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氮的奧秘：探索水處理中的形態(tài)與凈化之道

2025-06-06 09:56

水體中的氮元素，作為引發(fā)富營養(yǎng)化的主要元兇，一直是水污染控制領域科研與工程技術關注的焦點，其重要性絲毫不遜于有機污染物。本文詳細梳理了水體中氮元素的常見形態(tài)、基本概念以及相應的處理方法。

一、氮元素在水體中的形態(tài)分類

氮元素進入水體后，主要分為無機氮和有機氮兩大類。

無機氮包括氨態(tài)氮（簡稱氨氮）和硝態(tài)氮。氨氮又可細分為游離氨態(tài)氮NH3-N和銨鹽態(tài)氮NH4+-N；硝態(tài)氮則包含硝酸鹽氮NO3--N和亞硝酸鹽氮NO2--N。

有機氮則涵蓋了尿素、氨基酸、蛋白質、核酸、尿酸、脂肪胺、有機堿、氨基糖等一系列含氮有機物。其中，可溶性有機氮主要以尿素和蛋白質的形態(tài)存在，它們能通過氨化等作用轉化為氨氮。而凱氏氮，則涵蓋了有機氮與氨氮，但不包括硝態(tài)氮。

二、各類氮的成分分析

當前，國標針對水質中氮的分析，主要集中在總氮、氨氮、硝態(tài)氮、凱氏氮四個方面。

1、總氮

總氮是指水中可溶性及懸浮顆粒中含氮量的總和，通常包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態(tài)氨以及有機含氮化合物中的氮?？扇苄钥偟刂杆锌扇苄约昂蛇^濾性固體（粒徑小于0.45μm）的含氮量?？偟呛饬克|的關鍵指標之一。

2、凱氏氮

凱氏氮是通過凱氏法測得的含氮量，包括氨氮和能在該條件下轉化為銨鹽測定的有機氮化合物，如蛋白質、胨、氨基酸、核酸、尿素等氮為負三價的有機氮化合物，但不包括疊氮化合物、聯氮、偶氮、腙、硝酸鹽、腈、硝基、亞硝基、肟和半卡巴腙類含氮化合物。測定凱氏氮與氨氮后，其差值即為有機氮含量。

3、氨氮

氨氮以游離氨（或稱非離子氨，NH3）或離子氨（NH4+）形態(tài)存在。pH值較高時，游離氨比例較高；反之，銨鹽比例高。

氨氮是水體中的營養(yǎng)素，易導致水富營養(yǎng)化，是主要的耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害作用。其中，游離氨的毒性遠大于銨鹽，且隨堿性增強而增大。氨氮毒性與池水的pH值、水溫密切相關，通常pH值、水溫越高，毒性越強。

4、硝態(tài)氮

（1）硝酸鹽

在有氧條件下，硝酸鹽是各種形態(tài)含氮化合物中最穩(wěn)定的氮化合物，通常代表含氮有機物無機化作用的最終分解產物。當水樣中僅含硝酸鹽而不含其他氮化合物時，表明有機氮化合物已完全分解。若水樣中硝酸鹽含量高且存在其他氮化合物，則表明有污染物進入水系，水的“自凈”作用正在進行。

（2）亞硝酸鹽

亞硝酸鹽是氮循環(huán)的中間產物，不穩(wěn)定，可氧化成硝酸鹽氮，也可還原成氨氮。因此，測定亞硝酸鹽含量時，需同時了解水中硝酸鹽和氨的含量，以判斷水系被含氮化合物污染的程度及自凈情況。

三、各類氮的去除方法

在污水處理中，氮的主要形態(tài)是氨氮，但非生活污水中還含有有機氮或硝態(tài)氮。這些氮形態(tài)各異，一般通過水解酸化將有機氮轉化為氨氮，再經硝化轉化為硝態(tài)氮；硝態(tài)氮則通過反硝化去除。歸根結底，總氮、氨氮、硝態(tài)氮、凱氏氮的去除，最終都轉化為硝化與反硝化的氮去除過程，即氨氮與硝態(tài)氮的去除。目前常見的氮去除技術有以下幾種：

1、化學沉淀法

化學沉淀法，通過向含氨氮廢水中投加鎂化物和磷酸或磷酸氫鹽，使廢水中的NH4+與Mg2+、PO43-反應生成磷酸銨鎂沉淀（MgNH4PO4·6H20），達到去除氨氮的目的。反應方程式為：Mg2++NH4++PO43-=MgNH4PO4。

2、吹脫法

吹脫法去除氨氮，通過調整廢水pH值至堿性，使氨離子轉化為游離氨，再通過載氣將游離氨從廢水中帶出，實現氨氮去除。影響吹脫效率的因素包括pH值、溫度、氣液比、氣體流速、初始濃度等。吹脫法在高濃度氨氮廢水處理中應用廣泛。

3、折點氯化法

折點氯化法除氨的機理是氯氣與氨反應生成無害的氮氣，逸入大氣，推動反應持續(xù)進行。反應式為：NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-。當氯氣通入量達到某一點時，水中游離氯含量降低，氨濃度降為零；繼續(xù)通入氯氣，游離氯含量增加，該點稱為折點，此狀態(tài)下的氯化稱為折點氯化。

4、催化氧化法

催化氧化法利用催化劑，在一定溫度、壓力下，經空氣氧化，將污水中的有機物和氨分別氧化分解為CO2、N2和H2O等無害物質，實現凈化。該方法凈化效率高、流程簡單、占地面積小，多用于處理高濃度氨氮廢水。應用難點在于防止催化劑流失及設備腐蝕防護。

