摘要：生物膜法在給水和排水處理領域的研究現狀和進展,認為該工藝是極具發展潛力的水處理方法,并對今后開展這方面的研究提出了展望。

關鍵詞：生物膜,電級生物膜法,廢水中的應用,發展前景

1. 引言

在自然界中，存在大量依靠有機物生存的微生物。他們有氧化分解有機物并轉化為無機物的巨大功能。生物膜法就是利用這一功能，并采取一定的人工措施，創造有利于微生物生長繁殖的環境。面對有機物其分解作用的微生物主要是細菌，原生動物只起輔助作用。生物膜法是使微生物群體附著與其他物體表面上呈膜狀，并讓他和廢水接觸而使之凈化的方法。近年來，隨著化肥，洗滌劑，農藥和其他各種化學物質的廣泛使用，城市生活污水中的氮，磷含量不斷增加。傳統的生物處理工藝對氮，磷的處理效果不甚理想。為此國內外學者做了大量的研究，比如結合了生物法和電化學方法發展起來的電極生物膜法，具有脫氮效率高，運行管理方便，處理費用低廉等優點。如今,該技術在水處理的研究已逾10年,其處理形式和處理對象上也發生了一系列革新。尤其是近年來,電極生物膜法與其它工藝的結合,進一步推動了該處理系統向高效低耗方向發展,工程應用前景十分廣闊[1]

2. 基本原理

電極生物膜法用于去除亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的研究同單純的生物膜法相比,電極生物膜法的優點主要體現在利用電極上。一是利用電極作為生物膜的載體，二是利用電場微電解水釋放出的H+為反硝化菌提供電子受體.其原理一方面,由于H+是從生物膜外因電場吸引力作用穿透生物膜向內擴散的,所以生物膜中的微生物能高效利用H+進行反硝化作用[3];另一方面,陰極板上產生的氫氣又通過生物膜溢出,在生物膜附近形成了缺氧環境,有利于反硝化菌的生長。[2]

3. 國內外電極生物膜法反硝化脫氮研究概況

RB Mellor[6]等在Nature雜志上首次報道了利用電極2生物膜法進行反硝化的實驗研究，他們將NO3。NO2。N2O還原酶與藏紅T等具有電子傳遞能力的染料基質相混合后,涂敷到陰極表面,經過固定,酶的活性及染料的電子傳遞能力均有所提高,電極為固定化酶有效地提供還原能力。在電場作用下水合H+在陰極表面得到電子成為H原子,而染料有效地捕獲電子和氫原子,使得反硝化生物酶完成對硝酸鹽的徹底還原。提出了“電流提供反硝化還原力-電極生物反應器-電流促進和控制反硝化等概念”。

Y Sakakibara[7]等在實驗中,用藻朊酸鈉凝膠將反硝化細菌進行固定,在掛膜時投加有機碳(乙酸鈉)掛膜結束后用微電流進行馴化2個月，然后,將陰極和陽極分別置于兩個相聯的反應器中,以便陰極反應受陽極影響較小,經試驗發現,利用反應器對水中的NO3-進行處理當電流I為0mA時,無氮氣析出;電流I從10mA增加到40mA時,氮氣產量增加4倍。Y. Sakakibara等在推導模型時,提出了電極生物膜的概念，經研究發現,由于氫氣從生物膜內向生物膜外擴散,氫氣的利用率很高;在電極生物膜內外的物質遷移受電場以及水力情況的影響。Y.Sakak2ibara[8]還研究了陽極反應對脫氮的影響，他認為,由于NO3-的遷移率比Na+高,為保持電中性,主體溶液OH-濃度升高;碳陽極的氧化則有利于中和OH-,降低溶液pH增強厭氧環境,從而有利于生物脫氮。

R._V._Flora[9]等提出氫抑制效應,即當氫氣產量大于化學計量式的理論值時,產氫對反硝化構成抑制。

M Kuroda [10]等采用石墨棒作陽極置于圓桶中心位置,10根掛有生物膜的石墨棒作為陰極均勻分布于桶壁,構造電極生物膜反應器,對含有硝酸鹽和有機物的模擬廢水進行連續處理實驗"研究表明,COD和NO-能夠被同時去除。上海同濟大學在這方面的研究較早，黃民生[11]對影響電極生物膜法反硝化作用的一些因素進行研究表明,在微電流電解條件下,陰極生物膜可獲得較好的反硝化效果;陰極生物膜的培養時間和條件,進水溶解氧含量和溫度對其反硝化效果產生一定影響。

