自养反硝化技术-未来脱氮的更优选择(五)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-09-08 09:59

1.2.1.2生物电化学反硝化反应器

在阴极表面原位产氢的条件下发生的生物反硝化即生物电化学反硝化(BER),氢自养反硝化菌利用阴极产生的氢气及阴极反应产生的低氧化还原电位(ORP)可以将硝酸盐还原为氮气。BER可将反硝化菌直接固定在阴极表面,使阴极产生的氢气被直接利用。BER的电极反应式见式(1-13)和式(1-14)。

阳极反应:5H2O→2.5O2+10H++10e                                (1-13)

阴极反应:10H2O+10e→5H2+10OH                                (1-14)

而阴极上自养反硝化反应中NO3的还原过程反应式见式(1-15)~式(1-16)。

2NO3+2H2→2NO2+2H2O                                          (1-15)

2NO2+2H2→N2O+H2O+2OH                                       (1-16)

N2O+H2→N2+H2O                                               (1-17)

由式(1-13)~式(1-17)得阴极上自养反硝化的总反应式见式(1-18)。

2NO3+6H2O+10e→N2+12OH                                      (1-18)

综合以上式(1-15)~式(1-18),生物电化学反硝化反应可表示为式(1-19)。

2NO3+H2O→N2+2.5O2+2OH                                       (1-19)

BER的设计主要包括电极材料、数量、排列方式等。颗粒活性炭、石墨及一些金属如不锈钢、镍、铜、钛等均可用做BER反应器的阴极。Szekeres等研究了一种双反应器的生物电化学反应装置,反应包括两个阶段,水首先通过电化学槽中的阴极柱产生氢气,然后在生物反应器里进行反硝化。这种生物反应器是一个装满活性炭颗粒的填充床,水连续不断地由下而上流动。该反应器在不同的水流速和电流强度下运行了一年,反硝化速率达0.25kg/(m3·d)。Park等采用BER反应器直接阴极产氢的方式处理高浓度硝酸盐废水,在电流200mA条件下驯化60d,获得98%的硝酸盐去除率。Wan等采用膜电极和硫自养反硝化相结合方式处理硝酸盐污染地下水,在硝酸盐体积负荷0.12~0.24kg/(m3·d)时,可以获得很好的脱氮效果;膜电极部分的脱氮效果取决于电流,最优的电流为30~1000mA。BER是崭新的技术,目前既没有成熟的技术应用指导文件,也尚未见规模化的工程应用报道。今后的研究应集中于电极的材料、形状以及BER的模型模拟、参数优化等方面。

电化学供氢的地下水脱氮工艺,解决了因氢气溶解度小而利用率低的问题,其基本原理是:微电解过程中阴极产生的氢被附着于阴极面的反硝化细菌所利用,从而完成对硝酸盐氮的还原。用这种方法净化硝酸盐氮污染源水时,对于进水中不同含量的硝酸盐氮可通过调节电流大小(一般在0~100mA)来达到相应的净化效果,其设施简单,安全,操作管理简单,净化费用低廉。但与异养生物反硝化相比,这类工艺单位体积反应器的处理能力仍较小,因而其更多的应用是其它方法进行集成。