污水氨氮去除方法分析与比较

李浩然

苏州太湖中法环境技术有限公司，江苏 苏州 215100

摘要：综述了氨氮污水的主要来源及其危害，详细介绍了折点加氯法、沸石选择性交换吸附法、空气吹脱法、硝化-反硝化法、短程硝化-厌氧氨氧化法这5种污水氨氮去除方法，分析比较了它们的适用性及优缺点，并展望了未来污水脱氮的发展方向。

关键词：氨氮污水；氨氮去除；分析比较

0 引言

随着工业化的进程，环境污染问题日益严重，尤其是氨氮污水问题，导致了水体富营养化及海水赤潮现象的发生。近几十年来，为寻找高效、节能、易操作的氨氮处理方法，国内外学者进行了大量的实验研究。本文详细介绍了多种氨氮去除方法，包括物化处理和生化处理，以期为不同条件下的氨氮处理项目提供理论基础。

1 氨氮的来源及危害

污水中的氨氮是氮元素在废水中的存在形式之一，包括游离态（NH₃-N）和离子态（NH₄⁺-N）,其来源广泛，且绝大部分来自于人类活动，农业、工业、生活均有涉及。数据表明，农村化肥的流失、养殖业中的含氮排泄物导致农村污染总氮、总磷富营养化负荷约占60％，而化学、石油、金属冶炼等8个重工业的氨氮排放总量占全部工业废水氨氮排放量的85.9％^[1]。

大量氮元素的排放会对生态环境产生一系列的后果。会使水体富营养化，水中藻类大量繁殖，溶解氧含量下降，水生动物因缺氧而死亡，水体发臭恶化^[2]。人类长期摄入亚硝酸盐与硝酸盐，会导致高铁血红蛋白症，极大降低了血液的输氧能力。此外，水源地如果排入氨氮污水，将导致饮用水处理成本的增加。

2 氨氮去除方法

2.1 折点加氯法

折点加氯法是一种化学处理方法，通过向含氨氮的污水中投加过量氯或次氯酸钠，使污水中的氨氮完全氧化为氮气，从水中逸出，达到脱氮的目的。反应方程式为：

NH4⁺+1.5HOCl→0.5N₂+1.5H₂O+2.5H⁺+1.5Cl^-

从反应式中可以看出，每氧化1g氨氮理论上需要7.6g氯（Cl₂）。有研究表明，此反应的最佳反应时间为30min，最佳PH控制条件为5.5~6.7^[3]，且氯投加量越大，氨氮去除率越高。折点加氯法对氨氮的去除率高达90~100％，脱氮效果稳定，不受温度影响，操作方便，基建费用低，但其运行费用高，且反应后的水中会有残余氯及氯代有机物，还需要进行后续的处理，导致了该方法仅使用于应急处理或低浓度的氨氮污水处理。

2.2 沸石选择性交换吸附法

沸石是一种硅铝酸盐，是一种弱酸型阳离子交换剂，其具有规则的孔道结构和空穴，具有筛分效应，交换吸附选择性、热稳定性及形稳定性较好，用于除氨的主要是斜发沸石，其对于某些阳离子的交换选择次序为：K⁺、NH₄⁺＞Na⁺＞Ba²⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺。利用斜发沸石对于NH4⁺的强选择性，可以吸附污水中的氨氮，达到饱和后沸石经再生可重复利用。天然沸石由于分子孔道中存在水分子和其它杂志，工作交换容量较低，如若对其进行碱改性、酸改性或盐改性，其工作能力将会得到提升，其中盐改性沸石除氨效率可达90％以上^[4]。

污水的PH对于沸石除氨有很大的影响，一般控制PH在6~8最佳，过高，则NH₄⁺向NH₃转化，过低，则H⁺的竞争吸附作用增强，都会降低NH₄⁺的吸附。当沸石吸附达到饱和后，可以利用5g/L的石灰乳或饱和石灰水再生，在再生液中添加一定量的NaCl，将会提高再生效率。

沸石选择性交换吸附法虽投资较低，不受温度影响，但运行成本高，操作繁琐，且沸石再生过程中会产生高浓度的氨氮污水，必须进行后续处理，所以该方法仅适用于低浓度、小水量的氨氮污水处理。

2.3 空气吹脱法

空气吹脱法除氨是指，将惰性气体（如空气）与待处理污水同时通入吹脱设备中，让污水与空气充分接触，迫使水中挥发性的NH₃从水中逸出，从而达到污水脱氮的目的。为使污水中的氨氮主要以NH₃的形式存在，必须维持污水处于碱性条件，一般需要PH＞10.5。常用的装置为吹脱池和吹脱塔，空气由塔底进入，污水由塔顶进入流入吹脱池，吹脱后的尾气需要进行处理，否则会污染大气。

空气吹脱法的脱氮效率与污水温度、PH值、气水比、填料等有很大的关系，研究表明，在以鲍尔环为填料的吹脱塔中，主要控制条件为：污水PH=11、温度=60℃、气水比=1500：1，氨氮的去除率可达到85.06％^[5]。

空气吹脱法除氨，工艺简单，效果稳定，基建与运行费用较低，适用于高浓度的污水处理，但其比较显著的缺点是，极易受水温影响，水温低，吹脱效率会大大降低，且填料结垢严重，干扰正常运行，吹脱后的尾气中含有大量的氨，需要另外进行处理。

