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總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、凱氏氮總是傻傻分不清楚?

時間:2021-06-28 09:50

來源:工業廢水圈

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總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、凱氏氮總是傻傻分不清楚?科普知識來嘍~

1.氮在水中存在的形式是什麼?影響因素有哪些?

自然界氮素藴藏量豐富,以三種形態存在:分子氮N2,佔大氣的78%; 有機氮化合物;無機氮化合物。其中水體中的氮主要包括有機氮和無機氮兩大類,其總量稱為總氮(英文縮寫為TN)。

有機氮是指以有機化合物形式存在的氮,如蛋白質、氨基酸、肽、尿素、有機胺、硝基化合物、重氮化合物等。農業廢棄物和城市生活污水中存在的有機氮主要是蛋白質及其分解產物一多肽和氨基酸。但某些工業廢水中可能有其他含氮有機化合物。無機氮指氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等,它們一部分是有機氮經微生物分解轉化作用而產生的,一部分直接來自施用化肥的農田退水和工業排水。

氮在水體中會發生轉化。隨着時日的延長,有機氮很不穩定,容易在微生物的作用下,分解成無機氮(在無氧的條件下,分解為氨氮;在有氧的條件下,先分解為氨氮,再分解為亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮),並不斷減少。

氨氮在污水中存在形式有遊離氨(NH3)與離子狀態銨鹽(NH4+)兩種,其中游離氨的濃度除主要取決於氨氮的濃度外,還隨水中的pH值和温度的增加而增大。此外,離子強度對遊離氨的濃度也會有影響。

水中硝酸鹽是含氮有機物經無機化作用最終階段的分解產物。硝酸鹽在缺氧、酸性的條件下可以還原成亞硝酸鹽。亞硝酸鹽氮是氮循環的中間產物,不穩定。根據水環境條件,可被氧化成硝酸鹽氮,也可以被還原成氮。

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2.什麼是凱氏氮?

凱氏氮是有機氮與氨氮之和,凱氏氮指標可以用來判斷污水在進行生物法處理時氮營養是否充足的依據。生活污水中凱氏氮含量約40mg/L (其中有機氮約15mg/L,氨氮約25mg/L),總氮與凱氏氮之差值約等於亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮之和;凱氏氮與氨氮的差值約等於有機氮。

3.氮的危害是什麼?

生活污水和化肥、食品等工業的廢水以及農田排水都含有大量的氮。天然水體接納這些廢水後,會發生水體富營養化。水體富營養化是指在人類活動的影響下,生物所需的氮、磷等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體,引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體溶解氧量下降,水質惡化,魚類及其他生物大量死亡的現象。在自然條件下,湖泊也會從貧營養狀態過渡到富營養狀態,不過這種自然過程非常緩慢。而人為排放含營養物質的工業廢水和生活污水所引起的水體富營養化則可以在短時間內出現。水體出現富營養化現象時,浮游藻類大量繁殖,形成水華。因佔優勢的浮游藻類的顏色不同,水面往往呈現藍色、紅色、棕色、乳白色等。這種現象在海洋中則叫做赤潮或紅潮。

水中硝酸鹽是含氮有機物經無機化作用最終階段的分解產物。人體攝入硝酸鹽後,經腸道中微生物的作用轉變成亞硝酸鹽而出現毒性作用。亞硝酸鹽可使人體正常的血紅蛋白氧化為高鐵血紅蛋白,發生高鐵血紅蛋白症,失去其輸氧的能力,導致組織缺氧。

污水進行生物處理時,氨氮不僅為微生物提供營養,而且對污水的pH值起緩衝作用。但氨氦過高時,特別是遊離氨濃度較高時,對微生物的生活活動產生抑制作用。

4.氮的來源是什麼?氨的存在形式是什麼?

污水中的氮一方面來自於化肥和農業廢棄物。另一方面來自城市生活污水和某些工業廢水。城市生活污水中含有豐富的氮,其中糞便是生活污水中氮的主要來源。氨氮的來源主要有製革廢水、酸洗廢水等工業廢水。某些生化處理設施的出水和農田排水中可能含有大量的硝酸鹽氮。

5.氮是如何轉化的?

