氨氮废水处理技术研究进展

李 慧

（青岛市城市排水监测站，山东 青岛 266002）

传统的废水处理方法将含氮化合物转化为氮气，进一步增加了氮循环利用的成本。因为氨氮很容易回收利用，减少氨氮进入生态系统的规模，符合循环经济理念。目前，大多数研究针对的是一种氨氮去除方法，较少全面论述物理法、化学法和生物法[1-6]，氨氮废水处理技术的综述比较缺乏。本文从低消耗、低排放、高效处理的循环经济角度，综述了氨氮废水处理技术研究现状，并简要评价其在氨氮回收方面的潜力，展望氨氮废水处理技术的发展前景。

1 氨氮废水的主要来源

氨氮废水的主要来源包括城市污水、工业废水和畜禽废水[7-12]，其成分和浓度因来源不同而不同，如表1所示。城市污水钙含量过高，其通过皂化过程与来自食品加工的游离脂肪酸混合形成沉积物，有机物质的积累堵塞污水输送管道，脂肪酸和硫化物的积累腐蚀管道。生物法是目前主流的废水处理工艺之一，但城市污水C/N 较低，抑制了微生物活性，导致处理能力不足。工业排放的污染物可能含有大量难降解的、成分复杂的有机物，通过抑制微生物活性降低了常规处理效率。养殖业和畜禽屠宰行业产生的畜禽废水具有有机物含量高、氨氮含量高、毒性物质少、可生化性好等特点。该废水磷含量较高，磷酸铵镁沉淀法回收氮磷可能是最好的前处理方法。然而，利用微藻或光合细菌来处理这一废水也是很好的选择，因为收获的微藻和光合细菌可以为农民带来更多的收入[2]。

表1 不同来源氨氮废水的特性

2 氨氮废水处理技术

2.1 物理法

2.1.1 空气吹脱

空气吹脱是一种成本低、操作简便的氨氮废水处理技术。在碱性环境中，水中氨氮平衡倾向于产生更多的氨气而不是铵，氨气是一种水溶性气体，无氨空气进入废水后，整个系统的氨浓度会逐渐达到气液平衡。因此，废水中的氨会被转移到空气中。为改进吹脱技术，目前的研究主要集中在提高单位体积液体传质系数和吹脱效率方面。陈儒佳[3]将微波加热作用于旋转填充床，利用微波的热效应和重力去除氨氮。与传统精馏塔相比，该工艺大大节省了设备体积和吹脱时间。同时，其使用一种创新的喷雾系统，将高氨氮废水喷在循环加热水管上，通过增加氨氮废水与空气的接触面积和废水液滴与管道表面的碰撞来去除氨氮，该方法对氨氮废水的去除率达88.35%。对于氨气浓度较高的吹脱气，目前常用的中和方法是用强酸溶液生成(NH4)2SO4，当(NH4)2SO4浓度大于20%时，经济上适合制备农肥。

2.1.2 离子交换和吸附

离子交换和吸附是去除废水中氨氮的可行方法，高效稳定，成本低。吸附法对高氨氮废水具有良好的去除能力，因此生物处理前应采用离子交换器对氨氮进行预还原。目前主要使用沸石对氨氮进行吸附，其可重复利用率很低。因此，许多研究都在寻找和制备吸附容量大、平衡时间短的吸附材料。

2.2 化学法

2.2.1 磷酸铵镁沉淀法

磷酸铵镁沉淀法是一种氨氮沉淀技术，用于废水中氨和磷的同时回收。氨氮废水可以加入氧化镁或氢氧化镁作为镁盐，它可以不过度增加废水盐度而增加碱度，因为大多数废水含有碱金属离子，其很容易与氨根形成络合物，进一步提高沉淀效率。大多数废水氨氮含量远高于磷酸盐含量，如果额外添加磷酸盐，会增加成本。研究表明，可以先去除废水中大部分氨氮，再沉淀磷酸铵镁[4]。

