水環境中氨氮危害和分析方法及常用處理工藝

楊玉珍 王 婷 馬文鵬

“十一五”期間,我國把減排二氧化硫和化學需氧量作為約束性目標。然而,近幾年重點污染源考核結果及地表水監測結果表明,氨氮超標現象仍較嚴重。所以認清氨氮的來源,了解其危害,準確測試其含量,并采取有效的處理措施成為保護水環境不被氨氮污染的必要環節。

1 水體中氨氮的來源

氨氮(ammonia and nitrogen,簡稱NH3-N),指水中以游離氨(NH3)和銨鹽(NH+4)形式存在的氮,兩者的組成比決定于水的pH值和溫度,當pH值偏高時,游離氨的比例較高,反之,則氨鹽的比例較高,水溫則相反。

水中氨氮主要來源于生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物,焦化、合成氨等工業廢水,以及農田排水等。生活污水中平均含氮量每人每年可達2.5 kg～4.5 kg,雨水徑流以及農用化肥的流失也是氮的重要來源。另外,氨氮還來自鋼鐵、石化、焦化、合成氨、發電、水泥等化工廠向環境中排放工業廢水、含氨的氣體、粉塵和煙霧;隨著人民生活水平的不斷提高,私家車也越來越多,大量的自用轎車和各種型號的貨車等交通工具也向環境空氣排放一定量含氨的汽車尾氣。這些氣體中的氨溶于水中,形成氨氮。

2 氨氮的危害

1)對人體健康的影響。氮在自然環境中會進行氨的硝化過程,即有機物的生物分解轉化環節,氨化作用將復雜有機物轉換為氨氮,速度較快;硝化作用是在亞硝化菌、硝化菌作用下,在好氧條件下,將氨氮氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽;反硝化作用是在外界提供有機碳源情況下,由反硝化菌把硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣。氨氮在水體中硝化作用的產物硝酸鹽和亞硝酸鹽對飲用水有很大危害。硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度高的飲用水可能對人體造成兩種健康危害[1],長期飲用對身體極為不利,即誘發高鐵血紅蛋白癥和產生致癌的亞硝胺。硝酸鹽在胃腸道細菌作用下,可還原成亞硝酸鹽,亞硝酸鹽可與血紅蛋白結合形成高鐵血紅蛋白,造成缺氧。2)對生態環境的影響。氨氮對水生物起危害作用的主要是游離氨,其毒性比銨鹽大幾十倍,并隨堿性的增強而增大。氨氮毒性與池水的pH值及水溫有密切關系,一般情況,pH值及水溫愈高,毒性愈強,對魚的危害類似于亞硝酸鹽。魚類對水中氨氮比較敏感,有急性和慢性之分。慢性氨氮中毒危害為:攝食降低,生長減慢;組織損傷,降低氧在組織間的輸送;魚和蝦均需要與水體進行離子交換(鈉,鈣等),氨氮過高會增加鰓的通透性,損害鰓的離子交換功能;使水生生物長期處于應激狀態,增加動物對疾病的易感性,降低生長速度;降低生殖能力,減少懷卵量,降低卵的存活力,延遲產卵繁殖。急性氨氮中毒危害為:水生生物表現為亢奮、在水中喪失平衡、抽搐,嚴重者甚至死亡。

3 環境監測中氨氮的分析方法

測定水中的氨氮,有助于評價水體被污染和“自凈”狀況。只要水中有氨氮出現,則表示水體受到新的污染,水體自凈尚未完成。

測定水中氨氮的方法有納氏試劑分光光度法、水楊酸—次氯酸鹽分光光度法、蒸餾滴定法、電極法和氣相分子吸收光譜法[2]。其中前三種方法為環境保護部的標準方法。

納氏試劑比色法:其原理是以游離態的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應生成黃棕色絡合物,該絡合物的色度與氨氮的含量成正比。具有操作簡便,靈敏度高等優點,但水體中的鈣、鎂和鐵、錳等金屬離子、硫化物、醛和酮類、顏色以及渾濁等對測定均產生干擾,需要做相應的預處理,而且納氏試劑的毒性大。

水楊酸—次氯酸鹽分光光度法:其原理是在亞硝基鐵氰化鈉存在下,銨與水楊酸鹽和次氯酸鹽反應生成藍色化合物,在697 nm處比色測定。具有靈敏、穩定等優點,但其干擾情況和消除方法與納氏試劑比色法相同。而且這兩種方法的測量范圍較窄,不利于進行高濃度廢水的監測。

蒸餾滴定法:原理是調節試樣的pH在6.0～7.4范圍內,加入氧化鎂使其呈微堿性,蒸餾釋出的氨被接收瓶中的硼酸溶液吸收。以甲基紅—亞甲藍為指示劑,用酸標準溶液滴定餾出液中的銨。可以測定濃度較高的水樣,但由于此法需要蒸餾處理且需要一定的時間,測定時間又較長,是一種費時、費事、成本高的方法。

