水体常见含氮污染物的治理技术研究进展综述

孙据正

1. 氨氮治理技术

作为水环境质量评价的典型指标，氨氮一直是人们关注的焦点。我国对氨氮废水的处理处置一直非常重视，研究人员已经开发出了多种成熟的治理技术，包括活性污泥法、折点加氯法、离子交换法、膜分离法、化学氧化法等。根据其实现原理的不同，这些技术可以归结为富集分离法、氧化法以及生物法。

1.1氨氮富集分离

（1）离子交换与吸附

离子交换和吸附经常一起讨论，因为两者去除氨氮的原理类似。离子交换和吸附是从废水中去除氨氮的最可行方法，其优点是高效、稳定且成本低[1]。

沸石作为一种成本低廉的阳离子交换剂，对NH4+有极强的选择性交换能力，因此被广泛应用于氨氮吸附领域。该技术的效果与pH有较大的关系，且该方法很难将氨氮浓度降至0.5 mg/L以下，面对微污染水源水中的氨氮时的表现并不尽如人意。

（2）膜富集

膜是具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料。它可以将流体分成两个未连接的部分，以便一种或多种物质可以穿过膜并分离其他物质。膜的材料和孔径主要影响膜的性质和化学结构。

传统的聚合膜材料表现出了较差的热稳定性和化学稳定性，并且需要相对温和的使用条件和反应环境，从而导致对其应用的某些限制。尽管陶瓷膜在某种程度上解决了上述问题，但是陶瓷膜（烧结温度高于1500 ℃）的生产相对昂贵[2]。不过随着膜技术的发展和工厂规模的扩大，成膜技术的建设和运营成本大大降低，因此，膜技术仍被认为是具有发展潜力的纯化技术。

（3）化学沉淀

该技术通过投加磷酸盐、镁盐，使废水中的NH4+与PO4+、Mg2+反应生成沉淀物——磷酸铵镁（MgNH4PO4·6H2O），达到氨氮去除的目的。该方法流程简单易操作，去除速度快且较彻底，通过优化pH与几种离子的配比关系，其处理残液的氨浓度可达1 ppm以下[3]。而且收集到的沉淀物可以用作农作物所需的复合肥料，实现废物利用。但该方法仅能实现对氨氮的富集，对总氮去除帮助不大，而且在处理较高浓度的氨氮废水时会存在药剂使用量大、污泥生成量多、成本偏高等问题。

1.2 生物技术

生物脱氮技术当前应用最为广泛，其采用基于活性污泥的顺序硝化和反硝化的策略，通过形成硝酸盐作为中间体将母体化合物转化为氮。为了降低此类过程的净能量需求，可以通过同时实现硝化和反硝化或使用厌氧氨氧化细菌来改进传统工艺[4]。然而，生物需要较长的适应周期，且过程中还需要对敏感变量（例如温度、pH和溶解氧水平等）密切监视。此外，该过程还存在有害气体N2O的困扰。

1.3 氨氧化技术

（1）折点氯化法

折点氯化法是指通過将氯气或次氯酸钠加入到氨氮废水中，将其氧化为N2的方法，随着氯气通入量的增加，会出现某一点，此时水中游离氯含量较低，氨的浓度降至零，该点称为折点，因此该法被称作折点氯化法。

该方法可以将氨氮降至很低的水平，而且可以实现完全脱氮，不必担心硝酸盐等的困扰，但该过程产生氯胺等有毒有害的副产物，尤其是当水中含有其他有机物时，诸多消毒副产物的产生将不可避免。

（2）电化学氧化

电化学氧化利用电能处理废水，具有操作简单，降解彻底，无二次污染的优点[5]。当前的研究发现，电化学氧化可通过两种方法净化废水：阳极直接氧化或利用生成的氧化介导中间体进行间接氧化，这主要受电极材料和溶液性质的影响。先前的研究使用铜电极作为阴极，Ti/IrO2作为阳极，以选择性地将溶液中的硝酸盐还原为氮[6]。结合以上两种思路，Song等采用单电池电化学系统，使用氯离子作为中间电子介体，以同时去除废水中的氨和硝酸盐。该方法还原了阴极中的硝酸盐，并还原了阳极中的氨，最终产生了氮气[5]。值得注意的是，CODcr也随着电解过程而降解并转化为二氧化碳。

2. 硝酸盐治理技术

当前常见的治理硝酸盐污染的方法包括使用零价铁化学反硝化、离子交换（IX）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、催化脱氮和生物脱氮等。世界卫生组织（WHO）提出将生物脱氮和离子交换法作为硝酸盐去除的首选，而美国环保局推荐将离子交换法、反渗透和电渗析作为去除饮用水硝酸盐的最佳可行技术。但这些建议的最佳可行技术均比较昂贵，很难实现水源水的原位治理[7]。

零价铁（ZVI）已被广泛地用于不同污染物的降解，包括硝酸盐。但是，诸多文章报道了该技术的局限性。例如，Cheng等报道了该方法的主要缺点是ZVI还原过程会产生更多的铵根离子以及要求控制反应体系pH在低水平[8]。此外，生物反硝化工艺很难应用于无机废水处理，因为需要额外的有机基质作为电子给体。

相比较而言，离子交换法由于便利、易于操作和设计简单，而更有希望推广使用。当前测试效果较好的离子交换材料包括碳基吸附剂、粘土、沸石、壳聚糖等[9]。但离子交换法仅实现了硝酸盐的收集，无法将其转化为无害的氮气，处理过程容易形成二次污染。Doudrick等[10]将离子交换技术与光催化硝酸盐还原结合，前者实现硝酸盐的富集，后者实现完全脱氮，取得了很好的硝酸盐完全去除效果。

3. 有机氮治理现状

有机氮在我国水源水中的存在较为普遍。以长江口原水为例，根据卢宁等对长江口原水的溶解性有机氮的调查结果，长江口原水中溶解性有机氮（DON）占总溶解性氮（TDN）的3%～24%，其浓度在0.07～0.45 mg/L之间变化[11]。

朱文倩等研究了常规工艺（过滤、沉淀）对长江原水的处理效果，发现溶解性有机氮的去除率仅16.7%，甚至在过滤工艺中溶解性有机氮的含量还略有增加（归因于滤池生物膜的脱落）[12]。Lee等对美国28家水厂的进出水的溶解性有机氮的长期监测结果显示，水厂完整的处理工艺平均去除了20%的溶解性有机氮[13]。

Parkin和McCarty曾提出颗粒状活性炭和化学沉淀可能是去除DON的最有效方法。但是，Pehlivanoglu Mantas和Sedlak的研究表明DON是相对亲水的，因此不太可能通过吸附在活性炭上而被去除[14]。不过，明矾凝结已经被证实能够去除糖蜜废水[15]和地表水[16]中存在的含氮有机化合物。

基金项目：陈行水库避污蓄清优化调度研究与应用，编号为（04002531027）

同济大学环境科学与工程学院 上海 200082