高氨氮廢水處理技術(shù)及研究現(xiàn)狀

閆家望

（德州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站，山東 德州 253000）

污水中的含氮化合物主要有四種，即有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮以及硝酸鹽氮，其中氨氮是最主要的存在形式。氨氮在污水中的存在形式有兩種，即游離氨（NH3）與離子狀態(tài)的氨鹽（NH4+），高氨氮廢水排入水體，會(huì)使水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅水環(huán)境的安全。因此，如何經(jīng)濟(jì)、高效地處理高氨氮廢水是保障水環(huán)境安全的首要任務(wù)。本文從高氨氮廢水的來(lái)源、水質(zhì)特征、危害和處理技術(shù)等方面進(jìn)行探究，以期促進(jìn)高氨氮廢水處理技術(shù)的發(fā)展。

1 高氨氮廢水來(lái)源及水質(zhì)特征

高氨氮廢水具有來(lái)源廣、水質(zhì)多變等特點(diǎn)，包括化肥廢水、味精廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液、煤氣廢水、養(yǎng)殖廢水等[1]。

氮素是化肥的主要成分，生產(chǎn)化肥的過(guò)程中氮元素會(huì)大量進(jìn)入廢水中，以氨氮的形式存在于廢水中，化肥廢水的氨氮濃度為400～700 mg/L、CODCr（化學(xué)需氧量）為400～600 mg/L。

味精生產(chǎn)流程一般為：制糖-谷氨酸發(fā)酵-中和提取-精制，其中，谷氨酸發(fā)酵工藝中會(huì)產(chǎn)生大量的高氨氮廢水，氨氮濃度高達(dá)5000～6000 mg/L，此外味精廢水也是典型的高濃度有機(jī)廢水，廢水中的CODCr為 20000～ 30000 mg/L。

原煤高溫干餾、煤氣凈化等過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量焦化廢水，焦化廢水的水質(zhì)成分與生產(chǎn)工藝有關(guān)，一般焦化廢水中氨氮的濃度為200～700 mg/L。城市化的快速發(fā)展使居民產(chǎn)生的生活垃圾越來(lái)越多，垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)后，垃圾本身的水分進(jìn)入土壤，會(huì)形成一種高濃度難降解的垃圾滲濾液，垃圾滲濾液中氨氮的濃度高達(dá)2000 mg/L。煤氣生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤氣廢水含大量的氨氮以及CODCr，一般煤氣廢水中氨氮的濃度為200～250 mg/L、CODCr為1200～1400 mg/L。

養(yǎng)殖企業(yè)動(dòng)物糞便、尿液的集中排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題不容忽視，養(yǎng)殖廢水也是高氨氮廢水之一。養(yǎng)殖企業(yè)廢水中氨氮的濃度為800～2200 mg/L、CODCr為 3000～12000 mg/L。

常見的六種高氨氮廢水水質(zhì)指標(biāo)總結(jié)如表1所示，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，不同企業(yè)產(chǎn)生的廢水中氨氮的含量差別很大，呈現(xiàn)出高氨氮高COD、低氨氮低COD、低氨氮高COD三個(gè)特點(diǎn)。因此，高氨氮廢水的差異性也導(dǎo)致高氨氮廢水處理難度的增加。

表1 高氨氮廢水水質(zhì)特征

2 高氨氮廢水危害

圖1為自然界中氨氮轉(zhuǎn)化示意圖，由該圖可以看出，氨氮在氮形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中起重要作用。有機(jī)的降解主要有兩種途徑：一是有機(jī)物在氨氧化菌的作用下生成氨氮，在高pH值下氨氮會(huì)形成游離氨，合適條件下游離氨會(huì)吹脫進(jìn)入空氣中；二是有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成氨氮后，氨氮在亞硝化菌作用下轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，亞硝酸氮在硝酸菌作用下轉(zhuǎn)化為硝酸氮，以上過(guò)程是氨氮轉(zhuǎn)化的硝化作用，硝酸氮與亞硝酸氮在反硝化菌的作用下被還原成氮?dú)?。由以上分析可知，在含氮有機(jī)物降解的兩種途徑中，氨氮起橋梁作用，一旦氨氮這一核心產(chǎn)物出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)氨氮循環(huán)將受到影響。

