1、水體中氮元素的危害

　　近幾年以來(lái)，人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)一直不斷的向水體排放大量的含氮化合物，給地球水環(huán)境造成了極大的污染。含氮污染物分為無(wú)機氮以及有機氮。無(wú)機氮：NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N，主要來(lái)自城市生活污水經(jīng)污水處理廠(chǎng)的常規工藝處理之后排放的廢水、冶金工業(yè)排放的焦化廢水以及制肥廠(chǎng)產(chǎn)生的工業(yè)廢水。有機氮：有機堿、尿素、蛋白質(zhì)等，主要來(lái)自食品飲料加工行業(yè)、印染工業(yè)、制革工業(yè)及農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農藥的流失以及牲畜的排泄物。氮污染的危害如下：

　　1.1 水體富營(yíng)養化

　　植物和藻類(lèi)的生長(cháng)離不開(kāi)營(yíng)養物質(zhì)。在自然水體中，它們的生長(cháng)經(jīng)常會(huì )受到氮元素和磷元素的限制。當氮元素隨著(zhù)污水的排入而不斷進(jìn)入水體，就會(huì )引起水體的富營(yíng)養，導致水生植物以及藻類(lèi)過(guò)度繁殖，然后因此產(chǎn)生一系列的不良后果。

　　(1)一方面，某些藻類(lèi)自身帶的腥味就能使水質(zhì)變惡劣并使水體腥臭難聞;另一方面，某些藻類(lèi)本身含有的蛋白質(zhì)毒素就會(huì )在水生物體內積累，并經(jīng)過(guò)食物鏈危害人類(lèi)的健康，更甚導致人中毒。

　　(2)水生植物以及藻類(lèi)大量的繁殖，覆蓋水體，從而極大的影響江河湖泊的觀(guān)賞價(jià)值。

　　(3)如果以富營(yíng)養化的水體作為水源，藻類(lèi)就會(huì )堵塞住自來(lái)水廠(chǎng)的濾池影響生產(chǎn);其含有的毒素和氣味物質(zhì)會(huì )使飲用水的質(zhì)量受到影響。

　　根據資料，2011年我國地表水污染勢態(tài)嚴重，NH₄⁺-N是黃河水系、長(cháng)江水系、珠江水系、遼河水系主要污染指標的其中之一，主要的湖泊、水庫等富營(yíng)養化問(wèn)題非常嚴重。因為富營(yíng)養化后水體溶氧量會(huì )減少，藻類(lèi)會(huì )加速繁殖，導致水體變黑發(fā)臭，致使水體中魚(yú)、蝦等水產(chǎn)的正常繁殖和生長(cháng)遭受影響，就會(huì )降低江河湖泊等的觀(guān)賞性和利用價(jià)值。

　　1.2 威脅人類(lèi)和水生動(dòng)物的健康

　　水體中氮污染會(huì )給人類(lèi)和水生生物的健康產(chǎn)生危害。一方面，因為水體中的亞硝酸鹽會(huì )與人和動(dòng)物血液中具有氧氣傳送功能的血紅蛋白反應，將血紅蛋白分子中的Fe2+氧化成Fe3+，抑制了氧的傳輸能力，導致組織缺氧、神經(jīng)麻痹乃至窒息死亡。水體里的硝酸鹽如果由于硝酸鹽還原菌的作用生成亞硝酸鹽或與胺、酚氨、氰胺等物質(zhì)產(chǎn)生共同作用從而形成高度“三致”(致癌、致畸變、致突變)物質(zhì)，對人類(lèi)的健康造成嚴重影響。另一方面，富營(yíng)養化導致藻類(lèi)急劇繁殖，某些藻類(lèi)自身的毒素在水產(chǎn)體內富集后，會(huì )經(jīng)過(guò)食物鏈導致人類(lèi)中毒。

　　1.3 增加水處理成本

　　如果用Cl2來(lái)處理水體中的NH₄⁺-N，NH₄⁺-N每增加1g，Cl2量則需增加8~10g。若利用其他化學(xué)法處理，必然會(huì )增加相應化學(xué)試劑的投加量。若果氨與含銅成分的設備相接觸，會(huì )與銅表面的純化層形成銅氨絡(luò )離子，從而加快設備的腐燭速度，造成經(jīng)濟上的損失。

