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1、西安建筑科技大学毕业设计（论文）用纸第一章 绪论 1.1、废水中氮的来源、存在形式及对环境的危害1.1.1、水体中氮的来源进入水体的元素氮来源式多方面的，包括经自然过程进入到水体中的氮素和因人类活动而进入的氮素，其中以后者造成的危害最为严重。因人类活动造成的氮素来源主要有以下几个方面1：（1）工业和生活污水未经处理直接进入河道和水体：这类污水的氮、磷最高，如进入江、湖和海洋，造成藻类过度生长的危害最大。（2）污水处理厂出水：采用常规处理工艺的污水处理厂（包括生活污水和工业废水），其排放水都含有相当数量的氮、磷和硫。这是因为有机物被微生物氧化分解产生的氨氮、硝酸盐和磷酸盐，除构成微生物的生物组成
2、外，剩余部分都随出水排入河道，成为藻类合适的养料。这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出现富营养化和黑臭的重要原因之一。（3）面源性的农业污染物,如肥料和农药等从农田中流失，包括通过与水冲淋、农业排水和地表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。人工合成的化肥和农药是水体氮磷营养的主要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过50%，有的甚至超过80%。为了取得高额农作物产量，农田肥量越来越高，加上科学施肥及其推广问题尚未得到有效的解决，进入水体的流失肥料量也必然越来越大。有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶性无机盐，然后进入地下水和江河湖泊。此外禽兽养殖业肥料和
3、水中野生动物的排泄物，氮磷含量相当高，也会大量进入水体。1.1.2、水体中氮的存在形式 一般来讲，废水中的氮通常以有机氮和无机氮两种形态存在。有机氮废水包括含氨基和不含氨基的化合物如尿素、胞壁酸、氨基酸、尿素、脂肪胺和有机碱。水中的无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮，这三种无机氮统称为氮化合物。水体中的氮化合物，特别是氨氮，是污水脱氮处理的主要对象。水体中的有机氮主要以蛋白质形式存在。城市生活污水中的氮主要存在形态是有机氮和氨氮。以新鲜的生活污水为例，有机氮和氨氮分别占总氮的4060%和5060%，亚硝酸盐氮和硝态氮含量仅占05%。虽然如此，但在污水的脱氮的过程中，氨氮一般总是被氧化成硝酸盐氮或亚
4、硝酸盐氮，然后才能从水体中脱除，所以硝酸盐氮在水体中的存在也不容忽视。同时，氮也存在于许多工业废水中。许多工业废水含有可以经微生物降解的有机氮，如羊毛加工、制革、印染、食品加工等工业废水。某些行业排放的有机氮，如果胶、甲壳质、和季胺化合物等，都很难生物降解。排放高浓度氨氮废水的工业有：钢铁、炼油、化肥、无机化工、铁合金、玻璃制造、肉类加工和饲料生产，这些废水如果直接排放，危害极大。极少部分工业废水中才含有硝态氮，如牲畜饲料场、家禽加工处理、军火制造中（火药制造、氧化铀及核燃料生产）产生的废水，一般都含有较高浓度的硝态氮。报道废水中亚硝盐含量的数据少于硝酸盐，然而，含有高浓度硝酸盐的废水通常也含
5、有亚硝酸盐，只是其浓度较低而已。总之，工业排放废水中的氮化合物，浓度较高，需要专门处理，方可排入城市污水处理厂。1.1.3、氮素对水环境的危害随着化肥、洗涤剂和农药的普遍使用，废水中氮磷的含量有了增加，对环境的影响也日益严重。氮素（主要是氨氮）进入水体后会引起生态及健康方面的有害影响，主要问题归纳如下：a、 游离氨对鱼类的毒害作用：水体中游离氨与氨离子的化学平衡可以用下式表示：NH4+OH-NH3+H2O (1.1)由于鱼类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨的含量低，也影响鱼鳃中氧的传递。对大部分鱼类而说，水体中游离氨对鱼的致死量为1mg/l。从式（1.1）可看出，水中游离氨是pH值的函数，p
6、H的值变化会引起游离氨百分数的变化。PH值越高，水中游离氨含量越高，天然水体的pH为7.08.0，当碱性废水排入水体或由于光合作用消耗了水体的重碳酸盐都会使水体中的pH值上升，因此需要对城市污水的氨氮排放加以控制，以避免游离氨对鱼类的毒性作用。b、 氨氮消耗水体中的溶解氧（DO）由于NH3/NH4+和NO2-具有还原性，故在水体中他们会消耗水体中的溶解氧。一般城市污水经二级处理后，含氮化合物主要以氨氮形式存在于污水中，含氨氮的污水直接排入水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，完全氧化1mg/l氨氮约需4.57mg/l的溶解氧。在典型的二级处理出水中含2040mg/l氨氮，需氧量为9
7、0180mg/l，这对水体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的。c、 硝酸盐的公共卫生问题水体和土壤接受二级处理出水由于硝化作用是的地表水和地下水的硝酸盐含量增加。一般地面水中硝酸盐含量不大于10mg/l，亚硝酸盐含量极少超过1mg/l。美国生活饮用水水质标准中规定饮用水硝酸盐含量不大于10mg/l。我国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于20mg/l。在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐都很快被肠胃吸收，而后者对人体有害，有致癌作用。d、 富营养化使水体退化氮和磷会促进水体中的藻类过度繁殖，而引起水的富营养化，从而引起水质的恶化，以致湖泊的退化。e、 消耗氯气在给水中，当水