含氮化合物在水體中的轉化可分為三個階段:第一階段為含氮有機物在水體中逐漸被微生物分解成較簡單的化合物,最後生成無機氨氮,稱為氨化過程;第二階段是氨氮在有氧的條件下,轉化為亞硝酸鹽與硝酸鹽,稱為硝化過程;第三階段是亞硝酸鹽與硝酸鹽在低氧或無氧條件下,被反硝化菌還原轉化為氮氣,稱為反硝化過程。氨化可以在有氧或無氧條件下進行,硝化則只可以在有氧條件下進行。如果水體缺氧,則硝化反應不能進行。

6.硝化的概念是什麼?

傳統生物脱氮理論認為氨氮是藉助兩類不同的細菌(硝化菌和反硝化菌)將水中的氨氮轉化為氮氣而去除。首先在好氧條件下,亞硝酸細菌以氧作為電子受體,將氨氮轉化為亞硝酸鹽,之後硝酸細菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽,這個反應過程稱為硝化反應。

7.反硝化的概念是什麼?

硝化反應完成後,反硝化細菌利用各種有機基質作為電子供體,以硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體,進行缺氧呼吸,將硝酸鹽或亞硝酸鹽轉化為氮氣,這個過程稱為反硝化。

8  常用的生物脱氮工藝有哪些?

(1)傳統脱氮工藝

由巴茨(Barth) 開創的傳統活性污泥法脱氮工藝為三級活性污泥法流程,它是以氨化、硝化和反硝化、生化反應過程為基礎建立的。

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傳統活性污泥法脱氮工藝(三級活性污泥法)

該工藝流程將去除BOD5與氨化、硝化和反確化分別在三個反應池中進行,並各自有其獨立的污泥迴流系統。第一級曝氣池為一般的二級處理曝氣池,其主要功能是去除BOD、COD,將有機氮轉化為NH3-N,即完成有機碳的氧化和有機氮的氨化功能。第一級曝氣池的混合液經過沉澱後,出水進入第二級曝氣池,稱為硝化曝氣池,進人該池的污水,其BOD5值已降至15~20mg/L的較低水平,在硝化曝氣池內進行硝化反應,使NH3-N氧化為NO₃⁻-N,同時有機物得到進一步分解,污水中BOD5進一步降低。硝化反應要消耗鹼度,所以需投加鹼,以防pH值下降。硝化曝氣池的混合液進入沉澱池,沉澱後出水進入第三級活性污泥系統,稱為反硝化反應池,在缺氧條件下,NO₃⁻-N還原為氣態N2,排入大氣。因為進入該級的污水中的BOD5值很低,為了使反硝化反應正常進行,所以需要投加甲醇作為外加碳源,但為了節省運行成本,也可引人原污水充作碳源。

在這一系統的後面,為了去除由於投加甲醇而帶來的BOD值,可設後曝氣池,經處理後排放水體。

這種系統的優點是有機物降解菌、硝化菌、反硝化菌分別在各自反應器內生長增殖,環境條件適宜,並具有各自的污泥迴流系統,去除BOD和硝化反應都快,而且比較徹底。但也存在處理設備多、造價高、處理成本高、管理不夠方便等缺點。

為了減少處理設備,可以將三級活性污泥法脱氮工藝中的去除BOD為目的的第一級曝氣池和第二級硝化曝氣池相合並,將BOD去除和硝化兩個反應過程放在統一的反應器內進行,於是就產生了兩級生物脱氮系統。

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兩級生物脱氮系統工藝

該兩級生物脱氮傳統工藝儘管經過改進,但仍存在處理設備較多、管理不太方便、造價較高和處理成本高等缺點。因此上述生物脱氧傳統工藝目前已應用得很少。

(2) A/O工藝

為了克服傳統的生物脱氮工藝流程的缺點,根據生物脱氮的原理,在20世紀80年代初開創了缺氧/好氧活性污泥脱氮系統(A/O), 如圖1所示。

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生物脱氮工藝將反硝化反應器放置在系統之前,所以又稱為前置反硝化生物脱氮系統。在反硝化缺氧池中,迴流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有機物作為碳源,將回流混合液中的大量硝態氮還原成N2,而達到脱氮目的。然後再在後續的好氧池中進行有機物的生物氧化、有機氮的氨化和氨氮的硝化等生化反應。

