水中有机氮去除方法研究进展_崔晓宇

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1、目前， 遭到人为破坏的氮循环已经对人类生活产 生严重影响1。 随着城市化的高速发展， 大量含氮有机 污染物进入市政污水管网， 有机氮 （organic nitrogen， ON）去除效率不高成为污水厂出水总氮难以进一步 降低的主要因素。 高有机氮含量的污水厂出水排入受 纳水体， 出水总氮中溶解性有机氮 （DON）、 颗粒有机 氮 （PON）、 NH3-N、 NO3-N 含量分别为 1.01.5、 0.01、 0.10.6、 0.61.5 mg/L2， 使江河湖泊的有机氮 含量上升， 给饮用水处理也带来了不利影响3。近几 年， 国内外提高了污水处理厂出水总氮要求， 加之含 氮消毒副产物引发的饮用

2、水水质安全问题， 使水中有 机氮的去除受到了越来越多的重视。 污水处理厂进水总有机氮 （TON）包含 PON 、 胶体有机氮 （CON）和 DON。表 1 示出了有机氮的 各种存在形式和常用的去除工艺及其影响因素4-5。 污水处理厂中一级处理已经去除了大部分 PON， 残 留的 PON 会在主体生物工艺中被去除； CON 沿污 水处理厂一级、 二级处理工艺逐渐降低， 二级出水会 残留一部分 CON， 当出水 CON 高时， 会影响出水总 氮 （ETN）浓度4； DON 会被厌氧微生物降解为可被 好氧微生物吸收利用的小分子结构，再通过好氧微 生物代谢得以转化和去除。 当 ETN 质量浓度很低时

3、（3 mg/L），污水处理厂二级出水有机氮占总氮的 比例接近 50%，其中大部分氮以 DON 形态存在6， 这部分 DON 由不能被微生物降解和对受纳水体没 影响的含氮有机物组成 7。因此，出水有机氮 （EON） 是限制污水处理厂出水 TN 质量浓度更低 （3 mg /L）关键因素8。 污水厂二级出水 DON 主要由亲水性小分子化 合物组成， 氨基酸占比例较大， 给水水源的 EDTA 和 腐殖酸所占比例较小，因此大部分物理和化学方法不 能将其有效去除 9。Dignac10 认为生物营养物去除 （BNR） 工艺能去除类似蛋白质、氨基酸和尿素的 DON， 大分子 DON不能被生物法去除。 一些研究

4、者认 为活性污泥系统是一种有潜力的去除方法 6， 11，然而 Bratby12等发现在好氧反应器中 DON 浓度上升幅度 较大。污水中的 DON 在好氧反应器中究竟是增加还 是降低， 这可能与水质和工艺都有关系， 仍有待探索。 为了深入研究对 DON 的去除效果， 将进、 出水 DON 用不同孔径的膜过滤， 分别测定上清液中不同 粒径 DON 含量DON1.2 m（1.2 m）、 DON0.45m （0.45 m）和 DON0.1m（10 kDa 的 DON 含量明显 减少， 被氧化分离出来的氮转化为分子量1 kDa 含 氮化合物， 当 H2O2于最佳投放量 （3 300 mg/L）时， 能去

5、除大约 25%的 DON；当采用 UV 和 H2O2联合 处理该废水时， 因为两者联合促进 H2O2产生大量羟 基自由基， 所以去除效果是只投加 H2O2的 2 倍。 Bin Xu39等用臭氧预处理给水原水时发现， 臭 氧将大分子物质氧化为小分子物质， 分子量 1、 13、 510、 1030kDa的DON去处率分别为12.2%、 2.4%、 72.7%和 41.0%； 但臭氧投量 1 mg/L 时， 没发现小 分子 DON 被降解40， 可能大分子 DON 先于小分子 DON和臭氧发生反应。另外， 臭氧预处理将环状含氮 有机物转化为脂肪族含氮有机物的同时会裂解藻类 和细胞， 使其成为小分子物

6、质， 导致 DON 升高41-42。 带有亲水性官能团的 DON 是氯消毒副产物 （DBPs）的前驱物。虽然臭氧预氧化工艺能去除一 部分含氮消毒副产物 （N-DBPs）前驱物， 但是会增 加卤代硝基甲烷 （HNMs）- 毒性很高的 N-DBPs- 的 生成势。然而， 臭氧预氧化加后置生物活性炭等生物 过滤工艺， 可使 DON 的去除率达到 34%， 并大大降 低 HNMs 的生成势43。 氧化法既可用于氧化污、废水进水的大分子 ON （去除率可达 90%）， 又可以氧化污水厂二级出 水和受污染水体中的 DON。但是， 高级氧化法投资 较高； 此外， 臭氧与含氮有机物作用会提高氯消毒副 产物的产

7、率。 1.3物理法 1.3.1吸附法 DON 的吸附效果主要取决于溶解性物质的分 子结构和吸附材料的表面负荷。在高 pH 情况下， COOH 和COH 官能团会裂解为COO-和CO-， 使 DON 中的离子结构增加并且提高溶解性物质的 亲水性。 赖波44采用负载着驯化后微生物的活性炭处理 ABS 凝聚干燥工段废水。与未负载微生物的活性炭 相比， 吸附能力仅有略微下降。负载微生物活性炭， 通过活性炭的吸附作用和微生物代谢高效地把 ON 转化为 NH3-N， 去除率一直保持在 80%以上； 而未负 崔晓宇等， 水中有机氮去除方法研究进展 13 载活性炭只能依靠吸附作用， 所以， 运行一段时间后 对