圖1 自然界中氨氮的轉(zhuǎn)化示意圖

高氨氮廢水的排放具有四種危害：一是水體富營(yíng)養(yǎng)化，高氨氮廢水的排放會(huì)破壞水環(huán)境系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化加重；二是影響水廠運(yùn)行，高氨氮水源水進(jìn)入水廠后會(huì)影響水廠出水水質(zhì)，使水廠出水產(chǎn)生異味；三是影響水生生物，水中硝化菌的硝化作用會(huì)消耗大量的溶解氧，氨氮需氧量在總需氧量中占比較大，因此會(huì)導(dǎo)致水體嚴(yán)重缺氧，對(duì)魚類、好氧水生物的生長(zhǎng)不利；四是危害人類健康，高氨氮廢水在氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)獾倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的硝酸鹽和亞硝酸鹽，它們是誘發(fā)高鐵血紅蛋白的主要因素。

綜上分析，對(duì)高氨氮廢水進(jìn)行有效的處理是確保水環(huán)境安全與居民飲用水安全的一項(xiàng)重要任務(wù)。

3 主要處理技術(shù)

高氨氮廢水水質(zhì)變化較大，根據(jù)不同的水質(zhì)產(chǎn)生了不同的處理方法。目前，廣泛應(yīng)用的方法主要有物化法與生物法，在處理高氨氮廢水的實(shí)際工程應(yīng)用中，兩種方法都取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 物化法

3.1.1 吹脫法

吹脫法是一種典型的高氨氮廢水物理處理法，其原理如式（1）所示。向高氨氮廢水中加入堿，升高廢水的pH值，由于OH-濃度增加，電離平衡向右進(jìn)行產(chǎn)生氨氣，然后再吹脫塔中將氨氣吹脫至空氣中。

周偉博等采用吹脫聯(lián)合MAP法處理百草枯高氨氮廢水[2]。小試試驗(yàn)結(jié)果表明，吹脫聯(lián)合MAP法能夠使百草枯廢水中氨氮濃度從23066 mg/L降至26.99 mg/L，氨氮的去除效率高達(dá)99.9%。當(dāng)試驗(yàn)工況為pH=10.5、氣液比為3870、水溫為43～47℃、吹脫時(shí)間為6.5 h時(shí)，吹脫法對(duì)氨氮的去除效率達(dá)到99.9%，能夠達(dá)到小試試驗(yàn)的去除效率。MAP法適用于中低濃度高氨氮廢水，處理成本較高，吹脫聯(lián)合MAP法能夠解決這一問(wèn)題，同時(shí)還能夠去除COD，去除率可達(dá)60%。

3.1.2 電解法

電解法主要利用具有催化活性的電極對(duì)水中的氨氮進(jìn)行氧化，以達(dá)到對(duì)氨氮去除的目的。魯劍等采用體積為1 L的玻璃燒杯作為反應(yīng)器，陽(yáng)極電極采用Ti/RuO2-IrO2、陰極材料為不銹鋼板、電極的面積為50 cm2、電極間距為2 cm，對(duì)自行配置的高氨氮廢水進(jìn)行電解處理[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電流強(qiáng)度為9 A、電極間距為1 cm、投加氯化鈉摩爾比（NH3-N/Cl-）為1:4，電解90 min后氨氮濃度可以從2000 mg/L降到247.51 mg/L，氨氮的去除率87.6%。電流強(qiáng)度、氯離子濃度等對(duì)氨氮的去除率都有影響，電流強(qiáng)度越大對(duì)氨氮的去除率越高；氯離子濃度增加，氨氮的去除率也會(huì)增加，但是當(dāng)氯離子濃度增加到一定值后，氨氮的去除效率基本沒有變化。

