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电极生物膜技术在污水脱氮除磷中的效能与机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1污水脱氮除磷的重要性

随着工业化和城市化进程的加速，污水排放量日益增加，其中氮、磷等污染物的过量排放对水体生态环境造成了严重危害，引发水体富营养化。当水体中氮、磷含量过高时，会促使藻类等水生生物过度繁殖，在水面形成一层厚厚的藻类覆盖物，即“水华”或“赤潮”现象。以我国太湖为例，近年来由于周边工业废水、生活污水以及农业面源污染中氮磷的大量排入，太湖频繁爆发蓝藻水华，藻类的过度繁殖占据了大量空间，导致鱼类等水生生物的生存空间被压缩，且蓝藻并非鱼类的优质饵料，部分蓝藻还含有毒素，影响水生生物的食物链，破坏了水生生态平衡。

藻类过度繁殖及其死亡后的氧化分解过程会大量消耗水中的溶解氧，使水体处于严重缺氧状态，导致鱼类等水生生物因缺氧而大量死亡，水体生态系统遭受严重破坏，生物多样性锐减。此外，富营养化水体中的氮、磷等物质还可能通过食物链的传递，对人体健康产生潜在威胁。例如，水中的硝酸盐可能在人体内转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐具有致癌性，增加人体患癌症的风险。

为了遏制水体富营养化的趋势，保护水环境质量，污水的脱氮除磷显得至关重要。严格控制污水中氮、磷的排放浓度，使其达到相关标准，是减少水体污染、维护生态平衡的关键措施，对于保障水资源的可持续利用和生态系统的健康稳定具有深远意义。

1.1.2传统脱氮除磷技术的局限性

传统的脱氮除磷技术主要包括生物法、物理法和化学法。生物法如活性污泥法及其衍生工艺（A/O、A2/O等），是利用微生物的代谢作用将污水中的氮、磷转化为无害物质。然而，生物法存在诸多局限性。首先，对水质、水量的变化较为敏感，当进水水质波动较大时，微生物的生长和代谢会受到影响，导致脱氮除磷效率不稳定。例如，在处理工业废水时，废水中可能含有高浓度的重金属、有毒有害物质，这些物质会抑制微生物的活性，甚至导致微生物死亡，从而降低脱氮除磷效果。其次，生物法对碳源的需求较高，在碳源不足的情况下，反硝化过程难以充分进行，影响总氮的去除效率。如A2/O工艺在处理低C/N比污水时，由于碳源有限，反硝化细菌无法获得足够的电子供体，导致硝态氮不能有效转化为氮气，脱氮效果不佳。此外，生物法的污泥产量较大，污泥处理和处置成本较高，且容易产生污泥膨胀等问题，增加了运行管理的难度。

物理法如沉淀、过滤等，主要用于去除污水中的悬浮性氮、磷污染物，但对于溶解性的氮、磷去除效果有限。化学法通常采用投加化学药剂（如铝盐、铁盐、石灰等）的方式，使磷形成不溶性沉淀物而去除，或者通过折点加氯法去除氨氮。化学法虽然去除效率较高，但存在二次污染的问题，投加的化学药剂可能会引入新的污染物，如铝盐除磷可能导致水体中铝离子浓度升高，对水生生物产生毒性影响。同时，化学药剂的大量使用会增加处理成本，且产生的化学污泥也需要进一步处理。

1.1.3电极生物膜技术的优势与应用前景

电极生物膜技术作为一种新兴的污水处理技术，将电化学与生物膜法相结合，展现出诸多优势。在提高脱氮除磷效率方面，电极的存在为微生物提供了额外的电子传递途径，促进了微生物的代谢活动。例如，在自养反硝化过程中，电极可以作为电子供体，为反硝化细菌提供电子，使其能够将硝态氮还原为氮气，从而提高了脱氮效率。同时，电极表面的生物膜可以富集特定的微生物菌群，这些菌群对氮、磷的去除具有协同作用，进一步增强了脱氮除磷效果。

在降低能耗方面，与传统的生物处理工艺相比，电极生物膜技术不需要大量的曝气来提供氧气，减少了曝气设备的能耗。此外，通过合理调控电极的电位和电流，可以优化微生物的代谢过程，提高能源利用效率。

在减少化学药剂使用方面，电极生物膜技术主要依靠微生物的作用去除氮、磷，减少了化学药剂的投加量，降低了二次污染的风险，符合绿色环保的理念。

基于以上优势，电极生物膜技术在污水处理领域具有广阔的应用前景。它不仅可以应用于城市生活污水的处理，提高出水水质，满足日益严格的排放标准；还可以用于处理工业废水，如化工废水、制药废水等，有效去除废水中的氮、磷污染物，实现水资源的循环利用。此外，在农村分散式污水处理、景观水体修复等领域，电极生物膜技术也具有潜在的应用价值，为解决不同场景下的水污染问题提供了新的技术手段。

1.2研究目的与内容

1.2.1研究目的

本研究旨在通过一系列实验，深入探究电极生物膜脱氮除磷的性能、影响因素及作用机制，为该技术的优化和实际应用提供坚实的科学依据。具体而言，精确测定电极生物膜反应器对不同形态氮（氨氮、硝态氮、亚硝态氮）和磷（正磷酸盐、有机磷等）的去除效率，全面评估其在不同运行条件下的脱氮除磷效果，明确该技术在污水处理中的优势与潜力。

系统分析影响电极生物膜脱氮除磷效果的关键因素，包括电极