基于微电极技术的反硝化滤池生物膜特性分析

宋慧敏,周小红,张永明,施汉昌* (.清华大学环境学院,北京 00084；.上海师范大学生命与环境科学学院,上海 0035)

由氮磷等营养元素排放引起的水体富营养化问题对环境造成了严重的负面影响.因此,现有城市污水处理厂的脱氮能力需要大幅提升以满足日益严格的总氮排放标准.反硝化滤池通过在填料或多孔介质上附着反硝化细菌等微生物聚集体获得稳定的反硝化效果,已经在国内城市污水处理厂二级生物处理以及深度处理中得到了应用[1].在工程运行中,反硝化滤池不能保证严格的缺氧条件,高溶解氧浓度成为阻碍反硝化作用顺利进行的限制性因素并会消耗反硝化所需的碳源,然而目前尚未有该方面的定量考察和研究.

微电极技术自20世纪60年代以来逐渐在环境工程领域中得到应用,电极尖端直径可以小至1μm,可以在对检测对象损害不大的前提下获得微环境中特征参数的浓度分布曲线,而特征参数的浓度分布情况又与微生物的种类、活性、分布以及外环境影响因素紧密相关,从而为探究微生物聚集体的功能提供了新的视角.目前用于生物膜内部微环境特性测试的常用微电极包括氧、铵盐(NH4+)、硝酸盐(NO3-)和亚硝酸盐(NO2-)、pH值以及氧化还原电位(ORP)等[2].通过微环境在线原位测试分析,微电极技术在研究生物膜生长条件、外部水力条件、基质负荷以及生物膜结构对生物膜内外微观传质的影响及生物膜反应动力学参数的估值计算中发挥了重要作用[3-5].

本研究以厦门市筼筜污水处理厂反硝化生物滤池中的火山烧结石滤料为研究对象,制备尖端直径在 30μm以内的氧及硝酸盐微电极,以此为测试工具,对反硝化滤池中生物膜内部 O2、NO3-微环境分布进行测试,通过建立扩散-反应方程,获得反硝化滤池生物膜微环境耗氧及反硝化活性的分布特征,为解析反硝化滤池中溶解氧对反硝化作用的影响提供研究手段及基础数据.

1 筼筜污水处理厂工艺分析

筼筜污水处理厂2006年投入运行,采用法国得利满的S3D+BIOFOR工艺技术,设计规模30万t/d,实际运行规模25万t/d,夏天雨季峰值可超过设计规模.来水大部分都是生活污水,雨季有雨水,不含工业废水.进水 COD:200～300mg/L, TN:30～40mg/L,TP:6mg/L左右.污水通过S3D沉淀池进行一级强化处理,再进入BIOFOR生物滤池,即反硝化滤池(DN池)与硝化滤池(CN池)串联工艺进行二级处理,工艺流程如图1.其中,快速混合池溶解氧浓度约 5.0～5.3mg/L,混合池出水经过跌落后进入DN池,采用下部进水,上部溢流出水.DN池进水溶解氧浓度达到6.2～6.4mg/L,池内溶解氧接近 0.毫无疑问,混合池投加的碳源部分用于消氧,而且,高浓度的溶解氧也会对反硝化过程造成影响.此外,该工艺受回流比的限制,实现《城镇污水处理厂综合排放标准》一级A排放标准(TN＜15mg/L)存在困难.

图1 笎筜污水处理厂工艺流程Fig.1 Flow chart in Yuandang wastewater treatment plant

2 实验方法

2.1 反硝化滤池模拟装置的运行

将取自筼筜污水处理厂反硝化滤池的滤料放置于实验室模拟反应装置中.反应器由聚丙烯有机玻璃制成,体积 0.16L[面积(4×4)cm2,高10cm],填料层高度为6cm,清水区2cm,采用下部进水,连续流方式运行反应器,进水流量为5.38L/d,水力停留时间约为40min,运行温度为室温[(20±2)℃],反应器进水溶解氧浓度为6～7mg/L.进水采用人工配水,由甲醇、硝酸钾、氯化铵、多聚磷酸二氢钾混合而成,其中多聚磷酸二氢钾中含有微生物生长所需要的多种微量元素,水质如表1所示.

