氨氮废水的处理方法研究

姚乾秦，屠秉坤，陆海杰，陆宜航

(浙江仁欣环科院有限责任公司，浙江 宁波 315000)

在我国可持续发展理念的影响下，生态保护和经济社会协同发展已经成为我国各行业发展的重要目标。对于工农业生产而言，生产废水的有效处理是其实现生态环境保护目标的有效对策，氨氮废水是工业和农业生产中排放量相对较大的一种废水，即使在我国传统技术下的氨氮废水处理技术得到了广泛应用，但这些技术在设备、成本投入、适用范围方面存在着明显的不同，再加上企业的发展规模和资金实力差距明显，使得氨氮废水的总体处理效率相对较低。氨氮废水在排放到自然环境中后，不仅会带来附近水域的富营养化现象，同时经过各种化学反应生成的有毒有害物质也是导致居民身体健康频繁出现问题的重要原因。在这种情况下，本文针对传统技术以及现代技术下的氨氮废水处理技术进行了深入地分析，为不同企业结合经济状况科学选择氨氮废水处理技术，提高国内氨氮废水处理效率提供参考。

1 氨氮废水概述

存在于液态水中的氨、氮，实际上都是以游离氨和铵离子形式存在，氨氮废水通常是指包括大量的NH3和NH4+的废水[1]。

氨氮废水来源于人们的日常生活以及各个工业生产环节。人们日常生活以及垃圾渗滤液，农业生产畜禽养殖以及农田生产尾水中都包含了大量的氨氮离子。冶金、化工、化肥以及炼焦等行业同样会在生产过程中产生大量的氨氮废水。废水中存在的氨、氮离子是导致水体出现富营养化以及各种环境污染现象的主要因素。在氨氮废水排放到附近水域之后，很容易引发水中藻类以及微生物的过量繁殖，使水体出现严重的异味，导致自来水厂的运行处理也会相对较为困难。在水体富营养化发展严重的情况下，水体中的溶解氧含量会大幅度下降，导致原有的水生生物大面积死亡，甚至会出现严重的河流干涸、灭亡的现象[2]。

氨氮废水未经处理就排放会使水消毒和工业循环水杀菌过程中氯气用量明显增大。同时氨氮废水对部分金属的腐蚀作用较强。在污水回用过程中，存在于废水中的氨、氮离子可为输水管道和用水设备中的微生物繁殖提供足够的营养支持，从而形成一定数量的生物垢，导致管道和用水设备频繁出现堵塞现象，换热效率也会受到明显影响。

氨氮废水中的铵离子会在硝化细菌的影响下，逐渐经过氧化反应生成亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐在进入饮用水之后容易随着饮水进入幼儿体内引发高铁血红蛋白症。亚硝酸盐经过水溶解后形成的亚硝胺是一种具有强烈致癌性的物质，对于人体健康将会产生极大的威胁。

2 传统的氨氮废水处理方式

2.1 空气吹脱法

空气吹脱法作为一种氨氮废水处理中的常见技术，操作相对较为简单，是在碱性的处理环境下，将空气通入氨氮废水中。在经过这种技术处理之后，氨氮离子会从之前的液相转变为气相，最终得到有效去除。这种技术操作通常会受到环境pH值的影响，在pH值相对较高的情况下，游离氨的生成速度和数量会明显提高，一般而言，在整体环境pH值维持在11左右的情况下，氨氮废水中90%左右的铵离子会以NH3形式存在[3]。pH值、温度对于氨氮废水中NH4+去除的影响相对较大。在pH值不断增大的情况下，NH4+的去除效率会明显增高。在pH值达到11时，NH4+的去除效率将会达到93%左右。此外，相关人员在使用空气吹脱法处理氨氮废水的过程中，氨、氮离子的去除效率同样会受到空气吹脱装置的具体类型、水力负荷、气液比等多种因素的影响。

空气吹脱法作为一种氨氮废水处理中操作相对较为简单的物理过程，对于高浓度氨水有着较好的处理效果，能量输入相对较低，并且具备一定范围的固体浓度容忍度，在工业废水和垃圾渗滤液以及厌氧消化物处理中有着十分广泛的应用。相关专家也在猪粪废水和消化的牛粪上清液中对空气吹脱法的处理效果进行了研究，其氨、氮离子的去除率能够达到90%以上。

