淺析氨氮廢水處理技術(shù)
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，含氮化合物的排放量急劇增加，已成為環(huán)境的主要污染源，并引起各界的關(guān)注。經(jīng)濟(jì)有效地控制氨氮廢水污染已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)境工作者所面臨的重大課題。
1氨氮廢水的來(lái)源
含氮物質(zhì)進(jìn)入水環(huán)境的途徑主要包括自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)兩個(gè)方面。含氮物質(zhì)進(jìn)入水環(huán)境的自然來(lái)源和過(guò)程主要包括降水降塵、非市區(qū)徑流和生物固氮等。人類(lèi)的活動(dòng)也是水環(huán)境中氮的重要來(lái)源，主要包括未處理或處理過(guò)的城市生活和工業(yè)廢水、各種浸濾液和地表徑流等。人工合成的化學(xué)肥料是水體中氮營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源，大量未被農(nóng)作物利用的氮化合物絕大部分被農(nóng)田排水和地表徑流帶入地下水和地表水中。隨著石油、化工、食品和制藥等工業(yè)的發(fā)展，以及人民生活水平的不斷提高，城市生活污水和垃圾滲濾液中氨氮的含量急劇上升。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多含氮污染物的任意排放給環(huán)境造成了極大的危害。氮在廢水中以有機(jī)態(tài)氮、氨態(tài)氮(nh4+-n)、硝態(tài)氮(no3--n)以及亞硝態(tài)氮(no2--n)等多種形式存在，而氨態(tài)氮是主要的存在形式之一。廢水中的氨氮是指以游離氨和離子銨形式存在的氮，主要來(lái)源于生活污水中含氮有機(jī)物的分解，焦化、合成氨等工業(yè)廢水，以及農(nóng)田排水等。氨氮污染源多，排放量大，并且排放的濃度變化大。
2氨氮廢水的危害
水環(huán)境中存在過(guò)量的氨氮會(huì)造成多方面的有害影響：
(1)由于nh4+-n的氧化，會(huì)造成水體中溶解氧濃度降低，導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，水質(zhì)下降，對(duì)水生動(dòng)植物的生存造成影響。在有利的環(huán)境條件下，廢水中所含的有機(jī)氮將會(huì)轉(zhuǎn)化成nh4+-n，nh4+-n是還原力強(qiáng)的無(wú)機(jī)氮形態(tài)，會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成no2--n和no3--n。根據(jù)生化反應(yīng)計(jì)量關(guān)系，1gnh4+-n氧化成no2--n消耗氧氣3.43g，氧化成no3--n耗氧4.57g。
(2)水中氮素含量太多會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而造成一系列的嚴(yán)重后果。由于氮的存在，致使光合微生物(大多數(shù)為藻類(lèi))的數(shù)量增加，即水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，結(jié)果造成：堵塞濾池，造成濾池運(yùn)轉(zhuǎn)周期縮短，從而增加了水處理的費(fèi)用;妨礙水上運(yùn)動(dòng);藻類(lèi)代謝的終產(chǎn)物可產(chǎn)生引起有色度和味道的化合物;由于藍(lán)-綠藻類(lèi)產(chǎn)生的毒素，家畜損傷，魚(yú)類(lèi)死亡;由于藻類(lèi)的腐爛，使水體中出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。
(3)水中的no2--n和no3--n對(duì)人和水生生物有較大的危害作用。長(zhǎng)期飲用no3--n含量超過(guò)10mg/l的水，會(huì)發(fā)生高鐵血紅蛋白癥，當(dāng)血液中高鐵血紅蛋白含量達(dá)到70mg/l，即發(fā)生窒息。水中的no2--n和胺作用會(huì)生成亞硝胺，而亞硝胺是“三致”物質(zhì)。nh4+-n和氯反應(yīng)會(huì)生成氯胺，氯胺的消毒作用比自由氯小，因此當(dāng)有nh4+-n存在時(shí)，水處理廠(chǎng)將需要更大的加氯量，從而
