)60年代以來(lái)逐漸在環(huán)境工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用,電極尖端直徑可以小至1μm,可以在對(duì)檢測(cè)對(duì)象損害不大的前提下獲得微環(huán)境中特征參數(shù)的濃度分布曲線,而特征參數(shù)的濃度分布情況又與微生物的種類(lèi)、活性、分布以及外環(huán)境影響因素緊密相關(guān),從而為探究微生物聚集體的功能提供了新的視角.目前用于生物膜內(nèi)部微環(huán)境特性測(cè)試的常用微電極包括氧、銨鹽(NH4+)、硝酸鹽(NO3-)和亞硝酸鹽(NO2-)、pH值以及氧化還原電位(ORP)等[2].通過(guò)微環(huán)境在線原位測(cè)試分析,微電極技術(shù)在研究生物膜生長(zhǎng)條件、外部水力條件、基質(zhì)負(fù)荷以及生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)生物膜內(nèi)外微觀傳質(zhì)的影響及生物膜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估值計(jì)算中發(fā)揮了重要作用[3-5].

本研究以廈門(mén)市筼筜污水處理廠反硝化生物濾池中的火山燒結(jié)石濾料為研究對(duì)象,制備尖端直徑在 30μm以內(nèi)的氧及硝酸鹽微電極,以此為測(cè)試工具,對(duì)反硝化濾池中生物膜內(nèi)部 O2、NO3-微環(huán)境分布進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)建立擴(kuò)散-反應(yīng)方程,獲得反硝化濾池生物膜微環(huán)境耗氧及反硝化活性的分布特征,為解析反硝化濾池中溶解氧對(duì)反硝化作用的影響提供研究手段及基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 筼筜污水處理廠工藝分析

筼筜污水處理廠2006年投入運(yùn)行,采用法國(guó)得利滿的S3D+BIOFOR工藝技術(shù),設(shè)計(jì)規(guī)模30萬(wàn)t/d,實(shí)際運(yùn)行規(guī)模25萬(wàn)t/d,夏天雨季峰值可超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)模.來(lái)水大部分都是生活污水,雨季有雨水,不含工業(yè)廢水.進(jìn)水 COD:200～300mg/L, TN:30～40mg/L,TP:6mg/L左右.污水通過(guò)S3D沉淀池進(jìn)行一級(jí)強(qiáng)化處理,再進(jìn)入BIOFOR生物濾池,即反硝化濾池(DN池)與硝化濾池(CN池)串聯(lián)工藝進(jìn)行二級(jí)處理,工藝流程如圖1.其中,快速混合池溶解氧濃度約 5.0～5.3mg/L,混合池出水經(jīng)過(guò)跌落后進(jìn)入DN池,采用下部進(jìn)水,上部溢流出水.DN池進(jìn)水溶解氧濃度達(dá)到6.2～6.4mg/L,池內(nèi)溶解氧接近 0.毫無(wú)疑問(wèn),混合池投加的碳源部分用于消氧,而且,高濃度的溶解氧也會(huì)對(duì)反硝化過(guò)程造成影響.此外,該工藝受回流比的限制,實(shí)現(xiàn)《城鎮(zhèn)污水處理廠綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)(TN＜15mg/L)存在困難.

圖1 笎筜污水處理廠工藝流程Fig.1 Flow chart in Yuandang wastewater treatment plant

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 反硝化濾池模擬裝置的運(yùn)行

將取自筼筜污水處理廠反硝化濾池的濾料放置于實(shí)驗(yàn)室模擬反應(yīng)裝置中.反應(yīng)器由聚丙烯有機(jī)玻璃制成,體積 0.16L[面積(4×4)cm2,高10cm],填料層高度為6cm,清水區(qū)2cm,采用下部進(jìn)水,連續(xù)流方式運(yùn)行反應(yīng)器,進(jìn)水流量為5.38L/d,水力停留時(shí)間約為40min,運(yùn)行溫度為室溫[(20±2)℃],反應(yīng)器進(jìn)水溶解氧濃度為6～7mg/L.進(jìn)水采用人工配水,由甲醇、硝酸鉀、氯化銨、多聚磷酸二氫鉀混合而成,其中多聚磷酸二氫鉀中含有微生物生長(zhǎng)所需要的多種微量元素,水質(zhì)如表1所示.

2.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

對(duì)連續(xù)流反應(yīng)器的監(jiān)測(cè)指標(biāo)和方法如下[6]:氨氮、硝氮、TN:分光光度法,COD:重鉻酸鉀滴定法,溶解氧濃度:電極法.

