1、水體中氮元素的危害
近幾年以來(lái)，人類的生產(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(jī)氮以及有機(jī)氮。無(wú)機(jī)氮：NH4+-N、NO3--N和NO2--N，主要來(lái)自城市生活污水經(jīng)污水處理廠的常規(guī)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產(chǎn)生的工業(yè)廢水。有機(jī)氮：有機(jī)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)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(yǎng)化
植物和藻類的生長(zhǎng)離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在自然水體中，它們的生長(zhǎng)經(jīng)常會(huì)受到氮元素和磷元素的限制。當(dāng)?shù)仉S著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(yǎng)，導(dǎo)致水生植物以及藻類過(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，某些藻類本身含有的蛋白質(zhì)毒素就會(huì)在水生物體內(nèi)積累，并經(jīng)過(guò)食物鏈危害人類的健康，更甚導(dǎo)致人中毒。
(2)水生植物以及藻類大量的繁殖，覆蓋水體，從而極大的影響江河湖泊的觀賞價(jià)值。
(3)如果以富營(yíng)養(yǎng)化的水體作為水源，藻類就會(huì)堵塞住自來(lái)水廠的濾池影響生產(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(jù)資料，2011年我國(guó)地表水污染勢(shì)態(tài)嚴(yán)重，NH4+-N是黃河水系、長(zhǎng)江水系、珠江水系、遼河水系主要污染指標(biāo)的其中之一，主要的湖泊、水庫(kù)等富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題非常嚴(yán)重。因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化后水體溶氧量會(huì)減少，藻類會(huì)加速繁殖，導(dǎo)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(zhǎng)遭受影響，就會(huì)降低江河湖泊等的觀賞性和利用價(jià)值。
1.2 威脅人類和水生動(dòng)物的健康
水體中氮污染會(huì)給人類和水生生物的健康產(chǎn)生危害。一方面，因?yàn)樗w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(yīng)，將血紅蛋白分子中的Fe2+氧化成Fe3+，抑制了氧的傳輸能力，導(dǎo)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(duì)人類的健康造成嚴(yán)重影響。另一方面，富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藻類急劇繁殖，某些藻類自身的毒素在水產(chǎn)體內(nèi)富集后，會(huì)經(jīng)過(guò)食物鏈導(dǎo)致人類中毒。
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(yīng)化學(xué)試劑的投加量。若果氨與含銅成分的設(shè)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(shè)備的腐燭速度，造成經(jīng)濟(jì)上的損失。
2、生物脫氮技術(shù)概述
自上世紀(jì)60年代起，陸陸續(xù)續(xù)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(fù)、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(yùn)轉(zhuǎn)投入最低，操作簡(jiǎn)便也不會(huì)產(chǎn)生再次污染，污水達(dá)標(biāo)排放可能性強(qiáng)，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(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝通過(guò)硝化過(guò)程使氨氮轉(zhuǎn)化為NO3--N，然后通過(guò)反硝化過(guò)程使NO3--N還原為N2，以達(dá)到降低處理水質(zhì)中總氮質(zhì)量濃度的目的。
硝化反應(yīng)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(yīng)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(yīng)為：
硝化反應(yīng)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(yīng)為：
而如果是短程硝化反硝化，氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程為：NH4+→HNO2→N2。NO2-不再轉(zhuǎn)化為NO3-而直接轉(zhuǎn)化為N2，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中氮的去除。然而在實(shí)際應(yīng)用或已有研究中發(fā)現(xiàn)NO2-很容易被氧化變成NO3-，這就難以實(shí)現(xiàn)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(dú)設(shè)置缺氧區(qū)的活性污泥法處理系統(tǒng)內(nèi)TN被大量去除的過(guò)程。對(duì)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(rèn)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，裝置內(nèi)有不同部分的缺氧區(qū)以及好氧區(qū)，這使得硝化以及反硝化作用能實(shí)現(xiàn)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(nèi)核的不同層面上，氧的傳輸?shù)玫阶璧K，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?yàn)楹醚跸趸谙趸磻?yīng)的過(guò)程中，里面含量較低而形成缺氧區(qū)域，大部分是為反硝化菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)，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(yīng)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(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)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(tǒng)的脫氮方法，本質(zhì)上的區(qū)別是在硝化階段只將NH4+-N氧化為亞硝酸鹽氮，接著就直接進(jìn)入反硝化階段，技術(shù)重點(diǎn)是必須妥當(dāng)?shù)木S持NO2--N的積累，經(jīng)短程過(guò)很多實(shí)驗(yàn)研究，研究人員最終找到了能夠通過(guò)控制pH實(shí)現(xiàn)NO2--N的累積。