增加處理成本。近年來(lái)，含氨氮廢水隨意排放造成的人畜飲水困難甚至中毒事件時(shí)有發(fā)生，我國(guó)長(zhǎng)江、淮河、錢(qián)塘江、四川沱江等流域都有過(guò)相關(guān)報(bào)道，相應(yīng)地區(qū)曾出現(xiàn)過(guò)諸如藍(lán)藻污染導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)居民生活飲水困難，以及相關(guān)水域受到了“牽連”等重大事件，因此去除廢水中的氨氮已成為環(huán)境工作者研究的熱點(diǎn)之一。
3氨氮廢水處理的主要技術(shù)
目前，國(guó)內(nèi)外氨氮廢水處理有折點(diǎn)氯化法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、吹脫法和生物脫氨法等多種方法，這些技術(shù)可分為物理化學(xué)法和生物脫氮技術(shù)兩大類(lèi)。
3.1生物脫氮法
微生物去除氨氮過(guò)程需經(jīng)兩個(gè)階段。階段為硝化過(guò)程，亞硝化菌和硝化菌在有氧條件下將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的過(guò)程。第二階段為反硝化過(guò)程，污水中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮在無(wú)氧或低氧條件下，被反硝化菌(異養(yǎng)、自養(yǎng)微生物均有發(fā)現(xiàn)且種類(lèi)很多)還原轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。在此過(guò)程中，有機(jī)物(甲醇、乙酸、葡萄糖等)作為電子供體被氧化而提供能量。常見(jiàn)的生物脫氮流程可以分為3類(lèi)，分別是多級(jí)污泥系統(tǒng)、單級(jí)污泥系統(tǒng)和生物膜系統(tǒng)。
3.1.1多級(jí)污泥系統(tǒng)
此流程可以得到相當(dāng)好的bod5去除效果和脫氮效果，其缺點(diǎn)是流程長(zhǎng)、構(gòu)筑物多、基建費(fèi)用高、需要外加碳源、運(yùn)行費(fèi)用高、出水中殘留一定量甲醇等。
3.1.2單級(jí)污泥系統(tǒng)
單級(jí)污泥系統(tǒng)的形式包括前置反硝化系統(tǒng)、后置反硝化系統(tǒng)及交替工作系統(tǒng)。前置反硝化的生物脫氮流程，通常稱(chēng)為a/o流程與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝流程相比，a/o工藝具有流程簡(jiǎn)單、構(gòu)筑物少、基建費(fèi)用低、不需外加碳源、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。后置式反硝化系統(tǒng)，因?yàn)榛旌弦喝狈τ袡C(jī)物，一般還需要人工投加碳源，但脫氮的效果可高于前置式，理論上可接近的脫氮。交替工作的生物脫氮流程主要由兩個(gè)串聯(lián)池子組成，通過(guò)改換進(jìn)水和出水的方向，兩個(gè)池子交替在缺氧和好氧的條件下運(yùn)行。該系統(tǒng)本質(zhì)上仍是a/o系統(tǒng)，但其利用交替工作的方式，避免了混合液的回流，因而脫氮效果優(yōu)于一般a/o流程。其缺點(diǎn)是運(yùn)行管理費(fèi)用較高，且一般必須配置計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)操作系統(tǒng)。
3.1.3生物膜系統(tǒng)
將上述a/o系統(tǒng)中的缺氧池和好氧池改為固定生物膜反應(yīng)器，即形成生物膜脫氮系統(tǒng)。此系統(tǒng)中應(yīng)有混合液回流，但不需污泥回流，在缺氧的好氧反應(yīng)器中保存了適應(yīng)于反硝化和好氧氧化及硝化反應(yīng)的兩個(gè)污泥系統(tǒng)。
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3.2物化除氮
物化除氮常用的物理化學(xué)方法有折點(diǎn)氯化法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、吹脫法、液膜法、電滲析法和催化濕式氧化法等。
3.2.1折點(diǎn)氯化法
不連續(xù)點(diǎn)氯化法是氧化法處理氨氮廢水的一種，利用在水中的氨與氯反應(yīng)生成氮?dú)舛鴮⑺邪比コ幕瘜W(xué)處理法。該方法還可以起到殺菌作用，同時(shí)使一部分有機(jī)物無(wú)機(jī)化，但經(jīng)氯化處理后的出水中留有余氯，還應(yīng)進(jìn)一步脫氯處理。
在含有氨的水中投加次氯酸hclo，當(dāng)ph值在中性附近時(shí)，隨次氯酸的投加，逐步進(jìn)行下述主要反應(yīng)：
nh3+hclo→nh2cl+h2o①
nh2cl+hclo→nhcl2+h2o②
