姚乾秦，屠秉坤，陸海杰，陸宜航

(浙江仁欣環(huán)科院有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315000)

在我國可持續(xù)發(fā)展理念的影響下，生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會協(xié)同發(fā)展已經(jīng)成為我國各行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，生產(chǎn)廢水的有效處理是其實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的有效對策，氨氮廢水是工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排放量相對較大的一種廢水，即使在我國傳統(tǒng)技術(shù)下的氨氮廢水處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但這些技術(shù)在設(shè)備、成本投入、適用范圍方面存在著明顯的不同，再加上企業(yè)的發(fā)展規(guī)模和資金實力差距明顯，使得氨氮廢水的總體處理效率相對較低。氨氮廢水在排放到自然環(huán)境中后，不僅會帶來附近水域的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，同時經(jīng)過各種化學(xué)反應(yīng)生成的有毒有害物質(zhì)也是導(dǎo)致居民身體健康頻繁出現(xiàn)問題的重要原因。在這種情況下，本文針對傳統(tǒng)技術(shù)以及現(xiàn)代技術(shù)下的氨氮廢水處理技術(shù)進(jìn)行了深入地分析，為不同企業(yè)結(jié)合經(jīng)濟(jì)狀況科學(xué)選擇氨氮廢水處理技術(shù)，提高國內(nèi)氨氮廢水處理效率提供參考。

1 氨氮廢水概述

存在于液態(tài)水中的氨、氮，實際上都是以游離氨和銨離子形式存在，氨氮廢水通常是指包括大量的NH3和NH4+的廢水[1]。

氨氮廢水來源于人們的日常生活以及各個工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。人們?nèi)粘Ｉ钜约袄鴿B濾液，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)田生產(chǎn)尾水中都包含了大量的氨氮離子。冶金、化工、化肥以及煉焦等行業(yè)同樣會在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的氨氮廢水。廢水中存在的氨、氮離子是導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化以及各種環(huán)境污染現(xiàn)象的主要因素。在氨氮廢水排放到附近水域之后，很容易引發(fā)水中藻類以及微生物的過量繁殖，使水體出現(xiàn)嚴(yán)重的異味，導(dǎo)致自來水廠的運(yùn)行處理也會相對較為困難。在水體富營養(yǎng)化發(fā)展嚴(yán)重的情況下，水體中的溶解氧含量會大幅度下降，導(dǎo)致原有的水生生物大面積死亡，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的河流干涸、滅亡的現(xiàn)象[2]。

氨氮廢水未經(jīng)處理就排放會使水消毒和工業(yè)循環(huán)水殺菌過程中氯氣用量明顯增大。同時氨氮廢水對部分金屬的腐蝕作用較強(qiáng)。在污水回用過程中，存在于廢水中的氨、氮離子可為輸水管道和用水設(shè)備中的微生物繁殖提供足夠的營養(yǎng)支持，從而形成一定數(shù)量的生物垢，導(dǎo)致管道和用水設(shè)備頻繁出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，換熱效率也會受到明顯影響。

氨氮廢水中的銨離子會在硝化細(xì)菌的影響下，逐漸經(jīng)過氧化反應(yīng)生成亞硝酸鹽和硝酸鹽，硝酸鹽在進(jìn)入飲用水之后容易隨著飲水進(jìn)入幼兒體內(nèi)引發(fā)高鐵血紅蛋白癥。亞硝酸鹽經(jīng)過水溶解后形成的亞硝胺是一種具有強(qiáng)烈致癌性的物質(zhì)，對于人體健康將會產(chǎn)生極大的威脅。

2 傳統(tǒng)的氨氮廢水處理方式

2.1 空氣吹脫法

空氣吹脫法作為一種氨氮廢水處理中的常見技術(shù)，操作相對較為簡單，是在堿性的處理環(huán)境下，將空氣通入氨氮廢水中。在經(jīng)過這種技術(shù)處理之后，氨氮離子會從之前的液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵罱K得到有效去除。這種技術(shù)操作通常會受到環(huán)境pH值的影響，在pH值相對較高的情況下，游離氨的生成速度和數(shù)量會明顯提高，一般而言，在整體環(huán)境pH值維持在11左右的情況下，氨氮廢水中90%左右的銨離子會以NH3形式存在[3]。pH值、溫度對于氨氮廢水中NH4+去除的影響相對較大。在pH值不斷增大的情況下，NH4+的去除效率會明顯增高。在pH值達(dá)到11時，NH4+的去除效率將會達(dá)到93%左右。此外，相關(guān)人員在使用空氣吹脫法處理氨氮廢水的過程中，氨、氮離子的去除效率同樣會受到空氣吹脫裝置的具體類型、水力負(fù)荷、氣液比等多種因素的影響。