2.2 测试项目与方法

对连续流反应器的监测指标和方法如下[6]:氨氮、硝氮、TN:分光光度法,COD:重铬酸钾滴定法,溶解氧浓度:电极法.

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

2.3 氧和硝酸盐微电极制备及标定

按照文献[7]的方法制作分离式氧微电极及液膜离子选择性硝酸盐微电极.分离式氧微电极尖端直径在15µm左右.测试中以Ag/AgCl/饱和KCl电极为参比电极,两极间添加0.6～0.8V的极化电压,产生极限扩散电流,此电流与溶解氧浓度成正比,用皮安计(PA2000,Unisense,瑞典)记录此电流的变化情况,通过绘制标定曲线进一步换算出溶解氧浓度.

液膜离子选择性硝酸盐微电极尖端直径在25µm 左右,液膜采用 Fluka 74529,测试中以Ag/AgCl/饱和KCl电极为参比电极,以电化学工作站(CHI660,上海辰华)记录开路电压,通过绘制标准曲线进一步换算出硝酸盐浓度.

2.4 滤料生物膜内特征参数浓度分布曲线的测定

从运行15d的模拟反应器中取出一粒滤料,放置于载玻片上,以模拟反应器出水覆盖滤料.开始用氧以及硝酸盐微电极依次测试沿滤料半径方向上的氧及硝酸盐分布曲线.为减小电磁干扰和机械振动对微电极测试的干扰,反应器及皮安计均放于屏蔽箱中,整个屏蔽箱置于防震平台(63-500型,美国TMC公司)上.微电极由三维微动平台固定和控制方向(MAMS-02型,北京金达清创环境科技有限公司),在体式显微镜(XTL-20型,北京泰克仪器有限公司)的观察下,调节微动平台,使微电极尖端位于测试通道与主体溶液的交界面,然后以50µm为调节步长向下移动微电极.Ag/AgCl饱和KCl电极(218型,上海罗素科技有限公司)固定于主体溶液中的某一位置充当参比电极.

3 结果与讨论

3.1 氧、硝酸盐微电极的标定

根据氧微电极对测定溶液的响应电流值与溶液中溶解氧浓度成正比,对多支氧微电极进行三点标定(氧分压分别是0%、10.5%和21%),图2为典型的氧微电极标定曲线.此外,以去离子水配置系列浓度梯度的硝酸盐标定溶液,对硝酸盐微电极进行多点标定,图3为典型的硝酸盐微电极标定曲线,检测下限为5×10-6mol/L.

图2 分离式氧微电极标定曲线Fig.2 Calibration curve of separated oxygen microelectrode

图3 硝酸盐微电极的Nernst响应曲线Fig.3 Nernst response curve of nitrate microelectrode

3.2 反硝化滤池生物膜内氧及硝酸盐分布测试

生物膜内部特征参数的浓度分布情况与活性直接相关,是揭示生物膜内部传质及生化反应特性的重要依据.图4为微电极测试获得的生物膜内部溶解氧及硝酸盐分布曲线,其中溶解氧浓度为2次测量后的平均值及标准方差.由图可知,随着氨氮以及有机物的耗氧作用下,生物膜内溶解氧浓度呈现明显的下降趋势,主体溶液溶解氧浓度约1mg/L,在生物膜内部不足300µm深度处下降至 0.硝酸盐浓度也有明显的下降趋势,由主体溶液的约6.5mg/L下降至约4.5mg/L,下降区域延续到生物膜内部600µm深度范围.在生物膜深度 600µm以下,硝酸盐浓度没有明显的变化,表明该区域反硝化活性很低,对硝酸盐的去除没有明显贡献.此外,结合溶解氧及硝酸盐的分布曲线来看,在生物膜表层 300µm,即溶解氧＞0mg/L区域内,硝酸盐随生物膜深度下降幅度不大,且呈上凸抛物线分布,根据参考文献[3-4]对生物膜反应过程的判断,反硝化发生的范围应该在生物膜内部300～600µm范围内,也证实了溶解氧先于硝酸盐作为电子受体得到利用.