8、体作为水源时，水体中的氨会消耗多余氯气以保证消毒后的余氯，水中含有1mg/l的氨氮消毒时就要多加710mg/l的氯。综上所述，有效的降低废水氮的含量已成为废水处理技术的一个重要的课题。1.2、城市污水脱氮技术发展概述城市污水经传统的二级处理以后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除了，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。统计如下表所示2： 表1-1 单位：mg/lBOD5CODSSTNP20304010020302050610其中氮磷为植物营养物质，能助长藻类和水生生物，引起水体的富营养化影响饮用水水源。随着环保法律法规的进一步完善、排放标准的进一步严格以及人们环保意识的不
9、断增强，二级处理污水厂出流的水质需进一步改善，脱氮除磷的技术成为当今环境工作者的研究重点，本论文以脱氮为研究目标加以阐述。1.2.1、脱氮方法介绍脱氮的方法有物理化学法和生物法两大类，先分别加以论述。l 物理化学法脱氮物理化学方法脱氮主要有吹脱法、折点加氯法和离子交换法。它们主要用于工厂内部的治理，对于城市处理厂很少采用。只有在当地气候条件不适合生物脱氮或者当污水中的NH4+-N浓度非常高时（如填埋沥滤液）才采用物理化学法去除氨氮，或当用生物脱氮还不能满足严格的出水水质要求时，可以把物理化学法脱氮作为最终（深度）处理工艺。物理化学脱氮工艺，运行操作复杂，费用昂贵，而现有的城市污水二级处理工艺系
10、统很容易改造成生物脱氮系统，故目前城市污水脱氮的主要内容是生物脱氮。l 污水生物脱氮生物脱氮过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化作用，分别简述如下：氨化作用：污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。蛋白质可以作为微生物的基质，在蛋白质水解酶的催化作用下。蛋白质水解为氨基酸。蛋白质水解可以在细胞内进行，也可以在细胞外进行。氨基酸在脱氨基酶的作用下产生脱氨基作用，即从氨基酸分子上去除NH2原子团。脱氨基后的氨基酸可以进入三羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢。由此可以说明污水中的蛋白质和氨基酸在生物稳定化处理过程中通过氨化作用转化为氨氮。同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨
11、氮和有机氮）悲痛化成微生物细胞的组成成分。按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物的氮可以在二次沉淀池中以剩余物泥的形式得以从污水中去除。由微生物同化作用所去除的（氨）氮量可以表示为： 式中 同化作用所去除的氮量，Kg N/d或mg/L进水； 活性生物固体产量，Kg VSS/d或mg VSS/L进水。细菌中普遍有脱氮习性，在大多数情况下，都存在着最终产物为N2、NO和NO2异化脱氮作用，废水处理中菌团的主体是兼性的，且大部分可异化脱氮。硝化作用：即硝化菌在好氧条件
12、下将氨氮氧化为硝态氮，它包括两个基本步骤：有亚硝酸菌（Nitrosomonas）参与的将氨氮转化亚硝酸盐的反应；和由硝酸菌（Nitrobacter）参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应。其中亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属等；硝酸菌有硝酸菌杆菌属、硝酸螺菌属和硝酸球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO2、CO32-和HCO3-等作为碳源，通过NH4+和NO2-的氧化获得能量，硝化反应过程需在好氧条件下进行，并以氧作为电子受体，这是由于硝酸盐和亚硝酸盐的电子轨迹非常类似于O2的电子轨迹，其差别在于细菌细胞色素的电子所传输的特定还原酶被硝酸盐或亚硝酸盐置换。这种
13、硝酸盐还原酶能催化电子，使其最终传输给硝酸盐和亚硝酸盐，而不是氧气。脱氮有机物纯种培养的研究表明：溶解氧的存在阻碍了把末端电子传输给硝酸盐所需的酶的形成。硝化菌的生理特性如表1-23所示。硝化过程中反应见式（1.2）、（1.3）；NH4+转化为NO2-的反应如下所示：55NH4+76O2+109HCO3-C5H7NO2+54NO2-+104H2O+能量； (1.2)若忽视微生物的增殖，1g氨氮转化为亚硝氮需氧3.43g。NO2-转化为NO3-的反应如下所示：400NO2-+NH4+4H2CO3+HCO3-+195O2 C5H7NO2 +3H2O+400NO3-+能量； (1.3)若忽视微生物的
14、增殖，1g亚硝氮转化为硝酸氮需氧1.14g4。表1-2 硝化菌的特征项 目亚硝酸菌（椭球式棒状）硝酸菌（椭球式棒状）细胞尺寸 / m11.50.51.5革兰氏染色阴性阴性世代期 / h8361259自养性专性兼性需氧性严格好氧严格好氧最大比增速率 m / h-10.040.08（0.60.8）0.020.06（0.61.0）产率系数 Y0.040.15（0.100.12）0.020.07（0.050.07）饱和常数 KO / mgO2/L0.51.00.51.5饱和常数 KN / mg/L0.63.6（0.30.7）0.31.7（0.81.2）在硝化阶段，由于硝化菌的产率系数很小，故此阶段以剩余污泥的形式去除的氮素很少；硝化过程中，氮素的转化及价态变化如图1-1所示： 氮 的 氧化还原态铵离子NH4+ 羟氨NH2OH0 硝酰基NOH 亚硝酸盐NO2- 硝酸盐NO3- 图1-1 硝化反应过程中氮的转化及价态的变化 反硝化作用：即反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮转化为氮气，并释放到大气中。反应以CH3COONa作为电子供体，反应式为：NO3- + CH3COO- NO2- + CO2+ H2O + OH- (1.4) NO2- + CH3C
