水中硝酸鹽脫除技術研究進展

周承靈

（四川大學，四川 成都 610041）

氮原素普遍存在于大自然當中，氮在生物和環(huán)境之間可進行交換，自然界中的氮通過一系列生物、化學反應轉(zhuǎn)化成不同形式，這就是氮循環(huán)過程。我們常將氮分為有機氮和無機氮，其中無機氮在水體中主要以三種形態(tài)存在：（1）氨氮（NH4+-N）；（2）硝酸鹽氮（NO3--N）；（3）亞硝酸鹽氮（NO2—-N）。

近年來，隨著人類活動對環(huán)境的破壞，氮的循環(huán)體系也備受牽連。例如，農(nóng)業(yè)中氮肥的大量使用，會導致水中的硝酸鹽污染日益嚴重。有研究表明：硝酸根離子嚴重影響人體健康，硝酸鹽在人的腸道中被還原為亞硝酸鹽，會引起高鐵血紅蛋白血癥[1]。高鐵血紅蛋白血癥嚴重威脅著人體正常的機能，會使人感到呼吸困難、疲倦甚至死亡等。本文重點介紹物理化學法、生物法等硝酸鹽脫除傳統(tǒng)辦法的技術現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，為光化學法的研究方向提供參考。

1 傳統(tǒng)硝酸鹽脫除技術

1.1 生物法

生物法去除硝酸鹽氮主要是利用微生物的反硝化能力還原硝酸鹽，是當前廢水處理實踐中最常用的方法。常見的脫氮技術有缺氧/好氧法（A/O）、序批式活性污泥法（SBR）和氧化溝工藝等。

A/O工藝分缺氧段（A）與好氧段（O）。好氧段：在氧氣充足的條件下，微生物通過硝化作用將氨氮氧化為硝酸鹽氮，接著回流到缺氧段，在缺氧的條件下，微生物通過反硝化作用將硝酸鹽氮還原為氮氣。A/O工藝在合適的水質(zhì)情況下，不需要再額外添加碳源，且不容易出現(xiàn)污泥膨脹的情況；但脫氮效率有限，如果要想提高脫氮效率，須加大內(nèi)循環(huán)比，因此加大了運行費用。

SBR工藝是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術，其反應原理和傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，區(qū)別在于SBR工藝式通過時間的交替來完成這一過程。該工藝可根據(jù)水質(zhì)水量進行調(diào)整，靈活運行，無二沉池、污泥回流系統(tǒng)，且可以省略調(diào)節(jié)池和初沉池，因而占地面積??；但是該反應器容積利用率低，自動化要求高，電耗高，脫氮效率有限。

氧化溝內(nèi)部為封閉的環(huán)形的溝渠，具有獨特的構(gòu)造形式，無終端循環(huán)水路，使溶解氧沿著水流方向產(chǎn)生濃度梯度，并使水體呈好氧—缺氧循環(huán)地發(fā)生變化，利于硝化—反硝化的生物處理過程，并具有推流和完全混合的特點，同時耐沖擊負荷能力很強；但是容易出現(xiàn)流速不均導致的沉積問題，氧化溝上部流速較大，而底部流速很小，容易導致溝底大量積泥，使其容積減小，影響污水處理能力。

生物處理法脫氮在脫氮效果和經(jīng)濟投入方面具有一定的性價比，但實際應用中存在以上提到的一些問題，且該類方法主要是依靠生物進行脫氮，所以受到生物活性的影響，以上情況給該方法在實際水處理中的應用帶來了較大的困難。

1.2 物理化學法

物理化學法主要有離子交換法、反滲透、電滲析法和化學還原法。

1.2.1 離子交換法

離子交換法脫除硝酸鹽的原理是利用離子交換樹脂對陰離子的親和力差異性，將水中的硝酸鹽濃縮到再生的廢液中，然后再進一步實現(xiàn)去除的過程。以Cl-為例，反應式如下：

離子交換技術可以去除多種污染物，并可以選擇性的去除硝酸鹽，適用范圍廣，可自動化控制，便于操作；但離子交換法會產(chǎn)生廢鹵水，還需進一步處理，且交換樹脂選擇不恰當會導致硝酸鹽重新進入水中，并需要解決樹脂對鐵、錳、懸浮物、有機物和氯的敏感性。