電極法所用氨氣敏電極為復合電極,以pH玻璃電極為指示電極,銀—氯化銀電極為參比電極。此電極對置于盛有0.1 mol/L氯化銨內充液的塑料套管中,管端部緊貼指示電極敏感膜處裝有疏水半滲透薄膜,使內電解液與外部試液隔開,半透膜與pH玻璃電極間有一層很薄的液膜。當水樣中加入強堿溶液將pH提高到11以上,使銨鹽轉化為氨,生成的氨由于擴散作用而通過半透膜(水和其他離子則不能通過),使氯化銨電解質液膜層內NH+4=NH3+H+的反應向左移動,引起氫離子濃度改變,由pH玻璃電極測得其變化。在恒定的離子強度下,測得的電動勢與水樣中氨氮濃度的對數成一定的線性關系。由此,可從測得的電位值確定樣品中氨氮的含量。電極法具有通常不需要對水樣進行預處理和范圍廣等優點,但電極壽命和再現性存在一些問題。

氣相分子吸收光譜法的原理是在水樣中加入次溴酸鈉氧化劑,將氨及銨鹽氧化成亞硝酸鹽。然后按亞硝酸鹽氮的氣相分子吸收光譜法測定水樣中氨氮的含量。但水樣中所含亞硝酸鹽對測定結果有正干擾,另外次溴酸鈉氧化能力極強,水中有機胺也將全部或部分被氧化成亞硝酸鹽,故水樣含有機胺時,需要進行蒸餾予以分離。

4 水中氨氮的處理工藝介紹

氨氮廢水的處理方法主要有以下幾種:膜分離法:處理效率高,但預處理困難,投資大,運行費用高,盡管前景看好,但目前技術、膜材料等尚不成熟。空氣吹脫法:會造成污染物的氣相轉移,一般已不能應用,除非后續有回收系統。空氣吹脫法作為一種粗獷的高濃度氨氮(1 000 mg/L以上)廢水預處理工藝,很難達到目前的排放標準,其后必須再加深度處理工藝(通常為生化工藝)。蒸汽氣提法:一般也作為高濃度氨氮(1 000 mg/L以上)的預處理方法,出水氨氮可降至200 mg/L左右,預處理效果比空氣吹脫法好,但要達到目前的排放標準也必須再加后續深度處理工藝(通常為生化工藝)。折點加氯法:一般作為深度處理,應用于氨氮小于5 mg/L,出水氨氮可降至0 mg/L。折點加氯會產生大量有機氯化物,使飲用水的安全性下降,因而一般不提倡使用。離子交換法:處理50mg/L左右的氨氮廢水時出水可降至1mg/L～3 mg/L,其氨氮去除率可達93%～97%,但樹脂用量大,再生頻繁,再生后廢水仍需考慮進一步處理,運轉費用很高。化學沉淀法:投加和,在pH=9～11時使之與氨氮形成難溶的 MAP結晶。但該方法目前僅限于實驗室試驗階段,試驗數據不全,技術尚不完善,有待于進一步研究。生物脫氮法:有多種生化脫氮的處理工藝,在處理城市污水中已得到廣泛運用,工藝技術已日趨成熟。主要有A/O,A2/O,倒置 A2/O,多點進水倒置A2/O,多種氧化溝工藝,多種傳統活性污泥結合氧化溝工藝,氧化溝結合SBR工藝及多種SBR工藝等。

生物脫氮主要是通過硝化和反硝化兩個步驟完成。即在好氧條件下硝化菌、亞硝化菌以氧作為電子受體,利用無機碳作為碳源,將氨氮轉化為硝態氮和亞硝態氮;在缺氧條件下反硝化菌利用各種有機碳作為電子供體,以硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體,將硝態氮和亞硝態氮還原成氮氣,達到脫氮的目的。

目前無需回流的SBR工藝在高氨氮廢水處理上的應用有明顯優勢。SBR工藝即序批式活性污泥法處理工藝,是一種既古老而又年輕的污水處理工藝。隨著自動控制設備及檢測儀表的發展,SBR工藝在歐美等發達國家的污水處理工程中得到了廣泛應用,SBR工藝在我國特別是工業廢水處理方面得到了迅速推廣使用。

5 結語

從水環境質量角度來看,氨氮污染已經成為全國性的污染問題,氨氮超標嚴重影響水體質量,了解氨氮的主要來源與危害,準確檢測出水體中氨氮的含量,并采用合理有效的措施對高氨氮水質進行處理,改善水體環境、減少氨氮超標對人類及水生生物的影響有著重要意義。

[1] [美]D.H.K.李.環境與健康[M].北京:人民衛生出版社,1986:529-549.