2.2 折点氯化法

作为一种应用范围相对较为广泛的典型化学脱氮处理工艺，折点氯化法实际上是在氨氮废水中适量地通入氯气或者是加入次氯酸钠，确保废水中的氨、氮离子能够经过氧化反应后形成氮气。氯气在通入水后会通过水解反应生成次氯酸和次氯酸盐，氯水中的HOCI和OCI－相对比例通常会受到氨氮废水pH值的直接影响。折点氯化法不仅能够作为氨氮废水的独立脱氮工艺使用，同时也能够在生物脱氮工艺出水的深层处理中发挥显著作用。从目前折点氯化这类氨氮废水处理技术看来，不仅脱氮反应的发生相对较为迅速，设备的投入成本也相对较低，并且具备良好的脱氮处理效果。一般而言，经过折点氯化法处理的氨氮废水中的氨、氮离子的质量浓度都能够控制在0.1 mg/L左右[4]。在具体操作过程中，折点氯化法的处理效果同样会受到废水预处理，环境pH值和氯化反应速率等多种因素的影响，需要相关人员进行综合考虑，并且需要对补充碱度、废水中总溶解固体量的增加和余氯脱出问题进行全面地分析，最终形成较为完善的解决方案。用于氨氮废水处理的折点氯化技术对于加氯的数量要求相对较高，并且在反应过程中会产生带有明显毒性的副产物，这也是该项技术无法进行大规模应用的主要原因。同时，折点氯化处理对液氯储存要求相对较高，意味着这项技术需要投入较高的运营管理成本，目前通常用于流量较大、浓度较高的氨氮废水处理工作中。

2.3 化学沉淀法

化学沉淀法作为氨氮废水处理的常用化学方法之一，主要是将一定比例的Mg2+和向废水中投放，确保能够与废水中的离子生成难溶于水的沉淀物，经过反应、过滤操作后，就可以有效去除水中的氨、氮离子。相关人员在使用化学沉淀法处理氨、氮废水的过程中，需要综合考虑废水的pH值、沉淀的时间和物料比等因素产生的影响。目前在氨氮废水处理工作中，化学沉淀法的应用范围相对较广，对于不同浓度的氨氮废水都有着良好的处理效果，尤其是在高浓度的氨氮废水处理中，处理效果表现最佳。部分浓度相对较高的氨氮废水中，氨氮离子含量过高会对微生物产生明显的损害，所以生物处理法将会受到明显的限制。在这种情况下，化学沉淀法能够发挥良好的效果。化学沉淀法不仅处理过程相对较为简便，并且脱氮效率表现得也较为良好，离子的去除能力能够达到96～97 mg/L。经过化学反应生成之后的沉淀物同样可以作为肥料生产的基础材料，但实际上用于化学沉淀法的各项沉淀试剂的价格相对较为昂贵，因此该项处理方法需要投入较高成本。

2.4 生物脱氯法

随着我国生物工程技术的发展，在氨氮废水处理中，生物技术也得到了一定的应用。生物脱氮技术依赖微生物的硝化和反硝化两相作用，其中的硝化作用主要是借助微生物自由的作用确保氨离子能够在氧化反应的影响下生成亚硝酸盐和硝酸盐。反硝化作用则是在微生物的作用下，将硝酸盐和亚硝酸盐以及其他类型的氮氧化物还原为氧气。结合目前我国氨氮废水处理中生物脱氮技术的具体应用看，pH值、温度、污泥龄及碳氮比等都会对最终的脱氮效率产生明显影响。考虑到硝化细菌和异养生物相比生长速度相对较慢，在对浓度较高的氨氮废水进行处理时，硝化细菌无法对活性污泥和生物膜中含有的氧气进行有效竞争，使亚硝酸盐的氧化作用受到一定的影响。此外，在氨氮废水中的盐度超过10 g/L的情况下，对于自养型氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的生长会产生严重的抑制作用。

虽然生物脱氮处理方法在经济性及不会产生二次污染等方面有着明显的优势，但实际上，微生物是对有毒物质和天气环境变化有着较高的敏感性，与物理和化学拓展方法相比，依旧需要较长的停留时间，且空间方面要求较大。在生物脱氮反应过程中，因为需要延长曝气时间，且好氧生物的处理需要规模较大的生物反应容器和足量的氧气输入。为了保障微生物能够全面发挥脱氮作用，需要提供诸如甲醇一类的有机碳物质，导致总体处理成本明显增加，并且废水中的氮离子因为经过处理后能够直接转化为氮气，无法进行二次的回收利用。

2.5 液膜处理法

液膜处理方法已经在氨氮废水的NH3、CO2、SO2等挥发性物质的脱除、回收富集和纯化等方面发挥了重要作用[5]。实际上，液膜处理方法是利用各种疏水质的中空纤维微孔膜，将氨氮废水放置在膜的一侧，并在其另一侧放置一定数量的酸碱度合理的吸收液。膜上分布的疏水微孔结构会在两种液体之间提供极薄的起气膜结构，使氨氮废水中含有的NH3可以通过浓度边界逐渐扩散到疏水微孔膜的表面，随后在疏水膜两侧压差的推动下，在废水和微孔膜的界面处汽化进入膜孔中，随后扩散进入吸收液中形成一种发生极快的不可逆转的反应，有效去除废水中的氨、氮离子。

液膜法在氨氮废水处理中有着表面及传质推动力、操作性等方面的优势，对含盐量较高、油污含量较低的高浓度氨氮废水中具有良好的处理效果。在氨氮离子和盐类物质含量较高的情况下，液膜处理方法能够对水的渗透蒸馏通量有效抑制，进一步削弱吸收液的稀释作用。如果废水中的油性污染物含量较高，则会出现膜的污染现象，导致传质系数无法完全恢复。正是因为氨氮废水的组成性质相对较为复杂，膜的生产材料更新换代速度相对较快，导致液膜处理方法在氨氮废水处理的工业化发展过程中，速度相对较慢，但具有良好的应用前景。

