氨氮廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展

李 慧

（青島市城市排水監(jiān)測站，山東 青島 266002）

傳統(tǒng)的廢水處理方法將含氮化合物轉(zhuǎn)化為氮氣，進(jìn)一步增加了氮循環(huán)利用的成本。因為氨氮很容易回收利用，減少氨氮進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。目前，大多數(shù)研究針對的是一種氨氮去除方法，較少全面論述物理法、化學(xué)法和生物法[1-6]，氨氮廢水處理技術(shù)的綜述比較缺乏。本文從低消耗、低排放、高效處理的循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度，綜述了氨氮廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀，并簡要評價其在氨氮回收方面的潛力，展望氨氮廢水處理技術(shù)的發(fā)展前景。

1 氨氮廢水的主要來源

氨氮廢水的主要來源包括城市污水、工業(yè)廢水和畜禽廢水[7-12]，其成分和濃度因來源不同而不同，如表1所示。城市污水鈣含量過高，其通過皂化過程與來自食品加工的游離脂肪酸混合形成沉積物，有機物質(zhì)的積累堵塞污水輸送管道，脂肪酸和硫化物的積累腐蝕管道。生物法是目前主流的廢水處理工藝之一，但城市污水C/N 較低，抑制了微生物活性，導(dǎo)致處理能力不足。工業(yè)排放的污染物可能含有大量難降解的、成分復(fù)雜的有機物，通過抑制微生物活性降低了常規(guī)處理效率。養(yǎng)殖業(yè)和畜禽屠宰行業(yè)產(chǎn)生的畜禽廢水具有有機物含量高、氨氮含量高、毒性物質(zhì)少、可生化性好等特點。該廢水磷含量較高，磷酸銨鎂沉淀法回收氮磷可能是最好的前處理方法。然而，利用微藻或光合細(xì)菌來處理這一廢水也是很好的選擇，因為收獲的微藻和光合細(xì)菌可以為農(nóng)民帶來更多的收入[2]。

表1 不同來源氨氮廢水的特性

2 氨氮廢水處理技術(shù)

2.1 物理法

2.1.1 空氣吹脫

空氣吹脫是一種成本低、操作簡便的氨氮廢水處理技術(shù)。在堿性環(huán)境中，水中氨氮平衡傾向于產(chǎn)生更多的氨氣而不是銨，氨氣是一種水溶性氣體，無氨空氣進(jìn)入廢水后，整個系統(tǒng)的氨濃度會逐漸達(dá)到氣液平衡。因此，廢水中的氨會被轉(zhuǎn)移到空氣中。為改進(jìn)吹脫技術(shù)，目前的研究主要集中在提高單位體積液體傳質(zhì)系數(shù)和吹脫效率方面。陳儒佳[3]將微波加熱作用于旋轉(zhuǎn)填充床，利用微波的熱效應(yīng)和重力去除氨氮。與傳統(tǒng)精餾塔相比，該工藝大大節(jié)省了設(shè)備體積和吹脫時間。同時，其使用一種創(chuàng)新的噴霧系統(tǒng)，將高氨氮廢水噴在循環(huán)加熱水管上，通過增加氨氮廢水與空氣的接觸面積和廢水液滴與管道表面的碰撞來去除氨氮，該方法對氨氮廢水的去除率達(dá)88.35%。對于氨氣濃度較高的吹脫氣，目前常用的中和方法是用強酸溶液生成(NH4)2SO4，當(dāng)(NH4)2SO4濃度大于20%時，經(jīng)濟(jì)上適合制備農(nóng)肥。

2.1.2 離子交換和吸附

離子交換和吸附是去除廢水中氨氮的可行方法，高效穩(wěn)定，成本低。吸附法對高氨氮廢水具有良好的去除能力，因此生物處理前應(yīng)采用離子交換器對氨氮進(jìn)行預(yù)還原。目前主要使用沸石對氨氮進(jìn)行吸附，其可重復(fù)利用率很低。因此，許多研究都在尋找和制備吸附容量大、平衡時間短的吸附材料。

2.2 化學(xué)法

2.2.1 磷酸銨鎂沉淀法

磷酸銨鎂沉淀法是一種氨氮沉淀技術(shù)，用于廢水中氨和磷的同時回收。氨氮廢水可以加入氧化鎂或氫氧化鎂作為鎂鹽，它可以不過度增加廢水鹽度而增加堿度，因為大多數(shù)廢水含有堿金屬離子，其很容易與氨根形成絡(luò)合物，進(jìn)一步提高沉淀效率。大多數(shù)廢水氨氮含量遠(yuǎn)高于磷酸鹽含量，如果額外添加磷酸鹽，會增加成本。研究表明，可以先去除廢水中大部分氨氮，再沉淀磷酸銨鎂[4]。