　　2、生物脫氮技術(shù)概述

　　自上世紀60年代起，陸陸續續產(chǎn)生了許多有效的污水脫氮的方法，其中有化學(xué)中和法、化學(xué)沉淀法、氨空氣吹脫法、蒸汽汽提法、選擇性離子交換法、折點(diǎn)氯化法等的物化法和生物硝化反硝化脫氮的生物脫氮法。物化脫氮法工藝繁復、資金投入大，以至于很難推廣投產(chǎn)，生物脫氮技術(shù)的適用范圍最廣，成本及運轉投入最低，操作簡(jiǎn)便也不會(huì )產(chǎn)生再次污染，污水達標排放可能性強，所以更加受到青睞。目前，生物脫氮技術(shù)主要有：

　　2.1 硝化反硝化脫氮工藝

　　傳統的硝化反硝化脫氮工藝通過(guò)硝化過(guò)程使氨氮轉化為NO₃^--N，然后通過(guò)反硝化過(guò)程使NO₃^--N還原為N2，以達到降低處理水質(zhì)中總氮質(zhì)量濃度的目的。

　　硝化反應的亞硝酸化和硝酸化兩個(gè)階段是由不同的微生物來(lái)完成的，硝化反應的亞硝酸化階段主要是由氨氧化菌完成，主要有Nitrosomonas、Nitrosospira、Nitrosococcu等，發(fā)生的亞硝化反應為：

　　硝化反應的硝酸化階段主要是由亞硝酸氧化菌完成，主要有Nitrobacter、Nitrospira等，發(fā)生的硝酸化反應為：

　　而如果是短程硝化反硝化，氮的轉化過(guò)程為：NH₄⁺→HNO2→N2。NO₂^-不再轉化為NO₃^-而直接轉化為N2，從而實(shí)現對污水中氮的去除。然而在實(shí)際應用或已有研究中發(fā)現NO₂^-很容易被氧化變成NO₃^-，這就難以實(shí)現短程硝化反硝化。

　　2.2 同步硝化反硝化技術(shù)

　　同步硝化反硝化過(guò)程是指在沒(méi)有特殊單獨設置缺氧區的活性污泥法處理系統內TN被大量去除的過(guò)程。對該工藝的解釋主要有兩種：一是裝置中DO分布不均理論，該理論認為裝置中在不同空間和不同時(shí)間點(diǎn)上充氧不平均，混合不勻稱(chēng)，裝置內有不同部分的缺氧區以及好氧區，這使得硝化以及反硝化作用能實(shí)現一起進(jìn)行;二是缺氧微環(huán)境理論，解釋說(shuō)明了在生物絮體顆粒尺寸足夠大的條件下，從絮體表面到它內核的不同層面上，氧的傳輸得到阻礙，以至于氧的含量分布不平均，微生物絮體的外層氧的含量較高，是因為好氧硝化菌在硝化反應的過(guò)程中，里面含量較低而形成缺氧區域，大部分是為反硝化菌進(jìn)行反硝化反應，這樣硝化和反硝化就可以同時(shí)進(jìn)行。

　　同步硝化反硝化有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)減少反應器體積，投資小;

　　(2)pH值處于7左右，所以不用另外投加酸或者堿，此情況對硝化細菌和反硝化細菌發(fā)揮作用有幫助。

　　2.3 短程硝化-反硝化脫氮技術(shù)

　　硝化-反硝化生物脫氮技術(shù)相較于傳統的脫氮方法，本質(zhì)上的區別是在硝化階段只將NH₄⁺-N氧化為亞硝酸鹽氮，接著(zhù)就直接進(jìn)入反硝化階段，技術(shù)重點(diǎn)是必須妥當的維持NO₂^--N的積累，經(jīng)短程過(guò)很多實(shí)驗研究，研究人員最終找到了能夠通過(guò)控制pH實(shí)現NO₂^--N的累積。國內高大文等在28℃的情況中啟動(dòng)裝置脫氮，通過(guò)調節裝置里初始pH到7.8~8.7之間累積NO₂^--N，不到一個(gè)月NO₂^--N的累積率達到90%左右，成功實(shí)現了短程硝化反硝化生物脫氮工藝的正常運轉。

　　硝化生物脫氮工藝的正常運轉。此工藝在曝氣過(guò)程就能節省1/4因供氧而用掉的能源，在反硝化階段能夠省下40%的有機碳源，同時(shí)還有產(chǎn)生污泥少和占地面積小等優(yōu)勢，相較于老舊的生物脫氮工藝有利方面明顯，在污水脫氮中得到大量應用。

　　2.4 好氧反硝化脫氮技術(shù)

