摘要：生物膜法在给水和排水处理领域的研究现状和进展,认为该工艺是极具发展潜力的水处理方法,并对今后开展这方面的研究提出了展望。

关键词：生物膜,电级生物膜法,废水中的应用,发展前景

1. 引言

在自然界中，存在大量依靠有机物生存的微生物。他们有氧化分解有机物并转化为无机物的巨大功能。生物膜法就是利用这一功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长繁殖的环境。面对有机物其分解作用的微生物主要是细菌，原生动物只起辅助作用。生物膜法是使微生物群体附着与其他物体表面上呈膜状，并让他和废水接触而使之净化的方法。近年来，随着化肥，洗涤剂，农药和其他各种化学物质的广泛使用，城市生活污水中的氮，磷含量不断增加。传统的生物处理工艺对氮，磷的处理效果不甚理想。为此国内外学者做了大量的研究，比如结合了生物法和电化学方法发展起来的电极生物膜法，具有脱氮效率高，运行管理方便，处理费用低廉等优点。如今,该技术在水处理的研究已逾10年,其处理形式和处理对象上也发生了一系列革新。尤其是近年来,电极生物膜法与其它工艺的结合,进一步推动了该处理系统向高效低耗方向发展,工程应用前景十分广阔[1]

2. 基本原理

电极生物膜法用于去除亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的研究同单纯的生物膜法相比,电极生物膜法的优点主要体现在利用电极上。一是利用电极作为生物膜的载体，二是利用电场微电解水释放出的H+为反硝化菌提供电子受体.其原理一方面,由于H+是从生物膜外因电场吸引力作用穿透生物膜向内扩散的,所以生物膜中的微生物能高效利用H+进行反硝化作用[3];另一方面,阴极板上产生的氢气又通过生物膜溢出,在生物膜附近形成了缺氧环境,有利于反硝化菌的生长。[2]

3. 国内外电极生物膜法反硝化脱氮研究概况

RB Mellor[6]等在Nature杂志上首次报道了利用电极2生物膜法进行反硝化的实验研究，他们将NO3。NO2。N2O还原酶与藏红T等具有电子传递能力的染料基质相混合后,涂敷到阴极表面,经过固定,酶的活性及染料的电子传递能力均有所提高,电极为固定化酶有效地提供还原能力。在电场作用下水合H+在阴极表面得到电子成为H原子,而染料有效地捕获电子和氢原子,使得反硝化生物酶完成对硝酸盐的彻底还原。提出了“电流提供反硝化还原力-电极生物反应器-电流促进和控制反硝化等概念”。

Y Sakakibara[7]等在实验中,用藻朊酸钠凝胶将反硝化细菌进行固定,在挂膜时投加有机碳(乙酸钠)挂膜结束后用微电流进行驯化2个月，然后,将阴极和阳极分别置于两个相联的反应器中,以便阴极反应受阳极影响较小,经试验发现,利用反应器对水中的NO3-进行处理当电流I为0mA时,无氮气析出;电流I从10mA增加到40mA时,氮气产量增加4倍。Y. Sakakibara等在推导模型时,提出了电极生物膜的概念，经研究发现,由于氢气从生物膜内向生物膜外扩散,氢气的利用率很高;在电极生物膜内外的物质迁移受电场以及水力情况的影响。Y.Sakak2ibara[8]还研究了阳极反应对脱氮的影响，他认为,由于NO3-的迁移率比Na+高,为保持电中性,主体溶液OH-浓度升高;碳阳极的氧化则有利于中和OH-,降低溶液pH增强厌氧环境,从而有利于生物脱氮。

R._V._Flora[9]等提出氢抑制效应,即当氢气产量大于化学计量式的理论值时,产氢对反硝化构成抑制。

M Kuroda [10]等采用石墨棒作阳极置于圆桶中心位置,10根挂有生物膜的石墨棒作为阴极均匀分布于桶壁,构造电极生物膜反应器,对含有硝酸盐和有机物的模拟废水进行连续处理实验"研究表明,COD和NO-能够被同时去除。上海同济大学在这方面的研究较早，黄民生[11]对影响电极生物膜法反硝化作用的一些因素进行研究表明,在微电流电解条件下,阴极生物膜可获得较好的反硝化效果;阴极生物膜的培养时间和条件,进水溶解氧含量和温度对其反硝化效果产生一定影响。

黄民生[11]还对具有反硝化能力的氢细菌特性进行了系统的总结,并认为制作小型电极生物膜反应器脱除饮用水中的NO-是一条适合我国国情的技术路线。彭永臻[3]等在电极生物膜法已有的研究基础上,提出了该工艺的过程控制方法和在线模糊控制系统,给出了相应的控制流程图;并且系统地介绍了电极。

