氮的奥秘：探索水处理中的形态与净化之道

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氮的奥秘：探索水处理中的形态与净化之道

2025-06-06 09:56

水体中的氮元素，作为引发富营养化的主要元凶，一直是水污染控制领域科研与工程技术关注的焦点，其重要性丝毫不逊于有机污染物。本文详细梳理了水体中氮元素的常见形态、基本概念以及相应的处理方法。

一、氮元素在水体中的形态分类

氮元素进入水体后，主要分为无机氮和有机氮两大类。

无机氮包括氨态氮（简称氨氮）和硝态氮。氨氮又可细分为游离氨态氮NH3-N和铵盐态氮NH4+-N；硝态氮则包含硝酸盐氮NO3--N和亚硝酸盐氮NO2--N。

有机氮则涵盖了尿素、氨基酸、蛋白质、核酸、尿酸、脂肪胺、有机碱、氨基糖等一系列含氮有机物。其中，可溶性有机氮主要以尿素和蛋白质的形态存在，它们能通过氨化等作用转化为氨氮。而凯氏氮，则涵盖了有机氮与氨氮，但不包括硝态氮。

二、各类氮的成分分析

当前，国标针对水质中氮的分析，主要集中在总氮、氨氮、硝态氮、凯氏氮四个方面。

1、总氮

总氮是指水中可溶性及悬浮颗粒中含氮量的总和，通常包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨以及有机含氮化合物中的氮。可溶性总氮特指水中可溶性及含可过滤性固体（粒径小于0.45µm）的含氮量。总氮是衡量水质的关键指标之一。

2、凯氏氮

凯氏氮是通过凯氏法测得的含氮量，包括氨氮和能在该条件下转化为铵盐测定的有机氮化合物，如蛋白质、胨、氨基酸、核酸、尿素等氮为负三价的有机氮化合物，但不包括叠氮化合物、联氮、偶氮、腙、硝酸盐、腈、硝基、亚硝基、肟和半卡巴腙类含氮化合物。测定凯氏氮与氨氮后，其差值即为有机氮含量。

3、氨氮

氨氮以游离氨（或称非离子氨，NH3）或离子氨（NH4+）形态存在。pH值较高时，游离氨比例较高；反之，铵盐比例高。

氨氮是水体中的营养素，易导致水富营养化，是主要的耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害作用。其中，游离氨的毒性远大于铵盐，且随碱性增强而增大。氨氮毒性与池水的pH值、水温密切相关，通常pH值、水温越高，毒性越强。

4、硝态氮

（1）硝酸盐

在有氧条件下，硝酸盐是各种形态含氮化合物中最稳定的氮化合物，通常代表含氮有机物无机化作用的最终分解产物。当水样中仅含硝酸盐而不含其他氮化合物时，表明有机氮化合物已完全分解。若水样中硝酸盐含量高且存在其他氮化合物，则表明有污染物进入水系，水的“自净”作用正在进行。

（2）亚硝酸盐

亚硝酸盐是氮循环的中间产物，不稳定，可氧化成硝酸盐氮，也可还原成氨氮。因此，测定亚硝酸盐含量时，需同时了解水中硝酸盐和氨的含量，以判断水系被含氮化合物污染的程度及自净情况。

三、各类氮的去除方法

在污水处理中，氮的主要形态是氨氮，但非生活污水中还含有有机氮或硝态氮。这些氮形态各异，一般通过水解酸化将有机氮转化为氨氮，再经硝化转化为硝态氮；硝态氮则通过反硝化去除。归根结底，总氮、氨氮、硝态氮、凯氏氮的去除，最终都转化为硝化与反硝化的氮去除过程，即氨氮与硝态氮的去除。目前常见的氮去除技术有以下几种：

1、化学沉淀法

化学沉淀法，通过向含氨氮废水中投加镁化物和磷酸或磷酸氢盐，使废水中的NH4+与Mg2+、PO43-反应生成磷酸铵镁沉淀（MgNH4PO4·6H20），达到去除氨氮的目的。反应方程式为：Mg2++NH4++PO43-=MgNH4PO4。

2、吹脱法

吹脱法去除氨氮，通过调整废水pH值至碱性，使氨离子转化为游离氨，再通过载气将游离氨从废水中带出，实现氨氮去除。影响吹脱效率的因素包括pH值、温度、气液比、气体流速、初始浓度等。吹脱法在高浓度氨氮废水处理中应用广泛。

3、折点氯化法

折点氯化法除氨的机理是氯气与氨反应生成无害的氮气，逸入大气，推动反应持续进行。反应式为：NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-。当氯气通入量达到某一点时，水中游离氯含量降低，氨浓度降为零；继续通入氯气，游离氯含量增加，该点称为折点，此状态下的氯化称为折点氯化。

4、催化氧化法

催化氧化法利用催化剂，在一定温度、压力下，经空气氧化，将污水中的有机物和氨分别氧化分解为CO2、N2和H2O等无害物质，实现净化。该方法净化效率高、流程简单、占地面积小，多用于处理高浓度氨氮废水。应用难点在于防止催化剂流失及设备腐蚀防护。

