水體常見含氮污染物的治理技術研究進展綜述

孫據正

1. 氨氮治理技術

作為水環境質量評價的典型指標，氨氮一直是人們關注的焦點。我國對氨氮廢水的處理處置一直非常重視，研究人員已經開發出了多種成熟的治理技術，包括活性污泥法、折點加氯法、離子交換法、膜分離法、化學氧化法等。根據其實現原理的不同，這些技術可以歸結為富集分離法、氧化法以及生物法。

1.1氨氮富集分離

（1）離子交換與吸附

離子交換和吸附經常一起討論，因為兩者去除氨氮的原理類似。離子交換和吸附是從廢水中去除氨氮的最可行方法，其優點是高效、穩定且成本低[1]。

沸石作為一種成本低廉的陽離子交換劑，對NH4+有極強的選擇性交換能力，因此被廣泛應用于氨氮吸附領域。該技術的效果與pH有較大的關系，且該方法很難將氨氮濃度降至0.5 mg/L以下，面對微污染水源水中的氨氮時的表現并不盡如人意。

（2）膜富集

膜是具有特殊選擇性分離功能的無機或高分子材料。它可以將流體分成兩個未連接的部分，以便一種或多種物質可以穿過膜并分離其他物質。膜的材料和孔徑主要影響膜的性質和化學結構。

傳統的聚合膜材料表現出了較差的熱穩定性和化學穩定性，并且需要相對溫和的使用條件和反應環境，從而導致對其應用的某些限制。盡管陶瓷膜在某種程度上解決了上述問題，但是陶瓷膜（燒結溫度高于1500 ℃）的生產相對昂貴[2]。不過隨著膜技術的發展和工廠規模的擴大，成膜技術的建設和運營成本大大降低，因此，膜技術仍被認為是具有發展潛力的純化技術。

（3）化學沉淀

該技術通過投加磷酸鹽、鎂鹽，使廢水中的NH4+與PO4+、Mg2+反應生成沉淀物——磷酸銨鎂（MgNH4PO4·6H2O），達到氨氮去除的目的。該方法流程簡單易操作，去除速度快且較徹底，通過優化pH與幾種離子的配比關系，其處理殘液的氨濃度可達1 ppm以下[3]。而且收集到的沉淀物可以用作農作物所需的復合肥料，實現廢物利用。但該方法僅能實現對氨氮的富集，對總氮去除幫助不大，而且在處理較高濃度的氨氮廢水時會存在藥劑使用量大、污泥生成量多、成本偏高等問題。

1.2 生物技術

生物脫氮技術當前應用最為廣泛，其采用基于活性污泥的順序硝化和反硝化的策略，通過形成硝酸鹽作為中間體將母體化合物轉化為氮。為了降低此類過程的凈能量需求，可以通過同時實現硝化和反硝化或使用厭氧氨氧化細菌來改進傳統工藝[4]。然而，生物需要較長的適應周期，且過程中還需要對敏感變量（例如溫度、pH和溶解氧水平等）密切監視。此外，該過程還存在有害氣體N2O的困擾。

1.3 氨氧化技術

（1）折點氯化法

折點氯化法是指通過將氯氣或次氯酸鈉加入到氨氮廢水中，將其氧化為N2的方法，隨著氯氣通入量的增加，會出現某一點，此時水中游離氯含量較低，氨的濃度降至零，該點稱為折點，因此該法被稱作折點氯化法。

該方法可以將氨氮降至很低的水平，而且可以實現完全脫氮，不必擔心硝酸鹽等的困擾，但該過程產生氯胺等有毒有害的副產物，尤其是當水中含有其他有機物時，諸多消毒副產物的產生將不可避免。

（2）電化學氧化

電化學氧化利用電能處理廢水，具有操作簡單，降解徹底，無二次污染的優點[5]。當前的研究發現，電化學氧化可通過兩種方法凈化廢水：陽極直接氧化或利用生成的氧化介導中間體進行間接氧化，這主要受電極材料和溶液性質的影響。先前的研究使用銅電極作為陰極，Ti/IrO2作為陽極，以選擇性地將溶液中的硝酸鹽還原為氮[6]。結合以上兩種思路，Song等采用單電池電化學系統，使用氯離子作為中間電子介體，以同時去除廢水中的氨和硝酸鹽。該方法還原了陰極中的硝酸鹽，并還原了陽極中的氨，最終產生了氮氣[5]。值得注意的是，CODcr也隨著電解過程而降解并轉化為二氧化碳。

2. 硝酸鹽治理技術

當前常見的治理硝酸鹽污染的方法包括使用零價鐵化學反硝化、離子交換（IX）、反滲透（RO）、電滲析（ED）、催化脫氮和生物脫氮等。世界衛生組織（WHO）提出將生物脫氮和離子交換法作為硝酸鹽去除的首選，而美國環保局推薦將離子交換法、反滲透和電滲析作為去除飲用水硝酸鹽的最佳可行技術。但這些建議的最佳可行技術均比較昂貴，很難實現水源水的原位治理[7]。

零價鐵（ZVI）已被廣泛地用于不同污染物的降解，包括硝酸鹽。但是，諸多文章報道了該技術的局限性。例如，Cheng等報道了該方法的主要缺點是ZVI還原過程會產生更多的銨根離子以及要求控制反應體系pH在低水平[8]。此外，生物反硝化工藝很難應用于無機廢水處理，因為需要額外的有機基質作為電子給體。

相比較而言，離子交換法由于便利、易于操作和設計簡單，而更有希望推廣使用。當前測試效果較好的離子交換材料包括碳基吸附劑、粘土、沸石、殼聚糖等[9]。但離子交換法僅實現了硝酸鹽的收集，無法將其轉化為無害的氮氣，處理過程容易形成二次污染。Doudrick等[10]將離子交換技術與光催化硝酸鹽還原結合，前者實現硝酸鹽的富集，后者實現完全脫氮，取得了很好的硝酸鹽完全去除效果。

3. 有機氮治理現狀

有機氮在我國水源水中的存在較為普遍。以長江口原水為例，根據盧寧等對長江口原水的溶解性有機氮的調查結果，長江口原水中溶解性有機氮（DON）占總溶解性氮（TDN）的3%～24%，其濃度在0.07～0.45 mg/L之間變化[11]。

朱文倩等研究了常規工藝（過濾、沉淀）對長江原水的處理效果，發現溶解性有機氮的去除率僅16.7%，甚至在過濾工藝中溶解性有機氮的含量還略有增加（歸因于濾池生物膜的脫落）[12]。Lee等對美國28家水廠的進出水的溶解性有機氮的長期監測結果顯示，水廠完整的處理工藝平均去除了20%的溶解性有機氮[13]。

Parkin和McCarty曾提出顆粒狀活性炭和化學沉淀可能是去除DON的最有效方法。但是，Pehlivanoglu Mantas和Sedlak的研究表明DON是相對親水的，因此不太可能通過吸附在活性炭上而被去除[14]。不過，明礬凝結已經被證實能夠去除糖蜜廢水[15]和地表水[16]中存在的含氮有機化合物。

基金項目：陳行水庫避污蓄清優化調度研究與應用，編號為（04002531027）

同濟大學環境科學與工程學院 上海 200082