图4 反硝化滤料生物膜溶解氧及硝酸盐分布曲线Fig.4 Oxygen and nitrate profiles measured in biofilm taken from the denitrification biofilter

3.3 生物膜内氧及硝酸盐反应动力学及竞争分析

假设生物膜内部物质传输形式符合Fick第一扩散定律,随深度方向上扩散系数不发生变化,物质分布近似处于稳态.此外,氧以及硝酸盐的生物反应过程通常可以通过零级反应方程式来描述[8-9].而且自配水中氨氮浓度低,硝化反应过程可以忽略不计.综上,建立生物膜内部的扩散-反应方程来描述生物膜内氧利用及反硝化过程,如式(1)及式(2)所示.

式中: So、SN分别为氧和硝酸根浓度, g/m3;Φ为孔隙率;Do、DN分别为氧和硝酸盐的分子扩散系数, m2/d;x为生物膜深度, m; ko为氧反应速率常数,g/(g VSS·d);kN为反硝化速率常数,g/(g VSS·d); Xf为生物膜密度,g VSS/m3.根据文献[10],氧和硝酸盐分子扩散系数分别是 1.81×10-4m2/d和1.06×10-4m2/d.

由式(1)及式(2)可知,生物膜内溶解氧及硝酸根随深度方向的分布符合抛物线形式,即:

其中:

根据式(1)及式(2)以及测量获得的氧和硝酸盐沿生物膜深度方向的浓度分布曲线(图4),通过数据拟合可以推导出反硝化滤池生物膜氧反应速率常数以及反硝化速率常数,两者的比值为 i= 1.46.

当主体溶液溶解氧为1mg/L左右时,生物膜内部仍然会有明显的耗氧过程,而且氧利用速率常数略高于反硝化速率常数,体现了氧与硝酸根的竞争关系,且生物膜内部反硝化速率不高的一个可能原因是氧消耗过程中耦合了有机物利用,使得生物膜内部有机物不充分.

4 结论

4.1 研制出性能良好的分离式氧微电极和硝酸盐微电极,尖端直径都在30µm以内,为研究反硝化滤池中溶解氧对反硝化作用的影响提供了技术手段.

4.2 通过对反硝化滤池生物膜内部氧及硝酸盐浓度的分布测试表明,生物膜内溶解氧和硝酸盐浓度都呈下降趋势,在生物膜深度300µm内溶解氧浓度下降至约为 0,而发生反硝化的区域在生物膜内300～600µm深度范围,证实了生物膜内部溶解氧先于硝酸盐作为电子受体而得到利用.

4.3 通过生物膜内氧及硝酸盐反应动力学及竞争分析,推导出反硝化滤池生物膜氧利用速率常数与反硝化速率常数的比值为 1.46,溶解氧对反硝化过程的影响是显著的.

[1] 沈晓玲,李大成,蒋岚岚,等.深床反硝化滤池在污水厂提标扩建工程中的应用 [J]. 中国给水排水, 2010,26(4):32-34.

[2] 周小红,施汉昌,蔡 强.基于微电极的生物膜分析技术的研究进展 [J]. 环境监测管理与技术, 2006,18(1):32-35.

[3] Wäsche S, Horn H. Influence of growth conditions on biofilm development and mass transfer at the bulk/biofilm interface [J]. Water Research, 2002,36(19):4775-4784.

[4] Lewandowski Z, Stoodley P, Altobelli S, Fukushima E. Hydrodynamics and kinetics in biofilm systems-recent advances and new problems [J]. Water Science and Technology,29(10/11): 223-229.

[5] Li B K, Bishop P L. Micro-profiles of activated sludge floc determined using microelectrodes [J]. Water Research, 2004, 38(5):1248-1258.

[6] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社, 2002.

[7] 周小红.基于微电极的悬浮球填料内部特性测试和脱氮过程研究 [D]. 北京: 清华大学, 2007.

[8] ZHOU Xiaohong, Yu Tong, SHI Hanchang, et al. Temporal and spatial inhibitory effects of zinc and copper on wastewater biofilms from oxygen concentration profiles determined by microelectrodes [J]. Water Researh, 2011,45(2):953-959.

[9] Mogens Henze, Poul Harremoes, Jes la Cour Jansen.污水生物与化学处理技术(丹)[M]. 国家城市给水排水工程技术研究中心译.

[10] 许保玖,龙腾锐.当代给水与废水处理原理 [M]. 2版.北京:高等教育出版社, 2000.