總氮指標(biāo)在污水處理中的重要性探討

余林康

[摘要]隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張，污水排放量的增加，我國水環(huán)境容量開始日趨緊張。某些湖泊、河體不時(shí)出現(xiàn)的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，也引起了國家環(huán)保管理部門的重視。總氮作為水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，由此被逐漸納入排放標(biāo)準(zhǔn)管理體系中。目前無論是污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)，還是一些地方和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，都已經(jīng)對(duì)總氮排放提出了明確的要求。該文通過對(duì)總氮危害性的分析，進(jìn)一步肯定規(guī)范總氮排放的重要性，并提出相應(yīng)的治理建議。

[關(guān)鍵詞]排放標(biāo)準(zhǔn) 總氮指標(biāo) 污水廠 脫氨工藝

0.引言

隨著城市人口的集中和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水體的富營養(yǎng)化問題日益突出。目前中國的某些湖泊，如昆明滇池、江蘇太湖、安徽巢湖等都已出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。引起富營養(yǎng)化的營養(yǎng)元素有碳、磷、氮、鉀、鐵等，其中，氮和磷是引起藻類大量繁殖的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自然界固氮速率大約每年15000萬噸，而化學(xué)氮肥制造速率大約每年5000～6000噸，如大自然脫硝反應(yīng)未能及時(shí)完成氮循環(huán)，過多含氮化合物，使水中氨氮養(yǎng)分造成大量藻類，浮游植物繁殖旺盛，出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。

為遏制水環(huán)境不斷惡化的趨勢(shì)，一大批污水處理設(shè)施在我國各大中城市及城鎮(zhèn)相繼投巨資建成并投入運(yùn)行，大大改善了不斷污染的河流、湖泊及地下水資源。

楊曉等對(duì)城市污水處理廠總氮去除的可行性研究表明，由于歷史原因，大部分已建成和正在建設(shè)的城市和工業(yè)污水處理廠（站）的污水凈化工藝對(duì)COD、BOD、氨氮、TP、SS的去除效果良好，而對(duì)TN的去除效果不理想。而國家近幾年又不斷在總氮排放標(biāo)準(zhǔn)上提出了嚴(yán)格的要求。

鑒于上述原因，本文就總氮在污水處理中的重要性、治理機(jī)理和技術(shù)做初步探討。

1.總氮治理的重要性分析

總氮為硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮與有機(jī)氮的總稱，水中的氨氮在氧的作用下也可以生成亞硝酸鹽，并進(jìn)一步形成硝酸鹽，同時(shí)水中的亞硝酸鹽也可以在厭氧條件下受微生物作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻？偟欠从乘w富營養(yǎng)化的主要指標(biāo)。

文獻(xiàn)提出，目前的富營養(yǎng)化控制上，國外通常將總氮濃度超過0.3mg/L，總磷濃度超過0.02mg/L作為富營養(yǎng)化的分界線。我國也已經(jīng)將總氮濃度1.0mg/L作為富營養(yǎng)化水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

無機(jī)氮中的氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對(duì)魚類及某些水生生物有毒害。國家相關(guān)部門很早就注意到氨氮的危害性，環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院副院長吳舜澤撰文表示：“氨氮作為主要超標(biāo)污染物在七大水系中出現(xiàn)頻率非常高，氨氮污染是全國性的污染問題?！眹摇笆濉币?guī)劃建議中，氨氮已成為繼COD后的全國主要水污染物排放的約束性指標(biāo)。

但是，在一般的污水好氧處理工藝中，只是將氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮排放，但總氮含量并未降低，總氮并未脫除，無法減輕水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，因此并未達(dá)到無害化處理效果。只有通過下一步反硝化處理，將殘余硝態(tài)氮通過生化反應(yīng)生成無害的氮?dú)猓∟2），從水中逸出，最終實(shí)現(xiàn)氨氮的無害處理。從下述除總氮的原理可以看出，除污水中總氮需在有氧及缺氧兩種工藝條件下，由3種菌接力才可完成。硝化菌在菌群中所占比例很小，一般僅為5%左右，且繁殖周期長，對(duì)環(huán)境要求高，這就決定了處理無機(jī)氨的步驟多、時(shí)間長、限制因素多，必然造成處理池容積大、投資大。