空氣吹脫法作為一種氨氮廢水處理中操作相對較為簡單的物理過程，對于高濃度氨水有著較好的處理效果，能量輸入相對較低，并且具備一定范圍的固體濃度容忍度，在工業(yè)廢水和垃圾滲濾液以及厭氧消化物處理中有著十分廣泛的應(yīng)用。相關(guān)專家也在豬糞廢水和消化的牛糞上清液中對空氣吹脫法的處理效果進(jìn)行了研究，其氨、氮離子的去除率能夠達(dá)到90%以上。

2.2 折點氯化法

作為一種應(yīng)用范圍相對較為廣泛的典型化學(xué)脫氮處理工藝，折點氯化法實際上是在氨氮廢水中適量地通入氯氣或者是加入次氯酸鈉，確保廢水中的氨、氮離子能夠經(jīng)過氧化反應(yīng)后形成氮?dú)?。氯氣在通入水后會通過水解反應(yīng)生成次氯酸和次氯酸鹽，氯水中的HOCI和OCI－相對比例通常會受到氨氮廢水pH值的直接影響。折點氯化法不僅能夠作為氨氮廢水的獨(dú)立脫氮工藝使用，同時也能夠在生物脫氮工藝出水的深層處理中發(fā)揮顯著作用。從目前折點氯化這類氨氮廢水處理技術(shù)看來，不僅脫氮反應(yīng)的發(fā)生相對較為迅速，設(shè)備的投入成本也相對較低，并且具備良好的脫氮處理效果。一般而言，經(jīng)過折點氯化法處理的氨氮廢水中的氨、氮離子的質(zhì)量濃度都能夠控制在0.1 mg/L左右[4]。在具體操作過程中，折點氯化法的處理效果同樣會受到廢水預(yù)處理，環(huán)境pH值和氯化反應(yīng)速率等多種因素的影響，需要相關(guān)人員進(jìn)行綜合考慮，并且需要對補(bǔ)充堿度、廢水中總?cè)芙夤腆w量的增加和余氯脫出問題進(jìn)行全面地分析，最終形成較為完善的解決方案。用于氨氮廢水處理的折點氯化技術(shù)對于加氯的數(shù)量要求相對較高，并且在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生帶有明顯毒性的副產(chǎn)物，這也是該項技術(shù)無法進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。同時，折點氯化處理對液氯儲存要求相對較高，意味著這項技術(shù)需要投入較高的運(yùn)營管理成本，目前通常用于流量較大、濃度較高的氨氮廢水處理工作中。

2.3 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法作為氨氮廢水處理的常用化學(xué)方法之一，主要是將一定比例的Mg2+和向廢水中投放，確保能夠與廢水中的離子生成難溶于水的沉淀物，經(jīng)過反應(yīng)、過濾操作后，就可以有效去除水中的氨、氮離子。相關(guān)人員在使用化學(xué)沉淀法處理氨、氮廢水的過程中，需要綜合考慮廢水的pH值、沉淀的時間和物料比等因素產(chǎn)生的影響。目前在氨氮廢水處理工作中，化學(xué)沉淀法的應(yīng)用范圍相對較廣，對于不同濃度的氨氮廢水都有著良好的處理效果，尤其是在高濃度的氨氮廢水處理中，處理效果表現(xiàn)最佳。部分濃度相對較高的氨氮廢水中，氨氮離子含量過高會對微生物產(chǎn)生明顯的損害，所以生物處理法將會受到明顯的限制。在這種情況下，化學(xué)沉淀法能夠發(fā)揮良好的效果?；瘜W(xué)沉淀法不僅處理過程相對較為簡便，并且脫氮效率表現(xiàn)得也較為良好，離子的去除能力能夠達(dá)到96～97 mg/L。經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成之后的沉淀物同樣可以作為肥料生產(chǎn)的基礎(chǔ)材料，但實際上用于化學(xué)沉淀法的各項沉淀試劑的價格相對較為昂貴，因此該項處理方法需要投入較高成本。

2.4 生物脫氯法

隨著我國生物工程技術(shù)的發(fā)展，在氨氮廢水處理中，生物技術(shù)也得到了一定的應(yīng)用。生物脫氮技術(shù)依賴微生物的硝化和反硝化兩相作用，其中的硝化作用主要是借助微生物自由的作用確保氨離子能夠在氧化反應(yīng)的影響下生成亞硝酸鹽和硝酸鹽。反硝化作用則是在微生物的作用下，將硝酸鹽和亞硝酸鹽以及其他類型的氮氧化物還原為氧氣。結(jié)合目前我國氨氮廢水處理中生物脫氮技術(shù)的具體應(yīng)用看，pH值、溫度、污泥齡及碳氮比等都會對最終的脫氮效率產(chǎn)生明顯影響。考慮到硝化細(xì)菌和異養(yǎng)生物相比生長速度相對較慢，在對濃度較高的氨氮廢水進(jìn)行處理時，硝化細(xì)菌無法對活性污泥和生物膜中含有的氧氣進(jìn)行有效競爭，使亞硝酸鹽的氧化作用受到一定的影響。此外，在氨氮廢水中的鹽度超過10 g/L的情況下，對于自養(yǎng)型氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的生長會產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用。

