隨著經濟建設的高速發展，隨著化肥、洗涂劑、農藥和各種其它化學物質的普遍使用城市污水中的氮、磷含量不斷增加。一般的生物處理或二級處理對氮、磷的去除效果很差。如果高氮、磷含量的廢水排入湖泊或不能流動的水體則將導致水體的富營養化使水休中藻類大量繁殖，而藻類死亡后又會使水體受到其分解產物的二次污染而消耗大量的溶解氧，為此需要對含氮磷量偏高的城市污水進行脫氮除磷處理。在此基礎上，結合了廣州市城市污水水質的特點以及國內外相關報道，提出了電極—SBR 法處理城市污水除磷脫氮的方法。并對次進行了理論探討和實驗研究。

1 電極生物法的發展概況

早在 1988 年，Funchs 等已將生物處理方法與電化學方法結合起來，應用于反硝化除氮。1990 年，Senda 將氧化還原酶修飾在電極上，應用于傳感器和反應器中，其明顯特征是能對酶反應進行電化學控制。

1992 年，Mello等首次提出電極—生物反應器的概念。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，涂布在陰極表面，制成生物膜電極。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。他們還首先提出了“電流提供反硝化還原力”、“電流促進和控制反硝化”等概念。

1993 年，Y.Sakakibara 等將脫氮菌固定在陰極表面，對地面水和飲用水中的濃度NO3-進行處理，取得了很好的效果。在推導模型時，又提出了電極--生物膜的概念， Flora 則稱之為生物膜電極。

1994 年，Sakakibara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+的高，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。

Kuroda在反應器中投加乙酸鈉，提高了脫氮速率。實驗表明，脫氮效率隨C/N 比的增加而增加，C/N 為1 的時候達到最大，在5 小時的水力停留時間中，NO3-的還原率達到90 %以上，無殘余的乙酸鹽及NO2-存在，脫氮效率為未投加乙酸鈉時的3.8 倍。

在國內，電極生物膜處理廢水方面的研究起步不久。黃民生對影響電極生物膜反硝化作用的一些因素進行了研究。結果表明，電場條件下，陰極生物膜法反硝化效果良好，生物膜的培養馴化時間和條件、溫度及進水溶解氧濃度等因素對反硝化效果產生一定影響。1997 年，黃民生還對具有反硝化能力的氫細菌特性進行了系統的總結。

2001 年，范彬等構造了異養—電極—生物膜聯合反應器以脫除地下水的硝酸鹽[13]。實驗發現，運行過程中，當投加的有機基質小于完全反硝化的計量時，可以通過電化學手段所具有的反硝化能力對殘留的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮進行脫除。

隨著電極生物膜法在近年來迅速發展，把電解引入生物膜法已經成為了一項新型廢水處理技術，電解技術在生物領域應用已開始逐步深入。盡管近年來電解—生物法的一些研究逐漸增多，但這些研究很多都局限于地下水或飲用水的反硝化脫氮。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

本試驗在原有研究的基礎上，對比電極-SBR 法與普通傳統SBR 法處理城市污水脫氮除磷的效果比較。實驗裝置有電極-SBR 和傳統SBR 兩種反應器。實驗裝置如圖1 所示。

以上兩種反應器外形尺寸相同，由原來的聚乙烯瓶進行改裝而得的。它們的大小一致，長為14.5 cm，寬為8.0 cm，高為16.5cm。有效容積為1650 mL。

電極系統陰、陽極為石墨板，該石墨板的石墨含量為90 %，長為 13.0 cm，寬為6.7 cm，厚1.0 cm，陰極板總面積約為：2×2×13×6.7=348.4 cm2；電場總面積為：2×13×6.7=174.2 cm2。電解槽由三塊電極板隔成三等份。電陽極置于槽中間；電陰極置于槽的兩邊。曝氣裝置有ACO-5503 型空氣泵(功率：6 W；風量：4.2 L/min；風壓：3.5 PSI),曝氣頭和氧氣管若干。裝置位于反應器的下部，氧氣由下至上輸送。