不僅如此，處理費(fèi)用高也是無機(jī)氮的處理難點(diǎn)之一。代秀蘭等認(rèn)為，從耗氧量上看，處理無機(jī)氮理論上需耗氧氣與去除COD相比要高4-5倍，耗電自然也高4～5倍；另一項(xiàng)費(fèi)用為藥劑費(fèi)，因硝化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生酸度，必須加堿中和；另外，因硝化反應(yīng)后水中有機(jī)物已分解完，如要進(jìn)行反硝化反應(yīng)，需再補(bǔ)加有機(jī)物，以利于生化反應(yīng)，國外大多添加甲醇，如硝態(tài)氮為2.5-3kg，需加甲醇1kg，這又是一筆費(fèi)用。

張謙朋等對(duì)城市污水處理中提高生物脫氮效率進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：由于反應(yīng)不同，條件不同，消耗也小同。所以處理氨氮難，處理到無害化，降低總氮?jiǎng)t更難。

與氨氮相比，水體中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮含量超標(biāo)，也同樣會(huì)使水環(huán)境質(zhì)量惡化，還對(duì)人類以及動(dòng)、植物油嚴(yán)重危害作用。飲用水中的NO^3-和NO^2-的含量過高，能引起變形血色素癥，變形血色素會(huì)破壞紅血球的載氧能力，引起人體嚴(yán)重缺氧而導(dǎo)致死亡。同時(shí)，飲用NO^3-和NO^2-的含量過高的水，可使得肝癌、食管癌、胃癌的發(fā)病率增高，因?yàn)镹O^3-和NO^2-在自然條件下有可能轉(zhuǎn)化為強(qiáng)致癌的亞硝酸胺。水體中的亞硝酸氮超過1mg/L時(shí)，即會(huì)使水生生物的血液結(jié)合氧的能力降低；超過3mg/L時(shí)，可在24～96小時(shí)內(nèi)使金魚、鳊魚死亡。因此，總氮是反映污水治理程度的一個(gè)重要指標(biāo)。

2.總氮排放標(biāo)準(zhǔn)演變

目前，除非有地方或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我國環(huán)保治理的排放標(biāo)準(zhǔn)依然采用國家環(huán)?？偩钟?996年批準(zhǔn)，1998年實(shí)施的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996），該標(biāo)準(zhǔn)至今已施行10多年，隨著時(shí)間的推移、科技的進(jìn)步以及公眾對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)越來越不適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)管理的要求。陳國云等認(rèn)為，《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）沒有對(duì)總氮排放提出要求，這顯然無法滿足水環(huán)境管理和地表水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)的實(shí)際需要。

2002年12月2日，國家環(huán)?？偩峙鷾?zhǔn)的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GBl8918-2002）于2003年7月1日正式實(shí)施，《標(biāo)準(zhǔn)》分年限對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的出水、無組織排放廢氣、污泥中污染物的控制項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)值作了規(guī)定。《標(biāo)準(zhǔn)》的出臺(tái)和實(shí)施為長效管理城鎮(zhèn)污水處理廠奠定基礎(chǔ)，提供了執(zhí)法依據(jù)。與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）比較，污染控制項(xiàng)目增多并實(shí)行了分類。值得注意的一點(diǎn)是，與環(huán)境控制指標(biāo)相呼應(yīng)?！稑?biāo)準(zhǔn)》給出了總磷、總氮在不同水文下的標(biāo)準(zhǔn)限值，為有效控制這兩項(xiàng)指標(biāo)提供了源頭上的保障。

2006年5月8日，國家環(huán)?？偩职l(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GBl8918-2002）修改單，規(guī)定城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入國家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時(shí)，執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，而不是原來的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。宋麗紅認(rèn)為，此次修改進(jìn)一步提高了污水排放對(duì)總氮的要求，尤其是在敏感的湖、庫等封閉或半封閉水域。這不僅體現(xiàn)了國家對(duì)改善環(huán)境，保護(hù)水源治理污染的重大決心，更說明了總氮排放已經(jīng)引起了國家相關(guān)部門的重視。

總之，由于老標(biāo)準(zhǔn)中缺少總氮控制項(xiàng)目，因此給排放單位造成一種誤解，認(rèn)為排水氨氮達(dá)標(biāo)即萬事大吉，而對(duì)總氮?jiǎng)t不聞不問，但是對(duì)環(huán)境的影響依然存在，這種治標(biāo)不治本的治污方式、將會(huì)隨著控制總氮項(xiàng)目的實(shí)施而改變。