A/O工藝有如下優點:

1) 流程簡單,構築物少,只有一個污泥迴流系統和混合液迴流系統,基建費用可大大節省。

2)反硝化池不需外加碳源,降低了運行費用。

3) A/0工藝的好氧池在缺氧池之後,可以使反硝化殘留的有機污染物得到進一步去除,提高出水水質。

4)缺氧池在前,污水中的有機碳被反硝化菌所利用,可減輕其後好氧池的有機負荷。同時缺氧池中進行的反硝化反應產生的鹼度可以補償好氧池中進行硝化反應對鹼度的需求的一半左右。

A/O工藝的主要缺點是脱氮效率不高,一般為70%~80%。此外,如果沉澱池運行不當,則會在沉澱池內發生反硝化反應,造成污泥上浮,使處理水水質惡化。儘管如此,A/O工藝仍以它的突出特點而受到重視,該工藝是目前採用比較廣泛的脱氮工藝。該工藝可以將缺氧池與好氧池建成合建式曝氣池,中間隔以擋板,前段為缺氧反硝化,後段為好氧硝化。該形式特別便於對現有推流式曝氣池進行改造。

9.短程硝化反硝化的概念和原理是什麼?

短程硝化反硝化就是將硝化過程控制在NO2-階段,阻止進一步氧化為NO3-,直接以作為電子最終受氫體進行反硝化。

與傳統生物脱氮工藝相比,短程硝化反硝化生物脱氮工藝可節約供氧量25%左右,節約反硝化所需碳源40%左右,減少污泥生成量,減少硝化過程的投鹼量,縮短反應時間,相應減少了反應器容積30%~40%。

10.同步硝化反硝化的概念和原理是什麼?

傳統的脱氮理論認為脱氮需要經過硝化和反硝化兩個不同的過程。反硝化是異氧兼性厭氧菌,只有在無分子氧而同時存在硝酸和亞硝酸離子的條件下,它們才能利用這些離子中的氧進行呼吸,使硝酸鹽還原。但是近幾年的研究表明,硝化和反硝化可在同一反應器中同時發生,許多實際運行中的好氧硝化池中也常常發現有總氮損失,這一現象被稱為同步硝化反硝化(SND)。同步硝化反硝化具有減少碳源、節省曝氣量等優點。當前同步硝化反硝化在工程中應用很少,基本處於實驗室研究階段。

11.厭氧氨氧化的概念和原理是什麼?

厭氧氨氧化(Anammox)作用即在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體,將氨氮氧化為氮氣的生物反應過程。厭氧氨氧化反應是一種化能自養的古菌(Anammox)的反應。該古菌為自養型,只需無機碳源,並且在全球碳循環過程中發揮着很重要的作用。在目前污水的氨氮處理上被廣為看好。但是由於亞硝酸根含量在大部分污水是不夠顯著的,所以該技術要結合其他技術來使用。

12.吹脱法如何除氮?

廢水中的氨氮通常以銨離子和遊離氮的狀態保持平衡而存在。當pH為中性時,氨氮主要以銨離子形式存在。當pH為鹼性時,氨氮主要以遊離氨的狀態存在。

吹脱祛是將廢水pH調節至鹼性,然後通過氣液接觸將廢水中的遊離氨吹脱至大氣中。用吹脱法處理氨氮時,需考慮排放的遊離氨總量應符合氨的大氣排放標準,或對氣相氨進行催化氧化等處理。以免造成二次污染。

13.化學沉澱法除氮的原理是什麼?

向含氨氦廢水中投加含Mg2+和PO43-的廢水和藥劑,與廢水生成複合鹽MgNH4PO4(鳥糞石),從而將氨氮從廢水中去除。該法可以同時處理氨氮、磷和含鎂廢水。

14.折點氯化除氨的原理是什麼?實際應用效果如何?

