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【干貨】水中氨氮的分類及去除方法!

來源:科柏盛環保     發布時間:2022-08-18

       水體中的氮元素由于是造成富營養化的元兇,往往是水污染控制行業的科研和工程技術的關注重點,其重要性甚至不亞于有機污染物。本文梳理了水體中氮元素中的常見存在形態以及各自的概念和測試方法。

       一、氮元素的關系

       進入水體中的氮主要有無機氮和有機氮之分。無機氮包括氨態氮(簡稱氨氮)和硝態氮。
氨氮包括游離氨態氮NH3-N和銨鹽態氮NH4+-N;
硝態氮包括硝酸鹽氮NO3--N和亞硝酸鹽氮NO2--N;
有機氮主要有尿素、氨基酸、蛋白質、核酸、尿酸、脂肪胺、有機堿、氨基糖等含氮有機物;
可溶性有機氮主要以尿素和蛋白質形式存在,它可以通過氨化等作用轉換為氨氮;
凱氏氮包括有機氮與氨氮,不包括硝態氮。

       二、各類氮的成分分析

       目前,國標針對水質中氮的分析主要分總氮、氨氮、硝態氮、凱氏氮4個方面。

       1、總氮

       總氮是指可溶性及懸浮顆粒中的含氮量(通常測定硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態氨幾大部分有機含氮化合物中氮的總和)。可溶性總氮是指水中可溶性及含可過濾性固體(小于0.45μm顆粒物)的含氮量。總氮是衡量水質的重要指標之一。

       總氮的測定方法,一是采用分別測定有機氮和無機氮化合物(氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮)后加和的辦法。二是以過硫酸鉀氧化,使有機氮和無機氮轉變為硝酸鹽后,通過離子選擇電極法對溶液中的硝酸根離子進行測量,也可以用紫外法或還原為亞硝酸鹽后,用偶氮比色法,以及離子色譜法進行測定。

       2、凱氏氮

       凱氏氮是以凱氏法測得的的含氮量。它包括氨氮和在此條件下能被轉化為銨鹽而測定的有機氮化合物。此類有機氮主要指蛋白質、胨、氨基酸、核酸、尿素以及大量合成的,氮為負三價的有機氮化合物。不包括疊氮化合物、聯氮、偶氮、腙、硝酸鹽、腈、硝基、亞硝基、肟和半卡巴腙類含氮化合物。由于水中一般存在的有機化合物多為前者,因此,在測定凱氏氮和氨氮后,其差值即稱之為有機氮。

       測定原理是加入硫酸加熱消解,使有機物中的胺基以及游離氨和銨鹽均轉變為硫酸氫銨,消解后的液體,使呈堿性蒸餾出氨,吸收于硼酸溶液,然后以滴定法或光度法測定氨含量。測定凱氏氮或有機氮,主要是為了了解水體受污染狀況,尤其在評價湖泊和水庫的富營養化時,是個有意義的指標。

       3、氨氮

       氨氮是指游離氨(或稱非離子氨,NH3)或離子氨(NH4+)形態存在的氨。pH較高,游離氨的比例較高;反之,銨鹽的比例高。氨氮是水體中的營養素,可導致水富營養化現象產生,是水體中的主要耗氧污染物,對魚類及某些水生生物有毒害。

       氨氮對水生物起危害作用的主要是游離氨,其毒性比銨鹽大幾十倍,并隨堿性的增強而增大。氨氮毒性與池水的pH值及水溫有密切關系,一般情況,pH值及水溫愈高,毒性愈強。

       常用來測定氨的兩個近似靈敏度的比色方法是經典的納氏試劑法和苯酚-次氯酸鹽法;滴定法和電極法也常用來測定氨;當氨氮含量高時,也可采用蒸餾-滴定法。(國標有納氏試劑法、水楊酸分光光度法、蒸餾-滴定法)

       4、硝態氮

       (1)硝酸鹽

       水中硝酸鹽是在有氧條件下,各種形態含氮化合物中最穩定的氮化合物,通常用以表示含氮有機物無機化作用最終階段的分解產物。當水樣中僅含有硝酸鹽而不存在其他有機或無機的氮化合物時,認為有機氮化合物分解完全。如果水中含有較多量的硝酸鹽同時含有其他含氮化合物時,則表示有污染物已經進入水系,水的“自凈”作用尚在進行。

       硝酸鹽氮的測定方法有離子選擇電極法、酚二磺酸分光光度法、鎘柱還原法、紫外分光光度法、戴氏合金換元法、離子色譜法、紫外法。

       其中電極法測量方便,范圍寬,而且價格便宜,對水樣要求較低;酚二磺酸分光光度法測量范圍寬,顯色穩定;鎘柱還原法適用于水中低含量硝酸鹽測定;戴氏合金換元法適用于污染嚴重并帶深色水樣;離子色譜法需要專用儀器,但可與其他陰離子聯合測定。