1.2.2 反滲透法

反滲透，其半透膜具有選擇透過性，能夠通過溶劑而阻留溶質(zhì)。反滲透法利用半透膜的特性，以半透膜兩側(cè)的壓力差為推動力，通過外界壓力克服其滲透壓，使溶劑通過而溶質(zhì)被截留，以達到去除污染物的目的。

反滲透工藝出水的水質(zhì)很好，該方法除了可以去除水中的NO3-，還能同時去除Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-等，實現(xiàn)自動化控制，占地面積??；但是濃水出水還需進一步處理，膜的使用壽命有限，運行費用較高，成本高。

1.2.3 電滲析法

電滲析法是指利用離子交換膜對溶液中離子選擇性透過，在外加的直流電場作用下使溶液中陰、陽離子發(fā)生離子遷移，分別通過陰、陽離子交換膜而達到除鹽或濃縮的過程。

電滲析可選擇性清除目標物種，通過電壓控制，去除率靈活，擁有更好的水回收率，可自動化運行，能去除多種污染物；產(chǎn)生的廢液還需處理，維護要求高，成本較高，需要排出氣體副產(chǎn)品，系統(tǒng)復雜性高，并且對電導率有依賴。

1.2.4 化學還原法

化學法脫除硝酸鹽的原理是通過加入還原劑，還原硝酸鹽的過程。根據(jù)還原劑的不同，可分為活潑金屬還原法與催化還原法。

（1）活潑金屬還原法：活潑金屬還原法是以鐵、鋁、鋅等金屬單質(zhì)為還原劑，在一定條件中將硝酸鹽還原為氮氣或氨氮。一些研究者用其方法對硝酸鹽的去除做出了實驗：Choe等[2]采用了納米鐵粉用于水中硝酸鹽氮的去除，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在無氧條件下，納米鐵粉可以將絕大多數(shù)的NO3-轉(zhuǎn)化為N2，產(chǎn)物中氨氮含量很低?；顫娊饘龠€原法的優(yōu)勢在于可以將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為其他形式的氮，而不是簡單地轉(zhuǎn)移到需要處理的高濃度廢水中。但該方法脫氮不徹底，并且會產(chǎn)生金屬氧化物等二次污染物，提高了對后處理的要求。

（2）催化還原法：催化還原法是指在氫氣、甲酸等還原劑存在時，通過加入催化劑，提高反應速度的同時，減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，將硝酸鹽還原成氮氣的一種方法。物理化學法雖能有效去除水中的硝酸鹽氮，但也有選擇性差或脫氮不徹底等缺點，導致實際應用受限。

2 光化學法

光化學法去除硝酸鹽是在紫外線照射下，利用光化學反應產(chǎn)生的電子或自由基等驅(qū)動脫氮反應的一個過程。有研究者對硝酸鹽直接光解過程做出了研究[3]，反應如下：

直接光解硝酸鹽過程有利于硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，且有助于自由基的形成，自由基可以參與有機物和其他物質(zhì)在溶液中的氧化，但其在脫氮方面沒有顯著的效果，脫氮并不徹底。

因此反應體系中需要加入還原劑來進一步促進其轉(zhuǎn)化為 N2，進而達到真正意義上的脫氮。廢水中的有機物可以充當還原劑，以甲酸為例，Gongde等[4]研究了甲酸鹽存在下，硝酸鹽的光化學脫氮反應機理并開展了實驗，認為甲酸防止了二氧化氮的二聚反應以及再氧化過程，并且產(chǎn)生出的中間產(chǎn)物CO2·-用于進一步脫氮，實驗結(jié)果表明，甲酸鹽與硝酸鹽的最佳摩爾比為3:1，pH=7的條件下，經(jīng)紫外光照射3 h，幾乎完全去除溶解態(tài)氮和甲酸鹽。

3 結(jié)論

光化學法能夠利用水中有機物的還原性，將硝酸鹽還原成氮氣，且無氨氮生成，達到徹底脫氮的目的，與傳統(tǒng)處理方法相比較，光化學法脫氮技術反應效率高，反應條件易滿足，操作簡單，并且產(chǎn)物無污染，是一種很有前景的廢水脫氮方法。