2.2.2 电化学氧化法

电化学氧化法利用电化学作用处理废水，操作简单，去污能力强，无二次污染。电化学氧化法可以通过阳极直接氧化和生成氧化中间体的间接氧化两种方式来净化废水，这主要受电极材料和溶液性质的影响。研究发现，可将铜电极作为阴极，Ti/IrO2作为阳极，选择性地将溶液中的硝酸盐还原为氮气；以氯离子为中间电子介质的单电池电化学系统可以同时去除废水中的氨氮和硝酸盐，该方法将阴极中的硝酸盐还原，将阳极中的氨氮氧化，最终生成氮气。

2.2.3 光催化法

光催化法是一种快速、环保的非选择性技术，利用半导体材料的光伏效应产生强氧化性的羟基自由基，对污染物进行氧化降解。根据光催化反应机理，氨氮氧化反应只能发生在光伏材料表面，因此其表面积限制氨氮的氧化。光电催化-氯自由基脱氮系统采用类氯法去除氨氮，通过引入氯离子产生氯分子，氯分子可以扩散到整个溶液中，该系统选择性地将氨氮转化为氮气和硝酸盐，提高了氨氮去除率。

2.3 生物法

2.3.1 硝化反硝化

硝化反硝化是一种典型的活性污泥脱氮方法。硝化作用是自养过程，细菌生长的能量来自氮的氧化物。在好氧条件下，氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）将氨转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，然后硝酸盐和亚硝酸盐被反硝化细菌还原为氮气。其中，AOB 和NOB 属于好氧自养型微生物，反硝化细菌属于厌氧微生物。在硝化反硝化过程中，废水经过缺氧池和好氧池处理，实现净化。在缺氧池中，反硝化细菌以有机物为碳源，返回的硝酸盐和亚硝酸盐对电子供体进行反硝化。同时，缺氧池将大分子有机物水解成小分子有机物，提高后期好氧池的生物降解效率。在好氧池中，自养硝化细菌在好氧条件下将氨氮氧化为硝酸盐，实现废水净化中碳、氮、氧的循环。

近年来，为了缩短反应、降低能耗、节约成本和降低污泥产生量，人们以活性污泥法为基础，开发出脱氮新技术[13-15]。一是短程硝化反硝化，它将硝化过程控制在亚硝酸盐生成阶段，以避免对硝酸盐的进一步硝化。与常规硝化反硝化相比，它节省了亚硝酸盐氧化和硝酸盐还原过程，有效缩短反应时间，降低氧和碳电子供体需求，减少二氧化碳排放量和污泥生成。如果不是为了获得硝酸盐，短程硝化反硝化可能是去除废水中氨氮的合适方法。短程硝化反硝化通过控制温度、pH，游离氨、溶解氧、底物浓度和添加抑制剂，抑制NOB 活性和硝酸盐生成。二是厌氧氨氧化。厌氧氨氧化对溶解氧和外部碳源的需求较低，逐渐成为一种节能的脱氮方法。它利用亚硝酸盐作为电子受体将氨氮氧化成氮气。厌氧氨氧化菌是一种自养厌氧菌，对于氨氮高、C/N 低的废水，硝化与厌氧氨氧化联合处理更能节能降耗，达到脱氮目的。

2.3.2 微藻处理

生活污水氮磷含量丰富，极易引起富营养化，但也为微藻提供生长养分。利用微藻去除氨氮废水中的营养物质，可获得具有高蛋白、脂质和天然色素的生物质产品。然而，高氨氮废水会促进细胞内氧化应激，从而降低生物量，甚至导致藻类培养失败。人们可筛选出耐氨藻处理氨氮废水，微藻处理之前，确保处理的废水可以适应微藻生长环境[5]。

3 结论

随着氨氮废水排放标准的逐步提高，氨氮废水处理技术日趋多样化。然而，现有方法仍侧重于去除氨氮，而不是回收利用；许多方法仍处于实验室阶段，这与处理实际废水还有很大距离；现有方法大多缺乏经济分析，氨氮废水处理应符合环境保护和经济发展的需要。当前，要对不同氨氮废水处理方法进行改进或结合，以达到最佳的水质净化和氨氮回收效果。不同类型废水特性不同，需要采用不同的处理方法，因此开发氨氮废水处理的新方法将是未来重要的研究课题。