2.4 硝化-反硝化法

硝化-反硝化法脱氮是一种生物处理方法，首先，在好氧条件下，通过亚硝化细菌和硝化细菌的作用，将氨氮转化为硝酸盐氮，然后在缺氧条件下，利用反硝化细菌，将硝酸盐氮转化为N₂从水中逸出，达到脱氮的目的，整个过程的反应方程式为：

硝化过程的效率主要取决于硝化细菌（包括亚硝化细菌）的活性。硝化细菌是一类化能自养型细菌，个体游离，需要依靠广大的异养型微生物而凝聚存活，且生长繁殖周期长，其对于生存环境十分敏感，影响因素主要有PH值、水温、污泥龄、溶解氧浓度、有机物负荷、有毒有害物质等。一般认为，PH为8.0~8.4，水温为15~35℃，污泥龄20~30d，DO为2~4mg/L，BOD负荷＜0.15g BOD₅/（g MLSSd），硝化细菌生长良好，硝化过程比较稳定。

反硝化细菌是一种化能异养菌，不像硝化细菌那样娇贵，但需要足够的有机底物（碳源）才能保证反硝化过程顺利进行。影响反硝化过程的主要因素有：水温、PH值、溶解氧浓度、碳源等。当温度在20~40℃，PH值为7.0~8.0，DO＜0.5mg/L，BOD₅/TN＞3时，一般反硝化过程比较稳定，脱氮效率高。

硝化-反硝化法工艺成熟，脱氮效果稳定，适用范围广，运行成本较低，不会产生二次污染，但工艺流程长，占地面地大，基建费用高，且易受温度影响和负荷冲击。

2.5 短程硝化-厌氧氨氧化法

厌氧氨氧化法是利用厌氧氨氧化细菌在缺氧或厌氧环境下，以HCO₃^-为碳源，以NH₄⁺-N为电子供体，以NO^2—N为电子受体生成N²，达到脱氮的目的^[6]。为保证厌氧氨氧化顺利进行，常与短程硝化工艺组合，形成短程硝化-厌氧氨氧化工艺。与传统的硝化-反硝化工艺相比，该工艺只需将氨氮氧化为亚硝氮，无需进一步氧化至硝氮，大大降低了需氧量，从而节约了大量的曝气能耗。此外，该工艺以HCO₃^- 为碳源，无需额外投加有机碳源，可以大幅降低脱氮成本。由于脱氮过程不涉及异养反硝化细菌，该工艺的剩余污泥产量也显著降低^[7]。

Anammox的启动及稳定运行受反应条件和环境因素的影响很大，包括基质浓度、有机物浓度、PH、溶解氧浓度、温度等。目前，长期稳定运行的Anammox系统大多都是在实验室里，如何在多变的环境下保证Anammox的快速适应且保持较高的脱氮能力，将是该工艺由实验到工业生产转变急需解决的问题^[8]。

短程硝化-厌氧氨氧化法脱氮具有占地面积小、便于管理、无高浓度亚硝酸盐积累、运行成本低等优点，尤其适用于高氨氮、低C/N的污水处理，但由于其受外界环境影响大，启动时间长，易产生恶臭等缺点，导致该工艺的发展收到限制。

3 结束语

现阶段，针对污水中氨氮的处理已经有多种方法，可以根据项目实际情况进行比选，但随着资源节约型与环境友好型社会概念的提出，传统的高能耗、高成本、低效率、产生二次污染的水处理工艺终究会被淘汰，取而代之的将是类似于厌氧氨氧化这类，低能耗、低成本、高效率的的水处理工艺。

参考文献

[1]何潇, 罗建中, 蔡纵岳. 微污染水源中氨氮的危害与现代处理技术[J]. 工业水处理, 2017, 4: 6-11.

[2]陶美霞, 陈明, 胡兰文等. 生物技术在处理氨氮废水中的研究进展[J]. 现代化工, 2018, 38(12): 24-28.

[3]李晓, 刘碧武, 郭军. 折点加氯法去除生活污水氨氮的实验研究[J]. 能源环境保护, 2019, 5: 32-35.

[4]思宇, 张建民, 张涛. 改性沸石对水中氨氮的去除效果[J]. 西安工程大学学报, 2014, 3: 329-332.

[5]甘怀斌, 胡兆吉, 高涛等. 吹脱法处理高浓度氨氮废水的气液传质特性[J]. 南昌大学学报(工科版), 2019, 3: 215-220.

[6]Du Rui, Cao Shenbin, Li Baikun, et al. Synergy of partial-denitrification and Anammox in continuously fedupflow sludge bed reactor for simultaneous nitrate and ammonia removal at room temperature[J]. Bioresource Technology, 2019, 274: 386-394.

[7]Xie Guojun, Cai Chen, Hu Shihu, et al. Complete nitrogen removal from synthetic anaerobic sludge digestion liquor through integrating anammox and denitrifying anaerobic methane oxidation in a membrane biofilm reactor[J]. Environmental Science＆Technology, 2017, 51(2): 819-827.

[8]李航, 姚潇涵, 张欣等. 厌氧氨氧化工艺的研究与应用进展[J]. 工业水处理, 2021, 2: 15-19.

作者简介：李浩然（1995—），男，工学学士，主要从事一般生物污泥处置与再利用工作。