nh2cl+nhcl2→n2+3h++3cl-③
投加氯量和氨氮之比(簡(jiǎn)稱(chēng)cl/n)在5.07以下時(shí)，首先進(jìn)行①式反應(yīng)，生成一氯胺(nh2cl)，水中余氯濃度增大，其后，隨著次氯酸投加量的增加，一氯胺按②式進(jìn)行反應(yīng)，生成二氯胺(nhcl2)，同時(shí)進(jìn)行③式反應(yīng)，水中的n呈n2被去除。其結(jié)果是，水中的余氯濃度隨cl/n的增大而減小，當(dāng)cl/n比值達(dá)到某個(gè)數(shù)值以上時(shí)，因未反應(yīng)而殘留的次氯酸(即游離余氯)增多，水中殘留余氯的濃度再次增大，這個(gè)小值的點(diǎn)稱(chēng)為不連續(xù)點(diǎn)(習(xí)慣稱(chēng)為折點(diǎn))。此時(shí)的cl/n比按理論計(jì)算為7.6;廢水處理中因?yàn)槁扰c廢水中的有機(jī)物反應(yīng)，c1/n比應(yīng)比理論值7.6高些，通常為10。此外，當(dāng)ph不在中性范圍時(shí)，酸性條件下多生成三氯胺，在堿性條件下生成硝酸，脫氮效率降低。
在ph值為6～7、每mg氨氮氯投加量為10mg、接觸0.5～2.0h的情況下，氨氮的去除率為90%～。因此此法對(duì)低濃度氨氮廢水適用。
處理時(shí)所需的實(shí)際取決于溫度、ph及氨氮濃度。氧化每mg氨氮有時(shí)需要9～10mg折點(diǎn)，氯化法處理后的出水在排放前一般需用活性炭或so2進(jìn)行反氯化，以除去水中殘余的氯。雖然氯化法反應(yīng)迅速，所需設(shè)備投資少，但安全使用和貯存要求高，且處理成本也較高。若用次氯酸或二氧化氯發(fā)生裝置代替，會(huì)更安全且運(yùn)行費(fèi)用可以降低，目前國(guó)內(nèi)的氯發(fā)生裝置的產(chǎn)氯量太小，且價(jià)格昂貴。因此氯化法一般適用于給水的處理，不太適合處理大水量高濃度的氨氮廢水。
3.2.2化學(xué)沉淀法
化學(xué)沉淀法是往水中投加某種化學(xué)藥劑，與水中的溶解性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成難溶于水的鹽類(lèi)，形成沉渣易去除，從而降低水中溶解性物質(zhì)的含量。當(dāng)在含有nh4+的廢水中加入po43-和mg2+離子時(shí)，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：
nh4++po43-+mg2+→mgnh4po4↓④生成難溶于水的mgnh4po4沉淀物，從而達(dá)到去除水中氨氮的目的。采用的常見(jiàn)沉淀劑是mg(oh)2和h3po4，適宜的ph值范圍為9.0～11，投加質(zhì)量比h3po4/mg(oh)2為1.5～3.5。廢水中氨氮濃度小于900mg/l時(shí)，去除率在90%以上，沉淀物是一種很好的復(fù)合肥料。由于mg(oh)2和h3po4的價(jià)格比較貴，成本較高，處理高濃度氨氮廢水可行，但該法向廢水中加入了po43-，易造成二次污染。
3.2.3離子交換法
離子交換法的實(shí)質(zhì)是不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與廢水中的其它同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過(guò)程，通常是可逆性化學(xué)吸附。沸石是一種天然離子交換物質(zhì)，其價(jià)格遠(yuǎn)低于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，且對(duì)nh4+-n具有選擇性的吸附能
力，具有較高的陽(yáng)離子交換容量，純絲光沸石和斜發(fā)沸石的陽(yáng)離子交換容量平均為每100g相當(dāng)于213和223mg物質(zhì)的量(m.e)。但實(shí)際天然沸石中含有不純物質(zhì)，所以純度較高的沸石交換容量每100g不大于200m.e，一般為100～150m.e。沸石作為離子交換劑，具有特殊的離子交換特性，對(duì)離子的選擇交換順序是：cs(ⅰ)>rb(ⅰ)>k(ⅰ)>nh4+>sr(ⅰ)>na(ⅰ)>ca(ⅱ)>fe(ⅲ)>al(ⅲ)>mg(ⅱ)>li(ⅰ)。工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，廢水ph值應(yīng)調(diào)整到6～9，重金屬大體上沒(méi)有什么
淺析氨氮廢水處理技術(shù)
影響;堿金屬、堿土金屬中除mg以外都有影響，尤其是ca對(duì)沸石的離子交換能力影響比na和k更大。沸石吸附飽和后必須進(jìn)行再生，以采用再生液法為主，燃燒法很少用。再生液多采用naoh和nacl。由于廢水中含有ca