3.1.3 化學(xué)沉淀法

廢水中高氨氮會(huì)抑制微生物的生理作用，因此某些高氨氮廢水不宜采用生物法，所以化學(xué)沉淀法得到了廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)沉淀法的基本原理是，向高氨氮廢水中投加磷化物與鎂化物生成磷酸銨鎂沉淀，從而達(dá)到去除氨氮的效果。徐志高等以磷化物與鎂化物為沉淀試劑，處理鋯鉿萃取分離所產(chǎn)的高氨氮廢水[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生沉淀反應(yīng)的最佳pH值為9.0～10.5，pH值對(duì)氨氮的去除影響很大，當(dāng)廢水的pH值為9.5、氨氮濃度為3000 mg/L時(shí)，在25℃的條件下反應(yīng)20 min氨氮的去除率高達(dá)95%。

3.2 生物法

生物法脫氮技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，但是高氨氮廢水中氨氮的濃度會(huì)影響微生物活性，需要對(duì)原水進(jìn)行稀釋處理。另外，消化過(guò)程需要大量的溶解氧，反硝化過(guò)程需要大量的碳源。高氨氮廢水的生物去除工藝常見的有膜生物反應(yīng)器法與厭氧氨氧化法。

3.2.1 膜生物反應(yīng)器法

膜生物反應(yīng)器是水處理膜技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的一種廢水處理工藝，以膜取代傳統(tǒng)生物處理工藝的二沉池，膜能夠截留活性污泥，生物反應(yīng)器中能保持高的微生物濃度，大大高了處理負(fù)荷。因此，膜生物反應(yīng)器法是處理高氨氮廢水的一種高效工藝。

駱欣等設(shè)計(jì)了缺氧-好氧膜生物反應(yīng)器來(lái)處理高氨氮廢水，高氨氮廢水采用模擬廢水，采用甲醇為外加碳源[5]。連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明，缺氧-好氧膜生物反應(yīng)器對(duì)廢水的濁度去除效果較好，去除率高達(dá)99.8%；工藝運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)COD的去除率可達(dá)95.3%，對(duì)氨氮的去除率可達(dá)97.2%。該工藝還具有處理負(fù)荷高、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3.2.2 厭氧氨氧化法

厭氧氨氧化過(guò)程指的是在厭氧條件下微生物直接以NH4+為電子供體，以硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮為電子受體，將硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程。

王元月等對(duì)國(guó)內(nèi)外厭氧氨氧化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，分析了高氨氮廢水來(lái)源以及其水質(zhì)特征，評(píng)價(jià)了廢水中氨氮、有機(jī)物濃度以及有毒物質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響，認(rèn)為總體上厭氧氨氧化工藝處理高氨氮廢水是可行的[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

高氨氮廢水具有來(lái)源廣、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，其排入水體不僅危害水生生物，也嚴(yán)重危害飲用水安全。高氨氮廢水的物化法處理一般運(yùn)行費(fèi)用高昂，因此其應(yīng)用受到了一定限制。生物法雖然具有運(yùn)行費(fèi)用低、出水水質(zhì)高等特點(diǎn)，但是微生物的馴化過(guò)程較困難，微生物活性易受水質(zhì)、水溫、有毒物質(zhì)等影響。在實(shí)際工程中，人們應(yīng)根據(jù)具體的廢水水質(zhì)特征來(lái)選擇合理的工藝，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

參考文獻(xiàn)

1 虞發(fā)軍.試論氨氮廢水的處理技術(shù)及發(fā)展[J].工程技術(shù)，2017，（1）：173.

2 周偉博，伊學(xué)農(nóng)，施 柳.吹脫聯(lián)合MAP法處理高氨氮廢水的研究[J].中國(guó)給水排水，2014，（21）：110-113.

3 魯 劍，張 勇，吳盟盟，等.電化學(xué)氧化法處理高氨氮廢水的試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2010，17（2）：51-53.

4 徐志高，黃 倩，張建東，等.化學(xué)沉淀法處理高濃度氨氮廢水的工藝研究[J].工業(yè)水處理，2010，30（6）：31-34.

5 駱 欣，楊宗政，顧 平.缺氧-好氧膜生物反應(yīng)器處理高氨氮廢水的研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，4（1）：33-36.

6 王元月，魏源送，張樹軍.厭氧氨氧化技術(shù)處理高濃度氨氮工業(yè)廢水的可行性分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（9）：2359-2368.