　　對好氧反硝化生物脫氮的機制研究現在有微環(huán)境理論以及生物學(xué)理論兩種理論。如今，微環(huán)境理論得到普遍的認可。微環(huán)境理論重點(diǎn)是站在物理學(xué)層面進(jìn)行說(shuō)明。因為受制于氧擴散作用，在微生物絮體內形成了DO梯度，以至于總體環(huán)境為好氧，而絮體內部的小環(huán)境為厭氧的反硝化。微生物絮體外層DO濃度偏高，主要是好氧異養菌、好氧硝化菌；深入絮體內層，氧傳輸受限，同時(shí)有機物氧化、硝化作用需要許多氧，絮體內部變成了缺氧區，占優(yōu)菌種為反硝化菌。恰恰因為微生物絮體內缺氧微環(huán)境的形成，所以引起好氧反硝化的進(jìn)行。把曝氣池里DO保持在低水平狀態(tài)，就有希望能使缺氧或者厭氧微環(huán)境比重上升，最終使反硝化作用得以實(shí)現。

　　2.5 CRI系統脫氮技術(shù)

　　人工快速滲濾系統(簡(jiǎn)稱(chēng)CRI系統)是一種新型污水生態(tài)治理技術(shù)，是建立在快滲系統(RI)的基礎上，CRI系統是針對受污染的地表水和小城鎮生活污水的污水處理生態(tài)工程技術(shù)，正成為國內研究和應用的熱點(diǎn)。CRI系統根據滲濾介質(zhì)以及介質(zhì)上繁殖的微生物對水中污染物質(zhì)的吸附、截留以及分解，達到污水凈化的效果，CRI系統特殊的結構以及進(jìn)水形式，因此滲濾介質(zhì)表面的微生物菌相多種多樣，根據進(jìn)水周期的改變，滲濾介質(zhì)表面兼具好氧、兼氧、厭氧的功能，實(shí)現對污水的處理，同時(shí)，在處理過(guò)程中完全不用添加藥劑，也不會(huì )用到機械曝氣等大耗能設備，很大程度減少處理設施的投資和運行資金，為低耗高效的污水生態(tài)處理技術(shù)。具有占地面積相對傳統土地處理技術(shù)較小，工藝過(guò)程相對簡(jiǎn)單，投入資金低，運行成本低等特點(diǎn)，對我國小城鎮生活廢水和受到污染的地表水處理具有明顯優(yōu)勢和重要的應用價(jià)值。

　　3、生物脫氮技術(shù)存在的主要問(wèn)題及展望

　　目前，生物脫氮技術(shù)大多相關(guān)機理研究還不夠深入，大多工藝技術(shù)依然處于實(shí)驗室。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面：

　　(1)傳統的硝化反硝化脫氮工藝在實(shí)際應用或已有研究中發(fā)現NO₂^-很容易被氧化變成NO₃^-，這就難以實(shí)現短程硝化反硝化。因此，要想實(shí)現短程硝化反硝化NO₂^-直接轉化為N2就必須使CRI系統內維持較高濃度的NO₂^-，如何控制各個(gè)因素使NO₂^-較高濃度的累積成為研究的重點(diǎn)。

　　(2)現今在好氧反硝化的應用上，不管是根據宏觀(guān)環(huán)境理論或者是微環(huán)境理論來(lái)說(shuō)明，依然無(wú)法丟掉傳統的好氧厭氧生物脫氮模型，往往所講的反硝化，本質(zhì)中依然是缺氧微環(huán)境中的反硝化，難以稱(chēng)為絕對意義上的好氧反硝化，無(wú)法展現出好氧反硝化工藝的優(yōu)點(diǎn)。另外，現今篩選出的好氧反硝化菌大多數功效低下，往往只能在DO在2mg/L之下的情況中表現出反硝化活性。在我國，好氧反硝化的研究剛剛起步，但是優(yōu)勢明顯，肯定會(huì )成為未來(lái)污水生物脫氮的研究重點(diǎn)。

　　(3)CRI系統脫氮技術(shù)對總氮(TN)、總磷(TP)的去除率較低，對TN的去除率為10%~30%，對TP的去除率為30%~55%，不能達標排放。若基于此研究CRI系統的好氧反硝化機理，研究成果能豐富和拓展人工快速滲濾系統生態(tài)工程處理污水技術(shù)，具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和科學(xué)意義。(來(lái)源：四川省工業(yè)環(huán)境監測研究院，四川省川工環(huán)院環(huán)?？萍加邢挢熑喂?