折點氯化法是將氯氣或次氯酸鈉通入廢水中將廢水中的氨氮氧化成氮氣的化學脱氮工藝。當氯氣通人廢水中達到某一點時水中游離氯含量最低,氨的濃度降為零。當氯氣通入量超過該點時,水中的遊離氯就會增多,因此該點稱為折點,該狀態下的氯化稱為折點氯化。處理實際氨氮廢水效果的影響因素較多,主要取決於温度、pH值及氨氮濃度。最佳反應條件pH值為6~7,接觸時間為0.5~2h。

折點氯化法除氨機理反應方程式為:

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折點氯化除氨法主要優點是可通過正確控制加氯量,使廢水中全部氨氮降為零,同時達到消毒的目的。氯化法的處理率達90%~100%,處理效果穩定,不受水温影響,在寒冷地區此法特別有吸引力。

折點氯化除氨法投資較少,但運行費用高,副產物氯胺和氯化有機物會造成二次污染,氯化法只適用於處理低濃度(小於50mg/L)氨氮廢水。

15.沸石離子交換法除氨的原理和應用如何?

離子交換是指在固體顆粒和液體的界面上發生的離子交換過程。沸石離子交換法是選用對NH4+離子有較強選擇性的沸石作為交換劑,從而達到去除氨氮的目的。沸石具有對非離子氨的吸附作用和與離子氨的離子交換作用,它是一類硅質的陽離子交換劑,成本低,對NH4+有很強的選擇性。佛石不僅可以作為離子交換材料,用於把氨氮從廢水中分離出來的分流器;也可以將沸石與生化處理系統有機地結合在一起,作為硝化細菌的載體;作為處理氨氮的工藝,具有較高的去除率和穩定性。

沸石離子交換與pH值的選擇有很大關係,pH值在4~8的範圍是沸石離子交換的最佳區域。當pH<4時,H+與NH4+發生競爭;當ph>8時,NH4+變為NH3而失去離子交換性能。

離子交換法處理含氨氮10~20mg/L的城市污水,出水濃度可達lmg/L以下。離子交換法具有工藝簡單、投資省、去除率高的特點,適用於中低濃度的氨氮廢水,對於高濃度的氨氮廢水會因樹脂再生頻繁而造成操作困難。但再生液為高濃度氨氮廢水,仍需進一步處理。

16.膜分離除氨的原理和應用效果如何?

膜分離除氨是利用膜的選擇透過性進行氨氮脱除的一種方法。這種方法操作方便,氨氮回收率高,無二次污染。氣水分離膜脱除氨氮即是一種較為理想的方法。

氨氮在水中存在着離解平衡,隨着pH值升高,氨在水中NH3形態比例升高,在一定温度和壓力下,NH3的氣態和液態兩項達到平衡。根據化學平衡原理,在自然界中一切平衡都是相對的和暫時的。化學平衡只是在一定條件下才能保持“假若改變平衡系統的條件之一,如濃度、壓力或温度,平衡就向能減弱這個改變的方向移動”。脱氣膜從廢水中脱氨就是遵從這一原理而進行設計的,在膜的一側是高濃度氨氮廢水,另一側是吸收液(如水、酸性水等).當左側温度大於20度,pH值大於9,左側氣體分壓大於右側氣體分壓時,並保持一定的壓力差,那麼廢水中的遊離氨NH4+就變為氨分子NH3,並經原料液側介面擴散至膜表面,在膜表面分壓差的作用下,穿越膜孔,進人吸收液,迅速與酸性溶液中的H+反應生成銨鹽。

該過程的實質是擴散與吸收的連續過程,解吸與吸收在膜的兩則同時完成。副產品銨鹽的質量濃度可達20%~30%,成為清潔的工業原料,而廢水中的氨氮可以降至1mg/L以下,適用於煤化工、製藥、冶金等行業的高濃度氨氮廢水處理。

脱氣膜用於廢水脱氨的優點:

(1)氨脱除率高,可將廢水中氨的含量降到5mg/L以下;

(2)運行成本低,只有傳統工藝的5%以下;

(3)設備佔地面積小,只有傳統工藝的1/3以下;

(4)無氨氣泄露,實現清潔生產。


編輯:李丹

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