黃民生[11]還對具有反硝化能力的氫細菌特性進行了系統的總結,并認為制作小型電極生物膜反應器脫除飲用水中的NO-是一條適合我國國情的技術路線。彭永臻[3]等在電極生物膜法已有的研究基礎上,提出了該工藝的過程控制方法和在線模糊控制系統,給出了相應的控制流程圖;并且系統地介紹了電極。

4. 在廢水處理中的應用

由于污水中的成分復雜,而且在電場作用下,各種物質對陰極表面的微生物的影響不甚了解,而將電極生物膜法應用于污水處理領域的研究才剛剛起步，令人鼓舞地是,如今這方面的研究已經取得了較大的突破。

4.1 處理含Cu2+、NO3-的酸浸廢水

2002年, Tomohide等在反應器中投加乙酸鹽作為外加碳源,對含銅離子的高濃度硝酸鹽酸洗廢水進行處理, [1]當在兩極間通以電流時,陰極上同時發生反硝化反應與銅離子的還原反應,并且反硝化過程中生成的OH可以中和進水中的H,提高pH值。實驗表明,當進水Cu2+=10mg/L, NO3-=200mgN/L, pH=2,水力停留時間=18h,C/N=1時,經馴化的反硝化菌能在含銅溶液中進行反硝化反應,出水中Cu2+小于1mg/L, NO3-小于5mgN/L,幾乎沒有NO2和剩余的乙酸鹽存在，并且反硝化反應生成的OH-中和了進水的酸度,使得出水pH提高到6。然而,銅離子的存在對反硝化反應有著明顯的抑制作用,且隨著銅離子濃度的升高,滯后期逐漸延長。

4.2 處理農藥廢水[4]

2001年，Z._Felckc等研究電極生物膜法處理農藥廢水時發現,農藥IPT阻礙反硝化過程中N2OyN2反應的進行,生成的副產物為N2O,在IPT存在的條件下,大約30%的NO3-轉化為N2O，若沒有IPT的干擾95%的NO3-轉化為N2O，針對這種情況,他們在電極生物膜反應器后增加一個活性炭吸收池,不僅可以使得出水IPT達標(40Lg/L),而且還避免了NO的積累。

4.3 將來的研究方向和應用前景

由于電極生物膜法具有運行管理方便,脫氮效率高,處理費用低等優點,將它應用于化肥生產，炸藥生產，核工業等高濃度的硝酸鹽廢水處理必會有廣闊的應用前景。而這方面的研究剛剛起步,要應用于生產實踐,還需在以下幾個方面開展研究。如表1所示

表1. 生產實踐的開展研究

結束語：

生物膜法尤其是電級生物膜法作為一種新穎的水處理技術,具有高效、經濟、管理方便等優點,適合于處理微污染水源和含高濃度硝酸鹽的工業廢水,尤其是該工藝對于污水中氮的去除,有其獨到的優勢，我想對于現今污染越來越嚴重的地球,這方法由于其高效等優點將得到越來越多人的重視, 但是,據可靠文件調查,目前人們對該工藝中存在的深層次問題還沒有得到解決,例如,需要深入研究電場作用下各種污染物質的降解機理及其協同效應等問題,但我相信隨著這項技術的深入研究,必將在國內外水處理領域獲得廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 黃游,湯兵,電極生物膜法在水處理中的研究進展,環境保護科學,2003,19(7):22-26

[2] 邱凌峰,陳遠銘,電極生物膜法應用于微污染源水預處理反硝化環節的試驗研究,福州大學學報, 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,生物電極脫氮工藝的在線模糊控制研究(一).中國給水排水,1999,15(2):5-9

[5]彭永臻等,生物電極脫氮工藝的在線模糊控制研究(二).中國給水排水,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] 黃民生,高廷耀, 電極生物膜法反硝化試驗研究[J], 上海環境科學, 1996, 15(6):25-27