3 现代技术下的氨氮废水处理技术分析

3.1 微波处理法

用于氨氮废水处理中的微波加热处理方法，是以微波的内加热和选择性的特性为出发点，保障废水中含有的各种污染物能够优先被吸附到吸波材料上，随后将吸波材料放置到微波辐射场，保障材料吸附的污染物能够得到全面脱除，最终将废水中的氨氮离子全面去除。目前相关专家学者对于微波辅助活性炭去除氨、氮离子进行了试验研究，相关结果表明微波和活性炭在氨氮废水处理中的应用，铵离子的处理量能够达到82.7%，相较于单独的微波处理效果提高了大约10%。即使微波的内加热方法能够进一步提高铵离子的去除效率，但是微波处理方法却需要提供专门的微波设备，并且单次的氨氮废水处理量相对较小，在低浓度氨的废水处理中具有一定的应用前景。

3.2 光催化处理法

自1972年之后，《自然》杂志上Fujishima等人首次发表了二氧化钛在经过光催化之后，能够将水分解为氢气和氧气的技术之后，人们对于光催化技术的研究便进入白热化阶段，并且该项技术已经在空气和水处理中得到了广泛应用[6]。结合目前的相关研究结果看，二氧化钛在经过光催化降解之后所形成的自由基和超氧离子具较强的光催化能力，在处理氨氮废水过程中，能够对铵离子和氮离子进行氧化、还原，最终得到没有任何环境污染的氮气和水。但实际上，用于氨氮废水处理的光催化技术，整个反应过程并未完全梳理清楚，依旧需要专家学者不断地进行研究。我国云南大学工业废水光催化处理工程技术研究中心结合当下光催化技术的发展成果开发了光催化处理有色金属氨氮废水的装置，当氨氮含量维持在400～800 mg/L的氨氮废水经过处理后，氨氮的含量下降到20 mg/L，整体脱出率维持在90%～99%之间。这一发明也直接证明了光催化技术具有明显的环境污染治理且不会产生二次污染物的优势，并有效解决了低浓度氨氮废水处理工艺能耗较大、成本投入较高的问题。

3.3 超声波处理技术

在氨氮废水处理工作中，超声波处理技术主要是利用其原有的空化作用，确保超声波能够在与水体接触的一瞬间产生大量气泡，促使各种污染物能够进入到气泡内部，并在高温高压的环境条件下，直接进行热解降解处理。同时超声波原有的机械效应能够对吸附剂表面进行改性处理，使氨氮离子的去除效果能够进一步提高。我国专家学者利用超声波对粉煤灰进行改性处理，并且在100 mg/L的氨氮废水处理中进行试验，结果证明氨氮离子的去除率达到了81.9%，相较于改性之前提高了约34%[7]。部分专家学者对于沸石进行改性处理之后，同样在氨氮废水处理过程中进行实验，发现沸石在多种因素综合影响下，氨氮离子的去除效率基本保持不变，但在经过超声波改性处理后，其去除效率得到了明显强化。因此，超声波在氨氮废水处理中的应用，能够进一步缩短氨氮废水中氨氮离子的反应时间，具备良好的去除效果，但与微波法一样，有着设备和使用环境方面的局限，作用范围相对较小。

3.4 生物膜电极处理技术

在低浓度硝酸盐氮污染的地下水和饮用水处理中，生物膜电极处理技术具备良好的作用，这种方法能够在电极表面固定微生物，从而形成较为完善的生物膜，并在电极间施加处于微生物耐受范围的电流，在微生物的新陈代谢以及电场氧化双重因素的影响下，对氨氮废水进行处理。结合目前我国生物膜电极法的发展和应用实践看，在电流强度不断增大的情况下，生物膜电极反应器对于氨氮废水中的氨、氮离子的去除率呈现出一种先上升后下降的趋势，因而要求相关人员结合氨氮废水的具体含量以及生物膜电极法的电流通电范围确定合理的电流数量，保障生物膜电极法具备最佳的处理效果。微电解技术同样可以在生物滤床上进行应用，通过电流调节于供氧量、供氢量进行管控，并确定恰当的水力停留时间，确保微生物能够有效地进行硝化和反硝化，进一步提高生物膜电极法的氨氮废水处理效果。

4 总结

总之，氨氮废水作为引起水体环境污染问题和威胁人们身体健康的重要废水类型，在我国环保产业持续发展的背景下，需要选用不同技术对于氨氮废水有效进行处理。用于氨氮废水处理的传统技术在使用范围、成本投入等方面都具有明显的劣势，而超声波、微波这类新型的氨氮废水处理技术，因为本身限制相对较多，目前无法进行大规模普及和应用。专家学者需要在不断改良传统氨氮废水处理技术的前提下，不断优化全新的氨氮处理废水技术在设备和使用范围等方面的限制，进一步拓宽氨氮废水技术的处理渠道，提高氨氮废水的处理效率。