5、电化学氧化法

电化学氧化法利用具有催化活性的电极氧化去除水中污染物。影响因素包括电流密度、进水流量、出水放置时间、电解时间等。研究表明，在循环流动式电解槽中处理含氨氮废水，使用网状电极和网状钛电极，当氯离子浓度为400mg/L、初始氨氮浓度为40mg/L、进水流量为600mL/min、电流密度为20mA/cm²、电解时间为90min时，氨氮去除率高达99.37%，表明电解氧化处理含氨氮废水具有良好应用前景。

6、全程硝化反硝化

全程硝化反硝化，作为当前应用最为广泛且历史悠久的生物处理法，借助各类微生物的协同作用，历经硝化与反硝化等一系列复杂反应，将废水中的氨氮高效转化为氮气，从而实现废水的净化目标。此过程细分为两大阶段：

硝化反应阶段，由好氧自养型微生物主导，它们在充足的氧气环境中，以无机氮为氮源，首先将NH4+转化为NO2-，随后进一步氧化为NO3-。硝化过程具体可分为两步：第一步，亚硝化菌将氨氮转化为亚硝酸盐（NO2-）；第二步，硝化菌再将亚硝酸盐转化为硝酸盐（NO3-）。

反硝化反应阶段，则在缺氧条件下进行，反硝化菌作为异养型微生物（多为兼性细菌），利用硝酸盐中的氧作为电子受体，以有机物（源自污水中的BOD成分）为电子供体，提供所需能量并被氧化稳定，最终将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原为气态氮（N2）。

在全程硝化反硝化的工程应用中，AO、A2O、氧化沟等技术体系占据主导地位，成为生物脱氮领域内应用颇为成熟的方法。

7、同步硝化反硝化（SND）

当硝化与反硝化过程在同一反应器内同步发生时，即称为同步硝化反硝化（SND）。废水中溶解氧因扩散速度限制，在微生物絮体或生物膜上形成溶解氧梯度，使得絮体或生物膜外表面利于好氧硝化菌和氨化菌的生长，而内部则因溶解氧浓度降低形成缺氧区，反硝化菌占据优势，进而促成同步硝化反硝化过程。影响SND效果的因素涵盖PH值、温度、碱度、有机碳源、溶解氧及污泥龄等关键指标。

8、短程硝化反硝化

短程硝化反硝化技术，是在同一反应器内先通过氨氧化细菌在有氧条件下将氨氧化为亚硝酸盐，随后在缺氧条件下，利用有机物或外加碳源作为电子供体，直接将亚硝酸盐反硝化为氮气。此过程省略了硝酸盐阶段，有效节约了生物脱氮所需的碳源，对于处理低C/N比的氨氮废水具有显著优势。此外，短程硝化反硝化还具有污泥产量少、反应时间短、反应器体积节省等优点。然而，实现稳定持久的亚硝酸盐积累是短程硝化反硝化的关键，因此如何有效抑制硝化菌的活性成为技术挑战。

9、厌氧氨氧化

厌氧氨氧化，是在缺氧条件下，以亚硝态氮或硝态氮作为电子受体，利用自养菌直接将氨氮氧化为氮气的过程。与传统生物法相比，厌氧氨氧化无需外加碳源、需氧量低、无需中和试剂、污泥产量少，是一种经济高效的生物脱氮技术。尽管其反应速度相对较慢，所需反应器容积较大，且碳源对其存在不利影响，但对于处理可生化性差的氨氮废水具有重要现实意义。

10、膜分离法

膜分离法，凭借膜的选择透过性，对液体中的成分进行精确分离，以达到去除氨氮的目的。该方法涵盖反渗透、纳滤、脱氨膜及电渗析等多种技术。脱氨膜系统在高氨氮废水处理中尤为常见，通过调节废水的PH值和温度，促使铵根离子转化为游离气态氨，进而穿透膜孔进入酸吸收液，被迅速转化为离子态铵盐，实现高效回收。膜分离法不仅显著提升了氨氮去除率，还有效降低了废水处理系统的运营成本。

11、电渗析法

电渗析法，通过施加于阴阳膜对之间的电压，去除水溶液中溶解的固体物质。在电压作用下，氨氮废水中的氨离子及其他离子通过膜富集于含氨浓水中，从而实现去除目标。电渗析法在处理高浓度氨氮无机废水方面表现出色，对于浓度为2000-3000mg/L的氨氮废水，去除率可达85%以上，同时回收8.9%的浓氨水。电渗析法操作简便，不受pH值、温度、压力限制，且耗电量与废水中氨氮量成正比。膜分离法的优势在于氨氮回收率高、操作简便、处理效果稳定、无二次污染等。然而，在处理高浓度氨氮废水时，除脱氨膜外，其他膜易结垢堵塞，需频繁再生与反洗，增加了处理成本，因此更适用于预处理或中低浓度氨氮废水的处理。

12、离子交换法

离子交换法，通过选用对氨离子具有强选择吸附性的材料，有效去除废水中的氨氮。常用吸附材料包括活性炭、沸石、蒙脱石及交换树脂等。其中，沸石因具有规则的三维空间结构、孔道结构和空穴，对氨离子展现出强大的选择吸附能力，且价格低廉，成为工程上处理氨氮废水的优选材料。

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