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微电极在污水处理工艺领域的应用

随着经济的迅速发展,人类活动的不断增加,含氮、磷污水排放急剧增加。过多的氮、磷等无机营养物排入水体,引起藻类和其它水生植物大量繁殖,造成水质恶化,加速水体老化,引起水体富营养化,从而使水生生态系统和水功能受
到影响和破坏,影响水资源的利用。控制水体富营养化,防止水体污染的最根本途径就是对污染源进行治理,控制氮、憐的排放量,使污水处理厂氮、磷的出水浓度必须达到一定标准。
污水处理的需求是伴随着城市的诞生而产生的。城市污水处理技术,历经数百年变迁,从最初的一级处理发展到现在的三级处理,从简单的消毒沉淀到有机物去除、脱氮除磷再到深度处理回用。
污水处理的一级处理阶段主要是采用石灰、明矾等进行沉淀或用漂白粉进行消毒。二级污水处理阶段按其处理技术的发展过程如下:有机物去除工艺(生物膜法、活性污泥法)、脱氮除磷工艺、A2O工艺、氧化沟工艺、两段法工艺、SBR工艺、脱氮除磷新工艺。三级污水处理阶段指的是结合生物膜及膜分离技术开发的污水处理方法,其中生物膜法主要的污水处理工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。膜分离技术主要是污水二级处理后加超滤膜及反渗透膜的方式进行再生水的回用处理。
二级污水处理阶段过程是污水处理环节中比较重要的过程,采用污水生物脱氮除磷过程中将会产生大量温室气体N2O,而N2O是一种强力的温室气体,对环境有着多方面的影响。实验室规模的污水处理过程中可能有0~90%的氮转化为N2O释放到大气中;在实际规模的污水处理过程中可能有0~15%的氮转化为N2O释放到大气中。由此可见,污水处理过程中,N2O的释放问题己不容忽视。因此需要使用一种仪器能够在二级污水处理的过程中对于污水中的N2O实现在线的原位测试,从而深入了解N2O产生机制、释放量及影响因素,进而提出N2O减量化的描施,避免大量的氧化亚氮温室气体进入到大气环境影响到地球的温室化效应。丹麦unisense公司开发的氧化亚氮微电极具有小型便携和快速响应(秒级)等优点,能够快速的测试水体中的氧化亚氮的浓度。目前很多科研工作者应用这种微电极研究污水处理过程中产生的氧化亚氮的监测。
山东大学张建团队(Environ Sci Pollut Res,2013, 20:5353–5360)在研究污水处理的反硝化除磷过程中N2O产生的原因及产生的机制中使用unisense公司生产的微电极,在线原位的测试了使用SBR工艺进行污水处理过程中产生的氧化亚氮的浓度,研究发现在反硝化除磷过程中N2O的产生量远高于常规反硝化过程中,其中反硝化除磷过程中产生的N2O是常规反硝化过程的30倍,这可能是因为反硝化除磷过程以PHA为碳源进行反硝化导致反硝化酶对电子形成竞争,氧化亚氮还原酶因无法获得足够多的电子将N2O还原,而造成N2O的积累。同时进水COD浓度会明显影响反硝化酶的活性,导致不同的亚硝酸盐的积累。硝酸盐的投加方式会影响反硝化除磷过程中氧化亚氮的产生。张建团队随后又就双污泥反硝化除磷系统用于低城市污水的处理过程中的氧化亚氮的生产机制展开研究(Chemical Engineering Journal 2013, 222, 353–360),通过研究A2N-SBR系统对污染物的去除效果,同时跟踪监测反应器中污染物迁移转化过程;测定A2N-SBR系统系统中溶解态的N2O和释放的气态N2O的量,系统研究了N2O的产生特征,从而了解到A2N-SBR系统中的N2O主要产生阶段。
移动床生物膜反应器作为一种新型的污水处理工艺,很多科研工作者在这项污水处理工艺中展开相关研究,研究发现污水中溶解氧浓度会影响污水处理效率,研究过程中使用了unisense公司开发的另一种氧微电极,测试了MBBR反应器中的生物膜中不同区域的氧气浓度,获得了生物膜的氧气浓度剖面图(Water Research, 2017, 108, 86-94),微电极测试的数据提供了MBBR生物膜反应器中负载的生物膜的氧浓度分布情况,从而更好的分析氧气浓度对于生物膜上的微生物对于污水的处理过程的影响。
从上述的描述中可以看出,微电极研究系统对于污水中的氧化亚氮气体的排放机制的研究或者是污水中的溶氧浓度对于生物膜反应器的污水处理效率的影响的研究中发挥了非常重要的作用,这类对污水中的气体实现快速响应的微电极在污水处理研究领域中的应用前景非常好,能够帮助相关科研工作者在污水处理领域产生更多更好的研究成果,从而推动了水处理工艺技术的不断进化,满足人民对于水质的需求越来越高的愿望。

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