2.2.2 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法利用電化學(xué)作用處理廢水，操作簡單，去污能力強，無二次污染。電化學(xué)氧化法可以通過陽極直接氧化和生成氧化中間體的間接氧化兩種方式來凈化廢水，這主要受電極材料和溶液性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，可將銅電極作為陰極，Ti/IrO2作為陽極，選擇性地將溶液中的硝酸鹽還原為氮氣；以氯離子為中間電子介質(zhì)的單電池電化學(xué)系統(tǒng)可以同時去除廢水中的氨氮和硝酸鹽，該方法將陰極中的硝酸鹽還原，將陽極中的氨氮氧化，最終生成氮氣。

2.2.3 光催化法

光催化法是一種快速、環(huán)保的非選擇性技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基，對污染物進(jìn)行氧化降解。根據(jù)光催化反應(yīng)機理，氨氮氧化反應(yīng)只能發(fā)生在光伏材料表面，因此其表面積限制氨氮的氧化。光電催化-氯自由基脫氮系統(tǒng)采用類氯法去除氨氮，通過引入氯離子產(chǎn)生氯分子，氯分子可以擴(kuò)散到整個溶液中，該系統(tǒng)選擇性地將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣和硝酸鹽，提高了氨氮去除率。

2.3 生物法

2.3.1 硝化反硝化

硝化反硝化是一種典型的活性污泥脫氮方法。硝化作用是自養(yǎng)過程，細(xì)菌生長的能量來自氮的氧化物。在好氧條件下，氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，然后硝酸鹽和亞硝酸鹽被反硝化細(xì)菌還原為氮氣。其中，AOB 和NOB 屬于好氧自養(yǎng)型微生物，反硝化細(xì)菌屬于厭氧微生物。在硝化反硝化過程中，廢水經(jīng)過缺氧池和好氧池處理，實現(xiàn)凈化。在缺氧池中，反硝化細(xì)菌以有機物為碳源，返回的硝酸鹽和亞硝酸鹽對電子供體進(jìn)行反硝化。同時，缺氧池將大分子有機物水解成小分子有機物，提高后期好氧池的生物降解效率。在好氧池中，自養(yǎng)硝化細(xì)菌在好氧條件下將氨氮氧化為硝酸鹽，實現(xiàn)廢水凈化中碳、氮、氧的循環(huán)。

近年來，為了縮短反應(yīng)、降低能耗、節(jié)約成本和降低污泥產(chǎn)生量，人們以活性污泥法為基礎(chǔ)，開發(fā)出脫氮新技術(shù)[13-15]。一是短程硝化反硝化，它將硝化過程控制在亞硝酸鹽生成階段，以避免對硝酸鹽的進(jìn)一步硝化。與常規(guī)硝化反硝化相比，它節(jié)省了亞硝酸鹽氧化和硝酸鹽還原過程，有效縮短反應(yīng)時間，降低氧和碳電子供體需求，減少二氧化碳排放量和污泥生成。如果不是為了獲得硝酸鹽，短程硝化反硝化可能是去除廢水中氨氮的合適方法。短程硝化反硝化通過控制溫度、pH，游離氨、溶解氧、底物濃度和添加抑制劑，抑制NOB 活性和硝酸鹽生成。二是厭氧氨氧化。厭氧氨氧化對溶解氧和外部碳源的需求較低，逐漸成為一種節(jié)能的脫氮方法。它利用亞硝酸鹽作為電子受體將氨氮氧化成氮氣。厭氧氨氧化菌是一種自養(yǎng)厭氧菌，對于氨氮高、C/N 低的廢水，硝化與厭氧氨氧化聯(lián)合處理更能節(jié)能降耗，達(dá)到脫氮目的。

2.3.2 微藻處理

生活污水氮磷含量豐富，極易引起富營養(yǎng)化，但也為微藻提供生長養(yǎng)分。利用微藻去除氨氮廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，可獲得具有高蛋白、脂質(zhì)和天然色素的生物質(zhì)產(chǎn)品。然而，高氨氮廢水會促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，從而降低生物量，甚至導(dǎo)致藻類培養(yǎng)失敗。人們可篩選出耐氨藻處理氨氮廢水，微藻處理之前，確保處理的廢水可以適應(yīng)微藻生長環(huán)境[5]。

3 結(jié)論

隨著氨氮廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，氨氮廢水處理技術(shù)日趨多樣化。然而，現(xiàn)有方法仍側(cè)重于去除氨氮，而不是回收利用；許多方法仍處于實驗室階段，這與處理實際廢水還有很大距離；現(xiàn)有方法大多缺乏經(jīng)濟(jì)分析，氨氮廢水處理應(yīng)符合環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。當(dāng)前，要對不同氨氮廢水處理方法進(jìn)行改進(jìn)或結(jié)合，以達(dá)到最佳的水質(zhì)凈化和氨氮回收效果。不同類型廢水特性不同，需要采用不同的處理方法，因此開發(fā)氨氮廢水處理的新方法將是未來重要的研究課題。