       (2)亞硝酸鹽

       亞硝酸鹽是氮循環的中間產物。亞硝態氮不穩定,可以氧化成硝酸鹽氮,也可以還原成氨氮。因此,在測定其含量的同時,并了解水中硝酸鹽和氨的含量,則可以判斷水系被含氮化合物污染的程度及自凈情況。
水中亞硝酸鹽的測定方法通常采用重氮-偶聯反應,使生成紅紫色染料。該方法靈敏度高、檢出限低、選擇性強。重氮試劑選用對氨基苯磺酰胺和對氨基苯磺酸,偶聯試劑為N-(1-萘基)-乙二胺和α-萘胺(有毒),N-(1-萘基)-乙二胺用得較多。

       亞硝酸鹽氮的測定方法有N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、萃取分光光度法、離子色譜法、氣相色譜法等。(國標采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、氣相色譜法等)

       三、各類氮的去除

       在污水處理中氮的主要形態是氨氮,但是還有一些非生活污水中,含有有機氮或者硝態氮,這些氮構成了我們說的各類的不同形態的氮,我們遇到這類的氮一般是有機氮通過水解酸化轉化成氨氮,然后硝化成硝態氮;硝態氮利用反硝化來去除,歸根結底,總氮、氨氮、硝態氮、凱氏氮的去除最終還是轉化成硝化與反硝化的氮的去除,其實也就是氨氮與硝態氮的去除!目前常見的氮的去除技術有以下:

       1、化學沉淀法

       化學沉淀法又稱為MAP沉淀法,是通過向含有氨氮的廢水中投加鎂化物和磷酸或磷酸氫鹽,使廢水中的NH4﹢與Mg2﹢、PO43﹣在水溶液中反應生成磷酸銨鎂沉淀,分子式為MgNH4P04.6H20,從而達到去除氨氮的目的。反應方程式如下:
Mg2﹢+NH4﹢+PO43﹣=MgNH4P04

       2、吹脫法

       吹脫法去除氨氮是通過調整pH值至堿性,使廢水中的氨離子向氨轉化,使其主要以游離氨形態存在,再通過載氣將游離氨從廢水中帶出,從而達到去除氨氮的目的。影響吹脫效率的因素主要有pH值、溫度、氣液比、氣體流速、初始濃度等。目前,吹脫法在高濃度氨氮廢水處理中的應用較多。

       3、折點氯化法

       折點氯化法除氨的機理為氯氣與氨反應生成無害的氮氣,N2逸人大氣,使反應源不斷向右進行。其反應式為:NH4﹢+1.5HOCl→0.5N2+1.5H20+2.5H﹢+1.5Cl﹣
       當將氯氣通人廢水中達到某一點時,水中游離氯含量較低,而氨的濃度降為零;氯氣通人量超過該點時,水中游離氯的量就會增加,因此,稱該點為折點,該狀態下的氯化稱為折點氯化。

       4、催化氧化法

       催化氧化法是通過催化劑作用,在一定溫度、壓力下,經空氣氧化,可使污水中的有機物和氨分別氧化分解成CO2、N2和H2O等無害物質,達到凈化的目的。

       催化氧化法具有凈化效率高、流程簡單、占地面積少等優點,多用于處理高濃度氨氮廢水。應用難點在于如何防止催化劑流失以及對設備的腐蝕防護。

       5、電化學氧化法

       電化學氧化法是指利用具有催化活性的電極氧化去除水中污染物的方法。影響因素有電流密度、進水流量、出水放置時間和點解時間等。

       研究含氨氮廢水在循環流動式電解槽中的電化學氧化,其中陽極為Ti/Ru02-TiO2-Ir02-SnO2網狀電極,陰極為網狀鈦電極。結果表明,在氯離子濃度為400mg/L,初始氨氮濃度為40mg/L,進水流量為600mL/min,電流密度為20mA/cm2,電解時間為90min時,氨氮去除率為99.37%。表明電解氧化含氨氮廢水具有較好的應用前景。

       6、全程硝化反硝化

       全程硝化反硝化是目前應用最廣時間最久的一種生物法,是在各種微生物作用下,經過硝化、反硝化等一系列反應將廢水中的氨氮轉化為氮氣,從而達到廢水治理的目的。全程硝化反硝化法去除氨氮需要經過兩個階段:

       硝化反應:硝化反應由好氧自養型微生物完成,在有氧狀態下,利用無機氮為氮源將NH4+化成NO2-,然后再氧化成NO3-的過程。硝化過程可以分成兩個階段。第一階段是由亞硝化菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽(NO2-),第二階段由硝化菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽(NO3-)。

       反硝化反應:反硝化反應是在缺氧狀態下,反硝化菌將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態氮(N2)的過程。反硝化菌為異養型微生物,多屬于兼性細菌,在缺氧狀態時,利用硝酸鹽中的氧作為電子受體,以有機物(污水中的BOD成分)作為電子供體,提供能量并被氧化穩定。

       全程硝化反硝化工程應用中主要有AO、A2O、氧化溝等,是生物脫氮工業中應用較為成熟的方法。

       7、同步硝化反硝化(SND)