表1 人工配水水質(zhì)(mg/L)Table 1 Chemical compositions of synthetic wastewater(mg/L)

2.3 氧和硝酸鹽微電極制備及標(biāo)定

按照文獻(xiàn)[7]的方法制作分離式氧微電極及液膜離子選擇性硝酸鹽微電極.分離式氧微電極尖端直徑在15μm左右.測(cè)試中以Ag/AgCl/飽和KCl電極為參比電極,兩極間添加0.6～0.8V的極化電壓,產(chǎn)生極限擴(kuò)散電流,此電流與溶解氧濃度成正比,用皮安計(jì)(PA2000,Unisense,瑞典)記錄此電流的變化情況,通過(guò)繪制標(biāo)定曲線進(jìn)一步換算出溶解氧濃度.

液膜離子選擇性硝酸鹽微電極尖端直徑在25μm 左右,液膜采用 Fluka 74529,測(cè)試中以Ag/AgCl/飽和KCl電極為參比電極,以電化學(xué)工作站(CHI660,上海辰華)記錄開(kāi)路電壓,通過(guò)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)一步換算出硝酸鹽濃度.

2.4 濾料生物膜內(nèi)特征參數(shù)濃度分布曲線的測(cè)定

從運(yùn)行15d的模擬反應(yīng)器中取出一粒濾料,放置于載玻片上,以模擬反應(yīng)器出水覆蓋濾料.開(kāi)始用氧以及硝酸鹽微電極依次測(cè)試沿濾料半徑方向上的氧及硝酸鹽分布曲線.為減小電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)對(duì)微電極測(cè)試的干擾,反應(yīng)器及皮安計(jì)均放于屏蔽箱中,整個(gè)屏蔽箱置于防震平臺(tái)(63-500型,美國(guó)TMC公司)上.微電極由三維微動(dòng)平臺(tái)固定和控制方向(MAMS-02型,北京金達(dá)清創(chuàng)環(huán)境科技有限公司),在體式顯微鏡(XTL-20型,北京泰克儀器有限公司)的觀察下,調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái),使微電極尖端位于測(cè)試通道與主體溶液的交界面,然后以50μm為調(diào)節(jié)步長(zhǎng)向下移動(dòng)微電極.Ag/AgCl飽和KCl電極(218型,上海羅素科技有限公司)固定于主體溶液中的某一位置充當(dāng)參比電極.

3 結(jié)果與討論

3.1 氧、硝酸鹽微電極的標(biāo)定

根據(jù)氧微電極對(duì)測(cè)定溶液的響應(yīng)電流值與溶液中溶解氧濃度成正比,對(duì)多支氧微電極進(jìn)行三點(diǎn)標(biāo)定(氧分壓分別是0%、10.5%和21%),圖2為典型的氧微電極標(biāo)定曲線.此外,以去離子水配置系列濃度梯度的硝酸鹽標(biāo)定溶液,對(duì)硝酸鹽微電極進(jìn)行多點(diǎn)標(biāo)定,圖3為典型的硝酸鹽微電極標(biāo)定曲線,檢測(cè)下限為5×10-6mol/L.

圖2 分離式氧微電極標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curve of separated oxygen microelectrode

圖3 硝酸鹽微電極的Nernst響應(yīng)曲線Fig.3 Nernst response curve of nitrate microelectrode

3.2 反硝化濾池生物膜內(nèi)氧及硝酸鹽分布測(cè)試

生物膜內(nèi)部特征參數(shù)的濃度分布情況與活性直接相關(guān),是揭示生物膜內(nèi)部傳質(zhì)及生化反應(yīng)特性的重要依據(jù).圖4為微電極測(cè)試獲得的生物膜內(nèi)部溶解氧及硝酸鹽分布曲線,其中溶解氧濃度為2次測(cè)量后的平均值及標(biāo)準(zhǔn)方差.由圖可知,隨著氨氮以及有機(jī)物的耗氧作用下,生物膜內(nèi)溶解氧濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),主體溶液溶解氧濃度約1mg/L,在生物膜內(nèi)部不足300μm深度處下降至 0.硝酸鹽濃度也有明顯的下降趨勢(shì),由主體溶液的約6.5mg/L下降至約4.5mg/L,下降區(qū)域延續(xù)到生物膜內(nèi)部600μm深度范圍.在生物膜深度 600μm以下,硝酸鹽濃度沒(méi)有明顯的變化,表明該區(qū)域反硝化活性很低,對(duì)硝酸鹽的去除沒(méi)有明顯貢獻(xiàn).此外,結(jié)合溶解氧及硝酸鹽的分布曲線來(lái)看,在生物膜表層 300μm,即溶解氧＞0mg/L區(qū)域內(nèi),硝酸鹽隨生物膜深度下降幅度不大,且呈上凸拋物線分布,根據(jù)參考文獻(xiàn)[3-4]對(duì)生物膜反應(yīng)過(guò)程的判斷,反硝化發(fā)生的范圍應(yīng)該在生物膜內(nèi)部300～600μm范圍內(nèi),也證實(shí)了溶解氧先于硝酸鹽作為電子受體得到利用.