3.總氮去除機(jī)理簡述

污水中總氮包括有機(jī)氮和氨氮及硝酸鹽，但城市污水中的氮到達(dá)污水廠時(shí)以氨氮為主。通常生物脫氮包括硝化和反硝化兩個(gè)過程。

根據(jù)沈歡鑫等對(duì)污水處理廠普通A/O工藝的出水總氮預(yù)測(cè)分析：在污水廠的曝氣池中，在好氧環(huán)境中，原水BOD被化能異養(yǎng)菌氧化，氨態(tài)氮?jiǎng)t被化能自養(yǎng)菌氧化（即硝化細(xì)菌）成硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮，完成硝化過程。因化能異養(yǎng)菌效率較高，而化能自養(yǎng)菌效率較低，硝化過程需要較長的污泥齡才能完全發(fā)揮硝化作用。硝化過程產(chǎn)生的硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮仍是總氮的組成部分，對(duì)總氮的去除沒有影響。但硝酸鹽或亞硝酸鹽具有較強(qiáng)的氧化能力，在缺氧環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境中溶解氧較低時(shí)，某些細(xì)菌能以硝酸鹽或亞硝酸鹽代替溶解氧作為氧供體，以進(jìn)水中的BOD作為碳源和能量進(jìn)行生命活動(dòng)，將硝酸鹽氮還原成氮?dú)?，由水中釋放出來，?shí)現(xiàn)氮最終排出系統(tǒng)，完成反硝化過程。該過程最終的結(jié)果是，硝酸鹽或亞硝酸鹽供出其中的氧原子作為碳源的氧化劑，硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮?jiǎng)t還原成游離氮（即反硝化）。正是由于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的共同作用，總氮的去除才成為可能。

4.提高總氮去除率

目前現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠主導(dǎo)工藝中大量采用A/A/O（含改進(jìn)型UCT）工藝、SBR和氧化溝工藝。根據(jù)謝建華對(duì)氨氮、總氮、三氮轉(zhuǎn)化及氨氮在水污染評(píng)價(jià)及控制中的作用研究認(rèn)為：這些工藝在去除有機(jī)物和氨氮方面效果較好，但是面對(duì)愈加嚴(yán)格的總氮和總磷排放要求，有些設(shè)施就必須進(jìn)行技術(shù)改造來提升TN的處理效果。比如采用強(qiáng)化生物處理+深度處理、強(qiáng)化除磷脫氮等技術(shù)，盡可能對(duì)現(xiàn)有處理設(shè)施進(jìn)行挖潛，通過強(qiáng)化現(xiàn)有工藝各個(gè)環(huán)節(jié)，特別是生物處理工藝的作用，盡量減少提高排放標(biāo)準(zhǔn)需要的資金投入。

強(qiáng)化生物處理技術(shù)主要是硝化菌生物強(qiáng)化，它可以極大地促進(jìn)微生物種群中硝化菌群的高密度生長，導(dǎo)致快速啟動(dòng)和原位硝化活性的提高。一些同定膜微生物反應(yīng)器中接種的強(qiáng)化微生物能在生物膜中擴(kuò)增或繁殖，提高了生物膜表面硝化菌的豐度從而導(dǎo)致硝化速率加快。

氨氮總氮一體化治理技術(shù)采用先進(jìn)的短程硝化一反硝化工藝，通過投放、馴化優(yōu)勢(shì)菌，增強(qiáng)了處理氨氮和總氮的能力。為提高總氮脫除率，還采用了好氧同步反硝化、外加碳源及利用內(nèi)源呼吸的后置反硝化三項(xiàng)新技術(shù)，氮脫除率大干98%，總氮脫除率大于95%，完成了氨氮、總氮同步脫除的難題。

某些簡單的技術(shù)改造也有助于提高總氮去除效果。研究表明，在一些氨氮含量高，碳源嚴(yán)重不足的特殊條件下，限制生物曝氣反應(yīng)池內(nèi)DO不致過高，可以讓反應(yīng)池內(nèi)污泥濃度穩(wěn)定。要達(dá)到同時(shí)除氮的目的，控制DO在0.4-1.5mg/L范圍，并保證一定的曝氣時(shí)間（3～5h），以減輕高氨氮、低碳源的不利影響。

5.結(jié)語

綜上所述，由于水體富營養(yǎng)化的影響，對(duì)總氮的控制已經(jīng)引起了國家有關(guān)部門的高度重視。雖然現(xiàn)行較早發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)還不完善，但是，一些地方和企業(yè)已經(jīng)根據(jù)各地環(huán)境容量及環(huán)境管理目標(biāo)，對(duì)總氮的排放和水體環(huán)境濃度進(jìn)行規(guī)劃管理。因此，地方及企業(yè)新上的污水處理設(shè)施都應(yīng)該將總氮控制列入處理范圍，一步到位才是最佳選擇。對(duì)于已建污水處理設(shè)施，可以通過相應(yīng)的技術(shù)改造和擴(kuò)建，開始把降低總氮納入綜合治理范圍。