5、電化學氧化法

電化學氧化法利用具有催化活性的電極氧化去除水中污染物。影響因素包括電流密度、進水流量、出水放置時間、電解時間等。研究表明，在循環(huán)流動式電解槽中處理含氨氮廢水，使用網狀電極和網狀鈦電極，當氯離子濃度為400mg/L、初始氨氮濃度為40mg/L、進水流量為600mL/min、電流密度為20mA/cm2、電解時間為90min時，氨氮去除率高達99.37%，表明電解氧化處理含氨氮廢水具有良好應用前景。

6、全程硝化反硝化

全程硝化反硝化，作為當前應用最為廣泛且歷史悠久的生物處理法，借助各類微生物的協同作用，歷經硝化與反硝化等一系列復雜反應，將廢水中的氨氮高效轉化為氮氣，從而實現廢水的凈化目標。此過程細分為兩大階段：

硝化反應階段，由好氧自養(yǎng)型微生物主導，它們在充足的氧氣環(huán)境中，以無機氮為氮源，首先將NH4+轉化為NO2-，隨后進一步氧化為NO3-。硝化過程具體可分為兩步：第一步，亞硝化菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽（NO2-）；第二步，硝化菌再將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽（NO3-）。

反硝化反應階段，則在缺氧條件下進行，反硝化菌作為異養(yǎng)型微生物（多為兼性細菌），利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，以有機物（源自污水中的BOD成分）為電子供體，提供所需能量并被氧化穩(wěn)定，最終將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原為氣態(tài)氮（N2）。

在全程硝化反硝化的工程應用中，AO、A2O、氧化溝等技術體系占據主導地位，成為生物脫氮領域內應用頗為成熟的方法。

7、同步硝化反硝化（SND）

當硝化與反硝化過程在同一反應器內同步發(fā)生時，即稱為同步硝化反硝化（SND）。廢水中溶解氧因擴散速度限制，在微生物絮體或生物膜上形成溶解氧梯度，使得絮體或生物膜外表面利于好氧硝化菌和氨化菌的生長，而內部則因溶解氧濃度降低形成缺氧區(qū)，反硝化菌占據優(yōu)勢，進而促成同步硝化反硝化過程。影響SND效果的因素涵蓋PH值、溫度、堿度、有機碳源、溶解氧及污泥齡等關鍵指標。

8、短程硝化反硝化

短程硝化反硝化技術，是在同一反應器內先通過氨氧化細菌在有氧條件下將氨氧化為亞硝酸鹽，隨后在缺氧條件下，利用有機物或外加碳源作為電子供體，直接將亞硝酸鹽反硝化為氮氣。此過程省略了硝酸鹽階段，有效節(jié)約了生物脫氮所需的碳源，對于處理低C/N比的氨氮廢水具有顯著優(yōu)勢。此外，短程硝化反硝化還具有污泥產量少、反應時間短、反應器體積節(jié)省等優(yōu)點。然而，實現穩(wěn)定持久的亞硝酸鹽積累是短程硝化反硝化的關鍵，因此如何有效抑制硝化菌的活性成為技術挑戰(zhàn)。

9、厭氧氨氧化

厭氧氨氧化，是在缺氧條件下，以亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮作為電子受體，利用自養(yǎng)菌直接將氨氮氧化為氮氣的過程。與傳統(tǒng)生物法相比，厭氧氨氧化無需外加碳源、需氧量低、無需中和試劑、污泥產量少，是一種經濟高效的生物脫氮技術。盡管其反應速度相對較慢，所需反應器容積較大，且碳源對其存在不利影響，但對于處理可生化性差的氨氮廢水具有重要現實意義。

10、膜分離法

膜分離法，憑借膜的選擇透過性，對液體中的成分進行精確分離，以達到去除氨氮的目的。該方法涵蓋反滲透、納濾、脫氨膜及電滲析等多種技術。脫氨膜系統(tǒng)在高氨氮廢水處理中尤為常見，通過調節(jié)廢水的PH值和溫度，促使銨根離子轉化為游離氣態(tài)氨，進而穿透膜孔進入酸吸收液，被迅速轉化為離子態(tài)銨鹽，實現高效回收。膜分離法不僅顯著提升了氨氮去除率，還有效降低了廢水處理系統(tǒng)的運營成本。

11、電滲析法

電滲析法，通過施加于陰陽膜對之間的電壓，去除水溶液中溶解的固體物質。在電壓作用下，氨氮廢水中的氨離子及其他離子通過膜富集于含氨濃水中，從而實現去除目標。電滲析法在處理高濃度氨氮無機廢水方面表現出色，對于濃度為2000-3000mg/L的氨氮廢水，去除率可達85%以上，同時回收8.9%的濃氨水。電滲析法操作簡便，不受pH值、溫度、壓力限制，且耗電量與廢水中氨氮量成正比。膜分離法的優(yōu)勢在于氨氮回收率高、操作簡便、處理效果穩(wěn)定、無二次污染等。然而，在處理高濃度氨氮廢水時，除脫氨膜外，其他膜易結垢堵塞，需頻繁再生與反洗，增加了處理成本，因此更適用于預處理或中低濃度氨氮廢水的處理。

12、離子交換法

離子交換法，通過選用對氨離子具有強選擇吸附性的材料，有效去除廢水中的氨氮。常用吸附材料包括活性炭、沸石、蒙脫石及交換樹脂等。其中，沸石因具有規(guī)則的三維空間結構、孔道結構和空穴，對氨離子展現出強大的選擇吸附能力，且價格低廉，成為工程上處理氨氮廢水的優(yōu)選材料。

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