       當硝化與反硝化在同一個反應器中同時進行時,稱為同時消化反硝化(SND)。廢水中的溶解氧受擴散速度限制在微生物絮體或者生物膜上的微環境區域產生溶解氧梯度,使微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧梯度,利于好氧硝化菌和氨化菌的生長繁殖,越深入絮體或膜內部,溶解氧濃度越低,產生缺氧區,反硝化菌占優勢,從而形成同時消化反硝化過程。影響同時消化反硝化的因素有PH值、溫度、堿度、有機碳源、溶解氧及污泥齡等。

       8、短程消化反硝化

       短程硝化反硝化是在同一個反應器中,先在有氧的條件下,利用氨氧化細菌將氨氧化成亞硝酸鹽,然后在缺氧的條件下,以有機物或外加碳源作電子供體,將亞硝酸鹽直接進行反硝化生成氮氣。

       短程硝化反硝化過程不經歷硝酸鹽階段,節約生物脫氮所需碳源。對于低C/N比的氨氮廢水具有一定的優勢。短程硝化反硝化具有污泥量少,反應時間短,節約反應器體積等優點。但短程硝化反硝化要求穩定、持久的亞硝酸鹽積累,因此如何有效抑制硝化菌的活性成為關鍵。

       9、厭氧氨氧化

       厭氧氨氧化是在缺氧條件下,以亞硝態氮或硝態氮為電子受體,利用自養菌將氨氮直接氧化為氮氣的過程。

       與傳統生物法相比,厭氧氨氧化無需外加碳源,需氧量低,無需試劑進行中和,污泥產量少,是較經濟的生物脫氮技術。厭氧氨氧化的缺點是反應速度較慢,所需反應器容積較大,且碳源對厭氧氨氧化不利,對于解決可生化性差的氨氮廢水具有現實意義。

       10、膜分離法

       膜分離法是利用膜的選擇透過性對液體中的成分進行選擇性分離,從而達到氨氮脫除的目的。包括反滲透、納濾、脫氨膜及電滲析等。

       脫氨膜系統一般用于高氨氮廢水處理中,氨氮在水中存在以下平衡:NH4- +OH-= NH3+H2O運行中,含氨氮廢水流動在膜組件的殼程,酸吸收液流動在膜組件的管程。廢水中PH提高或者溫度上升時,上述平衡將會向右移動,銨根離子NH4-變成游離的氣態NH3。這時氣態NH3可以透過中空纖維表面的微孔從殼程中的廢水相進入管程的酸吸收液相,被酸液吸收立刻又變成離子態的NH4-。保持廢水的PH在10以上,并且溫度在35℃以上(50 ℃ 以下),這樣廢水相中的NH4就會源源不斷地變成NH3向吸收液相遷移。從而廢水側的氨氮濃度不斷下降;而酸吸收液相由于只有酸和NH4-,所以形成的是非常純凈的銨鹽,并且在不斷地循環后達到一定的濃度,可以被回收利用。而該技術的使用一方面可以大大的提升廢水中氨氮的去除率,另一方面可以降低廢水處理系統的運營總成本。

       11、電滲析法

       電滲析法是利用施加在陰陽膜對之間的電壓去除水溶液中溶解的固體。氨氮廢水中的氨離子及其它離子在電壓的作用下,通過膜在含氨的濃水中富集,從而達到去除的目的。

       采用電滲析法處理高濃度氨氮無機廢水取得較好效果。對濃度為2000--3000mg/L氨氮廢水,氨氮去除率可在85%以上,同時可獲得8.9%的濃氨水。電滲析法運行過程中消耗的電量與廢水中氨氮的量成正比。電滲析法處理廢水不受pH值、溫度、壓力限制,操作簡便。

       膜分離法的優點是氨氮回收率高,操作簡便,處理效果穩定,無二次污染等。但在處理高濃度氨氮廢水時,除了脫氨膜外其他的的膜易結垢堵塞,再生、反洗頻繁,增加處理成本,故該法較適用于經過預處理的或中低濃度的氨氮廢水。

       12、離子交換法

       離子交換法是通過對氨離子具有很強選擇吸附作用的材料去除廢水中氨氮的方法。常用的吸附材料有活性炭、沸石、蒙脫石及交換樹脂等。沸石是一種三維空間結構的硅鋁酸鹽,有規則的孔道結構和空穴,其中斜發沸石對氨離子有強的選擇吸附能力,且價格低,因此工程上常用斜發沸石作為氨氮廢水的吸附材料。影響斜發沸石處理效果的因素有粒徑、進水氨氮濃度、接觸時間、pH值等。

       沸石對氨氮的吸附效果明顯,蛙石次之,土壤與陶粒效果較差。沸石去除氨氮的途徑以離子交換作用為主,物理吸附作用很小,陶粒、土壤和蛙石3種填料的離子交換作用和物理吸附作用的效果相當。4種填料的吸附量在溫度為15-35℃內均隨溫度的升高而減小,在pH值為3-9范圍內隨pH值升高而增大,振蕩6h均達到吸附平衡。

       離子交換法具有投資小、工藝簡單、操作方便、對毒物和溫度不敏感、沸石經再生可重復利用等優點。但處理高濃度氨氮廢水時,再生頻繁,給操作帶來不便,因此,需要與其他治理氨氮的方法聯合應用,或者用于治理低濃度氨氮廢水。
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