電源采用一個線性直流穩壓穩流電源(龍威儀器設備制造廠)，型號和參數分別為：APR-3005，0~30 V，0~5 A; 同時連接一個毫安表(廣州永生儀表廠)，一個電壓表(武漢三五儀表廠)對電流電壓進行準確調測。

電源開關、曝氣開關采用定時控制，定時控制儀器(鄭州鴻聯電子有限公司)的型號和參數分別為：TB 1025 型，220 V，0~30 A。

2.2 實驗方法

按照常規 SBR 反應器所需的污泥濃度，分取廣州市某污水處理廠厭氧池、好氧池和缺氧池的部分污泥按一定的配比加入反應器中。加至400 mL 左右。同時除去石墨碳板所占的體積，每次進水大約1 L左右。每天(實驗時間在五月份)基本運行周期如下(以下所取樣，均為澄清后所取上清液分析)：

按比例配水，將等量等濃度等水質廢水分別倒入兩反應器中；

厭氧攪拌 1.5 h，攪拌器為自制小馬達扇葉攪拌；

好氧曝氣 4~5 h；

結束曝氣，缺氧攪拌，石墨板加電源通電0.5 h；

沉淀出水(取樣分析點)；

研究過程中有關項目的分析方法，測試方法均按國家環保局編[18]，1997 年版《水和廢水監測分析方法》進行。

3 實驗結果

3.1 CODCr 的去除

從圖 2 的出水CODCr 的處理效率來看，加電極的生物處理比不加電極的一方略好。平均高出10 %~15 %。

3.2 TP 的去除

從圖 3 可以看出，電極—SBR 法的去除率在85 %~95 %之間，傳統SBR 法在75 %~80 %之間，從磷去除率來看，電極—SBR 法比傳統SBR 法好。我們認為電極對磷的去除有一定的作用。同時從出水的磷的含量來看，硝酸鹽氮的含量對微生物在厭氧時釋放磷有一定的抑制作用。

3.3 總氮的去除

從圖 4 的實驗對比結果看，有加電極的SBR 反應器的總氮去除率比沒有電極的SBR 的高，高出5 %~10 %。

4 小結

文章通過實驗從宏觀上對電極—SBR 和傳統SBR 的出水總磷、總氮和CODCr 等指標的測定，再結合微觀上對微生物活性及數量的觀察研究，說明電場作用下微生物對氮、磷等營養物的攝取情況，尋找能對微生物攝取營養產生最佳影響的實驗條件。同時研究把電極引入SBR 法對廢水處理效果的影響，得到以下的主要研究結論：

(1)污泥中的亞硝化菌的世代生長周期較長，適應電極作用下的生長環境能力不強；從微觀的角度看，低電壓電場的作用對硝化菌和亞硝化菌的影響不大。但有在馴化初期有一定的抑制作用。

(2)在SBR 法中引入電極，對脫氮處理的效果有所提高。在生物新陳代謝的過程中引入電解作用，有利于強化電解氧化還原作用降解有機污染物，提高了微生物對硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的徹底轉化。為反硝化菌提供H+作為電子受體，有利于生物反硝化除氮。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。

(3)在SBR 法中引入電極，對除磷效果有一定影響。雖然在電極－SBR 法中，除磷還是主要依靠聚磷菌在厭氧時放磷，好氧時吸磷來進行，但是電極的加入，提高了聚磷菌的反應速度，從而提高了除磷效果。

(4)由于電場的作用，造成了電極表層的氧氣濃度降低，抑制了硝化/亞硝化菌的生長，并在電解的過程中為反硝化提供H+作為電子受體，促進了反硝化反應。而陰極板上產生的氫氣形成了缺氧環境，反硝化菌可能在缺氧的條件下利用氫作為載體對硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮進行徹底的氧化還原成氮氣。

綜上所述，筆者認為研究城市污水的電解—生物法處理過程具有一定的實際意義和應用價值，但將電解—生物法這一技術廣泛應用于城市污水除磷脫氮，還有待進一步的研究和探索。