雖然生物脫氮處理方法在經(jīng)濟(jì)性及不會產(chǎn)生二次污染等方面有著明顯的優(yōu)勢，但實際上，微生物是對有毒物質(zhì)和天氣環(huán)境變化有著較高的敏感性，與物理和化學(xué)拓展方法相比，依舊需要較長的停留時間，且空間方面要求較大。在生物脫氮反應(yīng)過程中，因為需要延長曝氣時間，且好氧生物的處理需要規(guī)模較大的生物反應(yīng)容器和足量的氧氣輸入。為了保障微生物能夠全面發(fā)揮脫氮作用，需要提供諸如甲醇一類的有機(jī)碳物質(zhì)，導(dǎo)致總體處理成本明顯增加，并且廢水中的氮離子因為經(jīng)過處理后能夠直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑹o法進(jìn)行二次的回收利用。

2.5 液膜處理法

液膜處理方法已經(jīng)在氨氮廢水的NH3、CO2、SO2等揮發(fā)性物質(zhì)的脫除、回收富集和純化等方面發(fā)揮了重要作用[5]。實際上，液膜處理方法是利用各種疏水質(zhì)的中空纖維微孔膜，將氨氮廢水放置在膜的一側(cè)，并在其另一側(cè)放置一定數(shù)量的酸堿度合理的吸收液。膜上分布的疏水微孔結(jié)構(gòu)會在兩種液體之間提供極薄的起氣膜結(jié)構(gòu)，使氨氮廢水中含有的NH3可以通過濃度邊界逐漸擴(kuò)散到疏水微孔膜的表面，隨后在疏水膜兩側(cè)壓差的推動下，在廢水和微孔膜的界面處汽化進(jìn)入膜孔中，隨后擴(kuò)散進(jìn)入吸收液中形成一種發(fā)生極快的不可逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)，有效去除廢水中的氨、氮離子。

液膜法在氨氮廢水處理中有著表面及傳質(zhì)推動力、操作性等方面的優(yōu)勢，對含鹽量較高、油污含量較低的高濃度氨氮廢水中具有良好的處理效果。在氨氮離子和鹽類物質(zhì)含量較高的情況下，液膜處理方法能夠?qū)λ臐B透蒸餾通量有效抑制，進(jìn)一步削弱吸收液的稀釋作用。如果廢水中的油性污染物含量較高，則會出現(xiàn)膜的污染現(xiàn)象，導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)無法完全恢復(fù)。正是因為氨氮廢水的組成性質(zhì)相對較為復(fù)雜，膜的生產(chǎn)材料更新?lián)Q代速度相對較快，導(dǎo)致液膜處理方法在氨氮廢水處理的工業(yè)化發(fā)展過程中，速度相對較慢，但具有良好的應(yīng)用前景。

3 現(xiàn)代技術(shù)下的氨氮廢水處理技術(shù)分析

3.1 微波處理法

用于氨氮廢水處理中的微波加熱處理方法，是以微波的內(nèi)加熱和選擇性的特性為出發(fā)點，保障廢水中含有的各種污染物能夠優(yōu)先被吸附到吸波材料上，隨后將吸波材料放置到微波輻射場，保障材料吸附的污染物能夠得到全面脫除，最終將廢水中的氨氮離子全面去除。目前相關(guān)專家學(xué)者對于微波輔助活性炭去除氨、氮離子進(jìn)行了試驗研究，相關(guān)結(jié)果表明微波和活性炭在氨氮廢水處理中的應(yīng)用，銨離子的處理量能夠達(dá)到82.7%，相較于單獨(dú)的微波處理效果提高了大約10%。即使微波的內(nèi)加熱方法能夠進(jìn)一步提高銨離子的去除效率，但是微波處理方法卻需要提供專門的微波設(shè)備，并且單次的氨氮廢水處理量相對較小，在低濃度氨的廢水處理中具有一定的應(yīng)用前景。

