總氮指標在污水處理中的重要性探討

余林康

[摘要]隨著城市規模的擴張，污水排放量的增加，我國水環境容量開始日趨緊張。某些湖泊、河體不時出現的富營養化現象，也引起了國家環保管理部門的重視。總氮作為水體富營養化的重要指標之一，由此被逐漸納入排放標準管理體系中。目前無論是污水廠排放標準，還是一些地方和企業標準，都已經對總氮排放提出了明確的要求。該文通過對總氮危害性的分析，進一步肯定規范總氮排放的重要性，并提出相應的治理建議。

[關鍵詞]排放標準 總氮指標 污水廠 脫氨工藝

0.引言

隨著城市人口的集中和工農業的發展，水體的富營養化問題日益突出。目前中國的某些湖泊，如昆明滇池、江蘇太湖、安徽巢湖等都已出現不同程度的富營養化現象。引起富營養化的營養元素有碳、磷、氮、鉀、鐵等，其中，氮和磷是引起藻類大量繁殖的主要因素。據統計，自然界固氮速率大約每年15000萬噸，而化學氮肥制造速率大約每年5000～6000噸，如大自然脫硝反應未能及時完成氮循環，過多含氮化合物，使水中氨氮養分造成大量藻類，浮游植物繁殖旺盛，出現水體富營養化狀態。

為遏制水環境不斷惡化的趨勢，一大批污水處理設施在我國各大中城市及城鎮相繼投巨資建成并投入運行，大大改善了不斷污染的河流、湖泊及地下水資源。

楊曉等對城市污水處理廠總氮去除的可行性研究表明，由于歷史原因，大部分已建成和正在建設的城市和工業污水處理廠（站）的污水凈化工藝對COD、BOD、氨氮、TP、SS的去除效果良好，而對TN的去除效果不理想。而國家近幾年又不斷在總氮排放標準上提出了嚴格的要求。

鑒于上述原因，本文就總氮在污水處理中的重要性、治理機理和技術做初步探討。

1.總氮治理的重要性分析

總氮為硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮與有機氮的總稱，水中的氨氮在氧的作用下也可以生成亞硝酸鹽，并進一步形成硝酸鹽，同時水中的亞硝酸鹽也可以在厭氧條件下受微生物作用轉化為氮氣。總氮是反映水體富營養化的主要指標。

文獻提出，目前的富營養化控制上，國外通常將總氮濃度超過0.3mg/L，總磷濃度超過0.02mg/L作為富營養化的分界線。我國也已經將總氮濃度1.0mg/L作為富營養化水質標準。

無機氮中的氨氮是水體中的營養素，可導致水富營養化現象產生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害。國家相關部門很早就注意到氨氮的危害性，環境保護部環境規劃院副院長吳舜澤撰文表示：“氨氮作為主要超標污染物在七大水系中出現頻率非常高，氨氮污染是全國性的污染問題。”國家“十二五”規劃建議中，氨氮已成為繼COD后的全國主要水污染物排放的約束性指標。

但是，在一般的污水好氧處理工藝中，只是將氨氮轉化成硝酸鹽氮排放，但總氮含量并未降低，總氮并未脫除，無法減輕水體富營養化等環境問題，因此并未達到無害化處理效果。只有通過下一步反硝化處理，將殘余硝態氮通過生化反應生成無害的氮氣（N2），從水中逸出，最終實現氨氮的無害處理。從下述除總氮的原理可以看出，除污水中總氮需在有氧及缺氧兩種工藝條件下，由3種菌接力才可完成。硝化菌在菌群中所占比例很小，一般僅為5%左右，且繁殖周期長，對環境要求高，這就決定了處理無機氨的步驟多、時間長、限制因素多，必然造成處理池容積大、投資大。

不僅如此，處理費用高也是無機氮的處理難點之一。代秀蘭等認為，從耗氧量上看，處理無機氮理論上需耗氧氣與去除COD相比要高4-5倍，耗電自然也高4～5倍；另一項費用為藥劑費，因硝化反應會產生酸度，必須加堿中和；另外，因硝化反應后水中有機物已分解完，如要進行反硝化反應，需再補加有機物，以利于生化反應，國外大多添加甲醇，如硝態氮為2.5-3kg，需加甲醇1kg，這又是一筆費用。

張謙朋等對城市污水處理中提高生物脫氮效率進行了研究，研究結果表明：由于反應不同，條件不同，消耗也小同。所以處理氨氮難，處理到無害化，降低總氮則更難。

與氨氮相比，水體中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮含量超標，也同樣會使水環境質量惡化，還對人類以及動、植物油嚴重危害作用。飲用水中的NO^3-和NO^2-的含量過高，能引起變形血色素癥，變形血色素會破壞紅血球的載氧能力，引起人體嚴重缺氧而導致死亡。同時，飲用NO^3-和NO^2-的含量過高的水，可使得肝癌、食管癌、胃癌的發病率增高，因為NO^3-和NO^2-在自然條件下有可能轉化為強致癌的亞硝酸胺。水體中的亞硝酸氮超過1mg/L時，即會使水生生物的血液結合氧的能力降低；超過3mg/L時，可在24～96小時內使金魚、鳊魚死亡。因此，總氮是反映污水治理程度的一個重要指標。