國(guó)內(nèi)高大文等在28℃的情況中啟動(dòng)裝置脫氮，通過(guò)調(diào)節(jié)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(dá)到90%左右，成功實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化生物脫氮工藝的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
硝化生物脫氮工藝的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此工藝在曝氣過(guò)程就能節(jié)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(jī)碳源，同時(shí)還有產(chǎn)生污泥少和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，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(yīng)用。
2.4 好氧反硝化脫氮技術(shù)
對(duì)好氧反硝化生物脫氮的機(jī)制研究現(xiàn)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(rèn)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?yàn)槭苤朴谘鯏U(kuò)散作用，在微生物絮體內(nèi)形成了DO梯度，以至于總體環(huán)境為好氧，而絮體內(nèi)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(yǎng)菌、好氧硝化菌；深入絮體內(nèi)層，氧傳輸受限，同時(shí)有機(jī)物氧化、硝化作用需要許多氧，絮體內(nèi)部變成了缺氧區(qū)，占優(yōu)菌種為反硝化菌。恰恰因?yàn)槲⑸镄躞w內(nèi)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(xiàn)。
2.5 CRI系統(tǒng)脫氮技術(shù)
人工快速滲濾系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CRI系統(tǒng))是一種新型污水生態(tài)治理技術(shù)，是建立在快滲系統(tǒng)(RI)的基礎(chǔ)上，CRI系統(tǒng)是針對(duì)受污染的地表水和小城鎮(zhèn)生活污水的污水處理生態(tài)工程技術(shù)，正成為國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。CRI系統(tǒng)根據(jù)滲濾介質(zhì)以及介質(zhì)上繁殖的微生物對(duì)水中污染物質(zhì)的吸附、截留以及分解，達(dá)到污水凈化的效果，CRI系統(tǒng)特殊的結(jié)構(gòu)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(jù)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(xiàn)對(duì)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(jī)械曝氣等大耗能設(shè)備，很大程度減少處理設(shè)施的投資和運(yùn)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(duì)傳統(tǒng)土地處理技術(shù)較小，工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，投入資金低，運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)小城鎮(zhèn)生活廢水和受到污染的地表水處理具有明顯優(yōu)勢(shì)和重要的應(yīng)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(jī)理研究還不夠深入，大多工藝技術(shù)依然處于實(shí)驗(yàn)室。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面：
(1)傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝在實(shí)際應(yīng)用或已有研究中發(fā)現(xiàn)NO2-很容易被氧化變成NO3-，這就難以實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。因此，要想實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化NO2-直接轉(zhuǎn)化為N2就必須使CRI系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)今在好氧反硝化的應(yīng)用上，不管是根據(jù)宏觀環(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(tǒng)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，難以稱為絕對(duì)意義上的好氧反硝化，無(wú)法展現(xiàn)出好氧反硝化工藝的優(yōu)點(diǎn)。另外，現(xiàn)今篩選出的好氧反硝化菌大多數(shù)功效低下，往往只能在DO在2mg/L之下的情況中表現(xiàn)出反硝化活性。在我國(guó)，好氧反硝化的研究剛剛起步，但是優(yōu)勢(shì)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(tǒng)脫氮技術(shù)對(duì)總氮(TN)、總磷(TP)的去除率較低，對(duì)TN的去除率為10%~30%，對(duì)TP的去除率為30%~55%，不能達(dá)標(biāo)排放。若基于此研究CRI系統(tǒng)的好氧反硝化機(jī)理，研究成果能豐富和拓展人工快速滲濾系統(tǒng)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。( >
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