3.2 光催化處理法

自1972年之后，《自然》雜志上Fujishima等人首次發(fā)表了二氧化鈦在經(jīng)過光催化之后，能夠?qū)⑺纸鉃闅錃夂脱鯕獾募夹g(shù)之后，人們對于光催化技術(shù)的研究便進(jìn)入白熱化階段，并且該項技術(shù)已經(jīng)在空氣和水處理中得到了廣泛應(yīng)用[6]。結(jié)合目前的相關(guān)研究結(jié)果看，二氧化鈦在經(jīng)過光催化降解之后所形成的自由基和超氧離子具較強(qiáng)的光催化能力，在處理氨氮廢水過程中，能夠?qū)︿@離子和氮離子進(jìn)行氧化、還原，最終得到?jīng)]有任何環(huán)境污染的氮?dú)夂退?。但實際上，用于氨氮廢水處理的光催化技術(shù)，整個反應(yīng)過程并未完全梳理清楚，依舊需要專家學(xué)者不斷地進(jìn)行研究。我國云南大學(xué)工業(yè)廢水光催化處理工程技術(shù)研究中心結(jié)合當(dāng)下光催化技術(shù)的發(fā)展成果開發(fā)了光催化處理有色金屬氨氮廢水的裝置，當(dāng)氨氮含量維持在400～800 mg/L的氨氮廢水經(jīng)過處理后，氨氮的含量下降到20 mg/L，整體脫出率維持在90%～99%之間。這一發(fā)明也直接證明了光催化技術(shù)具有明顯的環(huán)境污染治理且不會產(chǎn)生二次污染物的優(yōu)勢，并有效解決了低濃度氨氮廢水處理工藝能耗較大、成本投入較高的問題。

3.3 超聲波處理技術(shù)

在氨氮廢水處理工作中，超聲波處理技術(shù)主要是利用其原有的空化作用，確保超聲波能夠在與水體接觸的一瞬間產(chǎn)生大量氣泡，促使各種污染物能夠進(jìn)入到氣泡內(nèi)部，并在高溫高壓的環(huán)境條件下，直接進(jìn)行熱解降解處理。同時超聲波原有的機(jī)械效應(yīng)能夠?qū)ξ絼┍砻孢M(jìn)行改性處理，使氨氮離子的去除效果能夠進(jìn)一步提高。我國專家學(xué)者利用超聲波對粉煤灰進(jìn)行改性處理，并且在100 mg/L的氨氮廢水處理中進(jìn)行試驗，結(jié)果證明氨氮離子的去除率達(dá)到了81.9%，相較于改性之前提高了約34%[7]。部分專家學(xué)者對于沸石進(jìn)行改性處理之后，同樣在氨氮廢水處理過程中進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)沸石在多種因素綜合影響下，氨氮離子的去除效率基本保持不變，但在經(jīng)過超聲波改性處理后，其去除效率得到了明顯強(qiáng)化。因此，超聲波在氨氮廢水處理中的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步縮短氨氮廢水中氨氮離子的反應(yīng)時間，具備良好的去除效果，但與微波法一樣，有著設(shè)備和使用環(huán)境方面的局限，作用范圍相對較小。

3.4 生物膜電極處理技術(shù)

在低濃度硝酸鹽氮污染的地下水和飲用水處理中，生物膜電極處理技術(shù)具備良好的作用，這種方法能夠在電極表面固定微生物，從而形成較為完善的生物膜，并在電極間施加處于微生物耐受范圍的電流，在微生物的新陳代謝以及電場氧化雙重因素的影響下，對氨氮廢水進(jìn)行處理。結(jié)合目前我國生物膜電極法的發(fā)展和應(yīng)用實踐看，在電流強(qiáng)度不斷增大的情況下，生物膜電極反應(yīng)器對于氨氮廢水中的氨、氮離子的去除率呈現(xiàn)出一種先上升后下降的趨勢，因而要求相關(guān)人員結(jié)合氨氮廢水的具體含量以及生物膜電極法的電流通電范圍確定合理的電流數(shù)量，保障生物膜電極法具備最佳的處理效果。微電解技術(shù)同樣可以在生物濾床上進(jìn)行應(yīng)用，通過電流調(diào)節(jié)于供氧量、供氫量進(jìn)行管控，并確定恰當(dāng)?shù)乃νＡ魰r間，確保微生物能夠有效地進(jìn)行硝化和反硝化，進(jìn)一步提高生物膜電極法的氨氮廢水處理效果。

4 總結(jié)

總之，氨氮廢水作為引起水體環(huán)境污染問題和威脅人們身體健康的重要廢水類型，在我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，需要選用不同技術(shù)對于氨氮廢水有效進(jìn)行處理。用于氨氮廢水處理的傳統(tǒng)技術(shù)在使用范圍、成本投入等方面都具有明顯的劣勢，而超聲波、微波這類新型的氨氮廢水處理技術(shù)，因為本身限制相對較多，目前無法進(jìn)行大規(guī)模普及和應(yīng)用。專家學(xué)者需要在不斷改良傳統(tǒng)氨氮廢水處理技術(shù)的前提下，不斷優(yōu)化全新的氨氮處理廢水技術(shù)在設(shè)備和使用范圍等方面的限制，進(jìn)一步拓寬氨氮廢水技術(shù)的處理渠道，提高氨氮廢水的處理效率。