2.總氮排放標準演變

目前，除非有地方或者行業標準，我國環保治理的排放標準依然采用國家環保總局于1996年批準，1998年實施的《污水綜合排放標準》（GB8978-1996），該標準至今已施行10多年，隨著時間的推移、科技的進步以及公眾對環境質量要求的提高，該標準已經越來越不適應當前環境保護管理的要求。陳國云等認為，《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）沒有對總氮排放提出要求，這顯然無法滿足水環境管理和地表水環境質量達標的實際需要。

2002年12月2日，國家環保總局批準的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GBl8918-2002）于2003年7月1日正式實施，《標準》分年限對城鎮污水處理廠的出水、無組織排放廢氣、污泥中污染物的控制項目和標準值作了規定。《標準》的出臺和實施為長效管理城鎮污水處理廠奠定基礎，提供了執法依據。與《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）比較，污染控制項目增多并實行了分類。值得注意的一點是，與環境控制指標相呼應。《標準》給出了總磷、總氮在不同水文下的標準限值，為有效控制這兩項指標提供了源頭上的保障。

2006年5月8日，國家環保總局發布了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GBl8918-2002）修改單，規定城鎮污水處理廠出水排入國家和省確定的重點流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時，執行一級標準的A標準，而不是原來的一級B標準。宋麗紅認為，此次修改進一步提高了污水排放對總氮的要求，尤其是在敏感的湖、庫等封閉或半封閉水域。這不僅體現了國家對改善環境，保護水源治理污染的重大決心，更說明了總氮排放已經引起了國家相關部門的重視。

總之，由于老標準中缺少總氮控制項目，因此給排放單位造成一種誤解，認為排水氨氮達標即萬事大吉，而對總氮則不聞不問，但是對環境的影響依然存在，這種治標不治本的治污方式、將會隨著控制總氮項目的實施而改變。

3.總氮去除機理簡述

污水中總氮包括有機氮和氨氮及硝酸鹽，但城市污水中的氮到達污水廠時以氨氮為主。通常生物脫氮包括硝化和反硝化兩個過程。

根據沈歡鑫等對污水處理廠普通A/O工藝的出水總氮預測分析：在污水廠的曝氣池中，在好氧環境中，原水BOD被化能異養菌氧化，氨態氮則被化能自養菌氧化（即硝化細菌）成硝態氮或亞硝態氮，完成硝化過程。因化能異養菌效率較高，而化能自養菌效率較低，硝化過程需要較長的污泥齡才能完全發揮硝化作用。硝化過程產生的硝態氮或亞硝態氮仍是總氮的組成部分，對總氮的去除沒有影響。但硝酸鹽或亞硝酸鹽具有較強的氧化能力，在缺氧環境下，當環境中溶解氧較低時，某些細菌能以硝酸鹽或亞硝酸鹽代替溶解氧作為氧供體，以進水中的BOD作為碳源和能量進行生命活動，將硝酸鹽氮還原成氮氣，由水中釋放出來，實現氮最終排出系統，完成反硝化過程。該過程最終的結果是，硝酸鹽或亞硝酸鹽供出其中的氧原子作為碳源的氧化劑，硝態氮或亞硝態氮則還原成游離氮（即反硝化）。正是由于硝化細菌和反硝化細菌的共同作用，總氮的去除才成為可能。

4.提高總氮去除率

目前現有城鎮污水處理廠主導工藝中大量采用A/A/O（含改進型UCT）工藝、SBR和氧化溝工藝。根據謝建華對氨氮、總氮、三氮轉化及氨氮在水污染評價及控制中的作用研究認為：這些工藝在去除有機物和氨氮方面效果較好，但是面對愈加嚴格的總氮和總磷排放要求，有些設施就必須進行技術改造來提升TN的處理效果。比如采用強化生物處理+深度處理、強化除磷脫氮等技術，盡可能對現有處理設施進行挖潛，通過強化現有工藝各個環節，特別是生物處理工藝的作用，盡量減少提高排放標準需要的資金投入。

強化生物處理技術主要是硝化菌生物強化，它可以極大地促進微生物種群中硝化菌群的高密度生長，導致快速啟動和原位硝化活性的提高。一些同定膜微生物反應器中接種的強化微生物能在生物膜中擴增或繁殖，提高了生物膜表面硝化菌的豐度從而導致硝化速率加快。

氨氮總氮一體化治理技術采用先進的短程硝化一反硝化工藝，通過投放、馴化優勢菌，增強了處理氨氮和總氮的能力。為提高總氮脫除率，還采用了好氧同步反硝化、外加碳源及利用內源呼吸的后置反硝化三項新技術，氮脫除率大干98%，總氮脫除率大于95%，完成了氨氮、總氮同步脫除的難題。

某些簡單的技術改造也有助于提高總氮去除效果。研究表明，在一些氨氮含量高，碳源嚴重不足的特殊條件下，限制生物曝氣反應池內DO不致過高，可以讓反應池內污泥濃度穩定。要達到同時除氮的目的，控制DO在0.4-1.5mg/L范圍，并保證一定的曝氣時間（3～5h），以減輕高氨氮、低碳源的不利影響。

5.結語

綜上所述，由于水體富營養化的影響，對總氮的控制已經引起了國家有關部門的高度重視。雖然現行較早發布的標準還不完善，但是，一些地方和企業已經根據各地環境容量及環境管理目標，對總氮的排放和水體環境濃度進行規劃管理。因此，地方及企業新上的污水處理設施都應該將總氮控制列入處理范圍，一步到位才是最佳選擇。對于已建污水處理設施，可以通過相應的技術改造和擴建，開始把降低總氮納入綜合治理范圍。