圖4 反硝化濾料生物膜溶解氧及硝酸鹽分布曲線Fig.4 Oxygen and nitrate profiles measured in biofilm taken from the denitrification biofilter

3.3 生物膜內(nèi)氧及硝酸鹽反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及競(jìng)爭(zhēng)分析

假設(shè)生物膜內(nèi)部物質(zhì)傳輸形式符合Fick第一擴(kuò)散定律,隨深度方向上擴(kuò)散系數(shù)不發(fā)生變化,物質(zhì)分布近似處于穩(wěn)態(tài).此外,氧以及硝酸鹽的生物反應(yīng)過(guò)程通常可以通過(guò)零級(jí)反應(yīng)方程式來(lái)描述[8-9].而且自配水中氨氮濃度低,硝化反應(yīng)過(guò)程可以忽略不計(jì).綜上,建立生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散-反應(yīng)方程來(lái)描述生物膜內(nèi)氧利用及反硝化過(guò)程,如式(1)及式(2)所示.

式中: So、SN分別為氧和硝酸根濃度, g/m3;Φ為孔隙率;Do、DN分別為氧和硝酸鹽的分子擴(kuò)散系數(shù), m2/d;x為生物膜深度, m; ko為氧反應(yīng)速率常數(shù),g/(g VSS·d);kN為反硝化速率常數(shù),g/(g VSS·d); Xf為生物膜密度,g VSS/m3.根據(jù)文獻(xiàn)[10],氧和硝酸鹽分子擴(kuò)散系數(shù)分別是 1.81×10-4m2/d和1.06×10-4m2/d.

由式(1)及式(2)可知,生物膜內(nèi)溶解氧及硝酸根隨深度方向的分布符合拋物線形式,即:

其中:

根據(jù)式(1)及式(2)以及測(cè)量獲得的氧和硝酸鹽沿生物膜深度方向的濃度分布曲線(圖4),通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以推導(dǎo)出反硝化濾池生物膜氧反應(yīng)速率常數(shù)以及反硝化速率常數(shù),兩者的比值為 i= 1.46.

當(dāng)主體溶液溶解氧為1mg/L左右時(shí),生物膜內(nèi)部仍然會(huì)有明顯的耗氧過(guò)程,而且氧利用速率常數(shù)略高于反硝化速率常數(shù),體現(xiàn)了氧與硝酸根的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,且生物膜內(nèi)部反硝化速率不高的一個(gè)可能原因是氧消耗過(guò)程中耦合了有機(jī)物利用,使得生物膜內(nèi)部有機(jī)物不充分.

4 結(jié)論

4.1 研制出性能良好的分離式氧微電極和硝酸鹽微電極,尖端直徑都在30μm以內(nèi),為研究反硝化濾池中溶解氧對(duì)反硝化作用的影響提供了技術(shù)手段.

4.2 通過(guò)對(duì)反硝化濾池生物膜內(nèi)部氧及硝酸鹽濃度的分布測(cè)試表明,生物膜內(nèi)溶解氧和硝酸鹽濃度都呈下降趨勢(shì),在生物膜深度300μm內(nèi)溶解氧濃度下降至約為 0,而發(fā)生反硝化的區(qū)域在生物膜內(nèi)300～600μm深度范圍,證實(shí)了生物膜內(nèi)部溶解氧先于硝酸鹽作為電子受體而得到利用.

4.3 通過(guò)生物膜內(nèi)氧及硝酸鹽反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及競(jìng)爭(zhēng)分析,推導(dǎo)出反硝化濾池生物膜氧利用速率常數(shù)與反硝化速率常數(shù)的比值為 1.46,溶解氧對(duì)反硝化過(guò)程的影響是顯著的.

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