水处理中脱氮原理及工艺

水处理中脱氮原理及工艺

张路

摘要：水资源短缺和水污染严重已经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害环境生态、影响人民生活和身体健康的突出问题，迫切需要加以解决。本文论述了我国水处理的概况以及脱氮的原理及传统脱氮工艺和新的脱氮工艺。

关键字：水处理；脱氮工艺

1 氮污染概况

我国水资源总量较为丰富，总量28124亿m3，位居世界第六，然而人均占有水资源量仅2340 m3，约为世界人均占有量的1/4。并且我国水资源主要来源于降水，受大气环流、海陆位置、地形及地势等因素影响严重，在地域及时间上分布都极不均匀。尤其近年来水资源短缺危机日益严重，如何合理配置现有水资源、在最大程度上避免水资源的浪费成为亟待解决的重大问题。与此同时，全国年排污水量为350亿m3，城市污水集中处理率仅为百分之七，百分之八十的污水未经有效处理就排入江河湖海，使我国的水污染状况和水质富营养化十分严重，并进一步加剧了水资源的短缺。可以说水资源短缺和水污染严重已经成为严重制约我国社会经济持续发展、危害环境生态、影响人民生活和身体健康的突出问题，迫切需要加以解决。

我国缺水的东北、华北和沿海地区，每年可回收污水量约五十多亿立方米，通过污水回用可以在相当程度上缓解全国的水资源紧缺状况，成为江，河，湖，地下水之外的新水源，从而促进工农业产值的大幅度提高。

污水的再生利用往往离不开脱氮除磷技术，这是因为传统的污水二级生物处理技术氮磷去除能力低，氮磷含量较高的再生污水回用于城市水体、工业冷却水、工业生产用水或者市政杂用水时将造成危害。因此，当利用城市污水处理厂作为第二水源开发时，在污水再生利用过程中，对于某些回用对象，必须对氮和磷的含量加以控制。

近年来，由于过量的植物性营养元素氮、磷大量排入水体，水体的富营养化速度大大加快。富营养化水指的是富含磷酸盐和某些形式氮素的水。在光照和其它环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生生态环境结构破坏，这就是所谓的水体富营养化现象。藻类生长的限制性因素是氮和磷，其含量通常决定着藻类的收获量，所以水体中的氮和磷营养盐类的增长就成为藻类生长的主要原因。近20年来，我国水环境污染和水体富营养化状况越来越严重。在许多地区，防止饮用水源污染和水体富营养化己成为防止水污染的重要问题，在缺水地区实现污水资源化也已提到议事日程。

进入水体的氮磷营养来源是多方面的，其中人类活动造成的氮磷来源主要有以下几方面：

1.1 工业和生活污水未经处理直接进入河道和水体；

1.2 污水处理厂出水；

1.3 面源性的农业污染物：包括肥料农药和动物粪便；

1.4 城市来源：除了上面已提到的人粪便、工业污水外，目前仍然在大量使用的高磷洗涤剂是城市社会进入天然水体磷素的重要来源。

2 脱氮工艺原理

废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等4种形态存在，生活污水中氮的存在形式是以有机氮和氨氮为主的，其中有机氮大约占到40％~50％，氨氮占50％~60％，一般情况下，生活污水中的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量很低，不超过氨氮总量的1％。

氮的去除方法主要有生物法和化学法两大类。生物法不但能去除有机物，还能将污水中的有机氮和氨氮通过生物硝化和反硝化作用转化为氮气，最终从污水中去除；而化学法通常只能去除氨氮，且存在处理费用高，可能对环境造成负面影响以及再生方法（指离子交换脱氮的饱和离子交换剂）尚未确定等问题，故目前仍以生物法较为实用。下面是生物脱氮的工艺原理。

废水的生物脱氮是在传统的二级生物处理将有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化及反硝化细菌的作用，将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮并最终转化为氮气，从而达到脱氮的目的的过程。生物脱氮通常包括以下几个阶段：

3 脱氮工艺概述

3.1传统脱氮工艺

传统脱氮工艺可区分为生物脱氮和物理化学方法脱氮。在生物脱氮系统中，不但要去除有机物，还要将污水中的有机氮和氨氮通过硝化—反硝化过程转化为氮气，最终从污水中去除。物理化学脱氮方法不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化为硝酸盐的过程，通常只能去除氨氮。对于城市污水而言，一般来说生物脱氮的可行性和经济性要优于其他脱氮工艺。但在某些特殊情况下，采用物理化学方法脱氮更适用。

3.1.1 物理化学脱氮方法

物理化学脱氮方法包括折点加氯法、空气吹脱法、选择性离子交换法。

① 折点加氯法

折点加氯法脱氮是将氯气或次氯酸钠投入污水，将污水中NH 4-N 氧化成N 2的化学脱氮工艺。氯投加于水中后与水中的氨氮发生如下反应：

++

++→+H O H Cl NH HClO NH 224 O H NHCl HClO Cl NH 222+→+

O H NCl HClO NHCl 232+→+

O H Cl H HNO HClO NH 234454+++→+-++

② 空气吹脱法

空气吹脱法的原理是：污水中的氨氮存在着离解平衡：

+++−→←H NH NH 34，当水体pH 值升高，水体中的氨氮向游离态氨转化。空气吹脱法采用提高污水pH 值、反复形成水滴和通入大量循环空气以增加气水接触的办法来促使氨从水中向大气转移。当水的pH 值升高到11左右时，水中的氨氮几乎全部以NH 3的形式存在，若加以搅拌、曝气等物理作用可促使氨气从水中向大气转移。

③ 选择性离子交换法

选择性离子交换法是利用离子交换树脂对各种离子所表现的不同的亲和力或选择性，以沸石为原料，去除水中的离子态氨，对污水进行除氨氮处理。阳离子交换树脂的离子交换反应可用下式表示：

-+-

++-+−→←+nA B R B A nR n n n

由沸石对离子交换的选择交换顺序表可知沸石对氨离子有较高的选择性。

3.1.2生物脱氮

生物脱氮过程包括三个反应：氨化反应、硝化反应、反硝化反应。还包括生物同化作用。简述如下：

① 同化作用：污水中的一部分氮被微生物吸收作为生物体的组成成分。 ② 氨化反应：氨化反应是指污水中的蛋白质和氨基酸在脱氨基酶作用下转化为氨氮的过程。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。在蛋白质水解酶的催化作用下，蛋白质水解为氨基酸。氨基酸在脱氨基酶的作用下发生脱氨基作用，形成无机小分子氨氮。

人和高等动物所排泄的尿中含有尿素，尿素在尿素酶的作用下迅速水解生成碳酸铵。因此生活污水中的氨氮主要来源于尿素的分解。

③ 硝化反应：硝化反应是由一类自养耗氧微生物完成的，包括两个步骤：第一步为亚硝化过程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属；第二步称为硝化过程，由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，都利用无机碳化合物如CO 32-、HCO 3-和CO 2作为碳源，从NH 3、NH 4+或NO 2-的氧化反应中获取能量。

亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期较短，生长率较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝酸菌受到抑制时，有可能出现NO 2-积累的情况。

④ 反硝化反应：反硝化反应是由一群异养型微生物完成的，它的主要作用是利用硝酸盐或亚硝酸盐氧化有机物提供给细菌能量，同时将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮或N 2O ，反应在无分子氧的条件下进行。反硝化细菌在自然界很普遍，多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可利用硝酸盐中的氧作为