8、 ON 的去除率快速下降。 另外，有研究者研究了土壤中微生物对 ON 的 去除效果。李辉45等选取 5 中氨化细菌研究其人工 湿地中 ON 的去除效果。 结果显示， 生长较好的假单 胞菌属 （Pseudamonas）对 ON 的去除率为 52.6%， 2 株生长较好的芽孢杆菌属 （Bacillus）对 ON 的去除 率分别为 49.4%和 46.2%。 人工湿地对水中 DON 去除效果一般，土壤中 微生物的联合作用不容忽视。吸附法对 ON 的去除 效果不错，若能保证吸附材料的再生性则该方法的 应用前景会很好。 1.3.2物化法 Baiyang Chen15分别用加氯消毒、 絮凝、 软化和 吸附

9、工艺处理污水厂三级处理出水， 考察其对 DON 可生化性的影响， 实验发现， 这些工艺都很难去除三 级出水中的 DON，但是聚合氯化铝可以提高 DON 的可生化性。 Arnaldos M46发现絮凝工艺中， 当 AL 投加量较 多的情况下，调节 pH 对 DON 出水浓度的影响很 大。这可能是因为金属水解产生的金属阳离子和有 机物配位体 H+之间的竞争或者 OH-与金属水解产 生的阴离子之间的竞争引起的。 李伟47发现， 在絮凝工艺中随着铝投量的增加， DON的去除效果先降低后升高； 并且达到最佳投量 （100 mg/L）时， DON 的去除效果为 35%。Bratby12 等提出在絮凝工艺中

10、每投加 2.25 mol 铝可去除 1 mol 的 DON。Arnaldos M46等也认为去除每 M 的 DON 需要投加 1.5 M 的 AL。 Dwyer48等分别向两个 水厂中的絮凝工艺中投加 13.2 mol 和 14.0 mol 的 AL， DON 出水质量浓度分别为 1.90、 1.52 mg/L。因 为不同水源中 DON 的比例和其他水质特点不同， 所以每种水质所需的 AL 投加量比例不同。 Bin Xu39向澄清池中加入 PAM 和 PAC 后， 发 现分子量为 35 kDa 的 DON 能被去除。这可能因 为 PAM 能中和极性有机物的电性，并为极性分子 和氢氧化铝表面建立

11、联系49。 有些研究人员认为， 极 性含氮有机物很难被铝盐絮凝剂去除50。另外， BinXu 发现澄清、 沙滤不能去除分子质量 1 ka 的 DON。 物化法能有效去除一部分 DON， 但需要大量投 加或者联合化学药剂才能达到预期效果， 而且， 环境 因素对去除效果也有较大影响。 絮凝剂对去除 DON 所发挥的作用还有待进一步研究。 2结语与展望 无论是污水厂进水还是给水厂进水，随着进水 水质的变化， 有机氮所占比例相应改变， 给处理方法 的选择与改进带来困难。氧化法去除效果好但较昂 贵，生物法经济但处理效果稍差，吸附法去除率在 80%左右但是不易再生，物化法去除效果最差而且 要大量投加药剂。

12、 在污、 废水处理过程中， 将大分子 ON 降解为小 分子 ON 是将其去除的重要环节；氨化效果决定二 级出水水质，再经过后续工艺以及深度处理可以进 一步去除水中 DON。在给水处理中， ON 基本以 DON 的形式存在， 通过絮凝和氧化可以去除一部分 DON， 但是去除效果不理想； 氯消毒不仅不能去除 有机氮， 还会形成有害物质 N-DBPs。 目前，对水中 ON 起去除作用的微生物的鉴定 和其代谢机理的研究很少，缺乏有效去除难降解 DON 的方法； 此外， 应该注意含氮有机物的转化会 给饮用水水质安全带来新的问题。为了更加有效去 除水中有机氮， 需深入研究其在水处理过程中的转化 规律， 同

13、时合理创新处理方法、 利用新材料、 改进工 艺， 努力提高对水中有机氮污染物的去除效率。 参考文献： 1 Gruber N, Galloway H N. An earth-system perspective of the global nitrogen cycleJ.Nature,2008,451(7176):293-296. 2 Stensel H D, Bronk D, Khan E, et al. Dissolved organic nitrogen (DON)in biologiacl nutriment removal wastewater treatment process C.

14、Alexandria,Virginia,USA:Water Environment Federation,2007:5-6. 3 Gu L, Xu J, Lv L,et al.Dissolved organic nitrogen (DON) adsorption by using Al-pillared bentoniteJ.Desalination,2011,269 (1-3): 206-213. 4 Sattayatewa C, Pagilla K, Sharp R, et al. Fate of organic nitrogen in four biological nutrient r

15、emoval wastewater treatment plants J. Water Environment Research,2012,82(12):2306-2315. 5 Mulholland M R, Love N G, Bronk D A, et al. Establish a research agenda for assessing the bioavailability of wastewater treatment plant-derived effluent orgnaic nitrogen in treatment systems and receving waters

16、 C.Alexandria,Virginia, USA:Proceedings of the Water Environment Federation,Nutrient Removal 2009,2009: 13-14. 6 Pagilla K R, Urhun-Demirtas M, Czerwionka K, et al. Nitrogen speciationinwastewatertreatmentplantInfluentsand Effluents-The US and Polish Case Studies J.Water Science and Technology,2008,57(10):1511-1517. 7Urgum-Demirtas M, Sattayatewa C, Pagilla K R. Bioavailability of dissolvedorgani