4. 在废水处理中的应用

由于污水中的成分复杂,而且在电场作用下,各种物质对阴极表面的微生物的影响不甚了解,而将电极生物膜法应用于污水处理领域的研究才刚刚起步，令人鼓舞地是,如今这方面的研究已经取得了较大的突破。

4.1 处理含Cu2+、NO3-的酸浸废水

2002年, Tomohide等在反应器中投加乙酸盐作为外加碳源,对含铜离子的高浓度硝酸盐酸洗废水进行处理, [1]当在两极间通以电流时,阴极上同时发生反硝化反应与铜离子的还原反应,并且反硝化过程中生成的OH可以中和进水中的H,提高pH值。实验表明,当进水Cu2+=10mg/L, NO3-=200mgN/L, pH=2,水力停留时间=18h,C/N=1时,经驯化的反硝化菌能在含铜溶液中进行反硝化反应,出水中Cu2+小于1mg/L, NO3-小于5mgN/L,几乎没有NO2和剩余的乙酸盐存在，并且反硝化反应生成的OH-中和了进水的酸度,使得出水pH提高到6。然而,铜离子的存在对反硝化反应有着明显的抑制作用,且随着铜离子浓度的升高,滞后期逐渐延长。

4.2 处理农药废水[4]

2001年，Z._Felckc等研究电极生物膜法处理农药废水时发现,农药IPT阻碍反硝化过程中N2OyN2反应的进行,生成的副产物为N2O,在IPT存在的条件下,大约30%的NO3-转化为N2O，若没有IPT的干扰95%的NO3-转化为N2O，针对这种情况,他们在电极生物膜反应器后增加一个活性炭吸收池,不仅可以使得出水IPT达标(40Lg/L),而且还避免了NO的积累。

4.3 将来的研究方向和应用前景

由于电极生物膜法具有运行管理方便,脱氮效率高,处理费用低等优点,将它应用于化肥生产，炸药生产，核工业等高浓度的硝酸盐废水处理必会有广阔的应用前景。而这方面的研究刚刚起步,要应用于生产实践,还需在以下几个方面开展研究。如表1所示

表1. 生产实践的开展研究

结束语：

生物膜法尤其是电级生物膜法作为一种新颖的水处理技术,具有高效、经济、管理方便等优点,适合于处理微污染水源和含高浓度硝酸盐的工业废水,尤其是该工艺对于污水中氮的去除,有其独到的优势，我想对于现今污染越来越严重的地球,这方法由于其高效等优点将得到越来越多人的重视, 但是,据可靠文件调查,目前人们对该工艺中存在的深层次问题还没有得到解决,例如,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等问题,但我相信随着这项技术的深入研究,必将在国内外水处理领域获得广泛的应用。

参考文献：

[1] 黄游,汤兵,电极生物膜法在水处理中的研究进展,环境保护科学,2003,19(7):22-26

[2] 邱凌峰,陈远铭,电极生物膜法应用于微污染源水预处理反硝化环节的试验研究,福州大学学报, 2004,28(2):13-14

[3]Sakakibara Y. Denitrification and neutralization with an electrochemical and biological reactor [J].Water Science and Technology,1994, 30(6):151-155

[4]彭永臻等,生物电极脱氮工艺的在线模糊控制研究(一).中国给水排水,1999,15(2):5-9

[5]彭永臻等,生物电极脱氮工艺的在线模糊控制研究(二).中国给水排水,1999,15(4):5-10

[6]R B Mellor, J Ronnenberg, W H Campbell, etal. Reduction of nitrate and nitrite in water by immobilized enzymes [J]. Nature, 1992，35(5):717-719

[7] Y Sakakibara, M Kuroda. Electric prompting and control of denitrification [J]. Biotech. Bioeng，1993,(4)2:535-537

[8]Y Sakakibara, K Araki, T Tanaka, etal. Denitrificationand neutralization with an electro chemical and biologicalreacto [J]. Wat. Sci. Tech. 1994,30(6):151-155

[9] J R V Flora, M T Suidan, SIslam, etal. Numericalmodeling of a biofilm electro dereactor used for enhanced denitrification [J]. Wat. Sci. Tech., 1994, 29(10-11): 517-524

[10] M Kuroda, T Watanabe,Y Umedu. Simultaneous COD removal and denitrification of wastewate by bioelectroreactors [J]. Wat. Sci. Tech., 1997, 35(8): 161-168.

[11] 黄民生,高廷耀, 电极生物膜法反硝化试验研究[J], 上海环境科学, 1996, 15(6):25-27