水體中的氮元素由于是造成富營養(yǎng)化的元兇，往往是水污染控制行業(yè)的科研和工程技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)，其重要性甚至不亞于有機(jī)污染物。本文梳理了水體中氮元素中的常見存在形態(tài)以及各自的概念和測(cè)試方法。

一、氮元素的關(guān)系

進(jìn)入水體中的氮主要有無機(jī)氮和有機(jī)氮之分。無機(jī)氮包括氨態(tài)氮（簡稱氨氮）和硝態(tài)氮。

氨氮包括游離氨態(tài)氮NH3-N和銨鹽態(tài)氮NH4+-N

硝態(tài)氮包括硝酸鹽氮NO3--N和亞硝酸鹽氮NO2--N

有機(jī)氮主要有尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、尿酸、脂肪胺、有機(jī)堿、氨基糖等含氮有機(jī)物；

可溶性有機(jī)氮主要以尿素和蛋白質(zhì)形式存在，它可以通過氨化等作用轉(zhuǎn)換為氨氮；

凱氏氮包括有機(jī)氮與氨氮，不包括硝態(tài)氮。

二、各類氮的成分分析

目前，國標(biāo)針對(duì)水質(zhì)中氮的分析主要分總氮、氨氮、硝態(tài)氮、凱氏氮4個(gè)方面。

1、總氮

總氮是指可溶性及懸浮顆粒中的含氮量（通常測(cè)定硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、無機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨幾大部分有機(jī)含氮化合物中氮的總和）。可溶性總氮是指水中可溶性及含可過濾性固體（小于0.45 m顆粒物）的含氮量?？偟呛饬克|(zhì)的重要指標(biāo)之一。

總氮的測(cè)定方法，一是采用分別測(cè)定有機(jī)氮和無機(jī)氮化合物（氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮）后加和的辦法。二是以過硫酸鉀氧化，使有機(jī)氮和無機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}后，通過離子選擇電極法對(duì)溶液中的硝酸根離子進(jìn)行測(cè)量，也可以用紫外法或還原為亞硝酸鹽后，用偶氮比色法，以及離子色譜法進(jìn)行測(cè)定。

2、凱氏氮

凱氏氮是以凱氏法測(cè)得的的含氮量。它包括氨氮和在此條件下能被轉(zhuǎn)化為銨鹽而測(cè)定的有機(jī)氮化合物。此類有機(jī)氮主要指蛋白質(zhì)、胨、氨基酸、核酸、尿素以及大量合成的，氮為負(fù)三價(jià)的有機(jī)氮化合物。不包括疊氮化合物、聯(lián)氮、偶氮、腙、硝酸鹽、腈、硝基、亞硝基、肟和半卡巴腙類含氮化合物。由于水中一般存在的有機(jī)化合物多為前者，因此，在測(cè)定凱氏氮和氨氮后，其差值即稱之為有機(jī)氮。

測(cè)定原理是加入硫酸加熱消解，使有機(jī)物中的胺基以及游離氨和銨鹽均轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩釟滗@，消解后的液體，使呈堿性蒸餾出氨，吸收于硼酸溶液，然后以滴定法或光度法測(cè)定氨含量。測(cè)定凱氏氮或有機(jī)氮，主要是為了了解水體受污染狀況，尤其在評(píng)價(jià)湖泊和水庫的富營養(yǎng)化時(shí)，是個(gè)有意義的指標(biāo)。

3、氨氮

氨氮是指游離氨（或稱非離子氨，NH3）或離子氨（NH4+）形態(tài)存在的氨。pH較高，游離氨的比例較高；反之，銨鹽的比例高。

氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對(duì)魚類及某些水生生物有毒害。

氨氮對(duì)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(qiáng)而增大。氨氮毒性與池水的pH值及水溫有密切關(guān)系，一般情況，pH值及水溫愈高，毒性愈強(qiáng)。

常用來測(cè)定氨的兩個(gè)近似靈敏度的比色方法是經(jīng)典的納氏試劑法和苯酚-次氯酸鹽法；滴定法和電極法也常用來測(cè)定氨；當(dāng)氨氮含量高時(shí)，也可采用蒸餾-滴定法。（國標(biāo)有納氏試劑法、水楊酸分光光度法、蒸餾-滴定法）

4、硝態(tài)氮

（1）硝酸鹽

水中硝酸鹽是在有氧條件下，各種形態(tài)含氮化合物中zui穩(wěn)定的氮化合物，通常用以表示含氮有機(jī)物無機(jī)化作用最終階段的分解產(chǎn)物。當(dāng)水樣中僅含有硝酸鹽而不存在其他有機(jī)或無機(jī)的氮化合物時(shí)，認(rèn)為有機(jī)氮化合物分解*。如果水中含有較多量的硝酸鹽同時(shí)含有其他含氮化合物時(shí)，則表示有污染物已經(jīng)進(jìn)入水系，水的“自凈"作用尚在進(jìn)行。

硝酸鹽氮的測(cè)定方法有離子選擇電極法、酚二磺酸分光光度法、鎘柱還原法、紫外分光光度法、戴氏合金換元法、離子色譜法、紫外法。

其中電極法測(cè)量方便，范圍寬，而且價(jià)格便宜，對(duì)水樣要求較低；酚二磺酸分光光度法測(cè)量范圍寬，顯色穩(wěn)定；鎘柱還原法適用于水中低含量硝酸鹽測(cè)定；戴氏合金換元法適用于污染嚴(yán)重并帶深色水樣；離子色譜法需要專用儀器，但可與其他陰離子聯(lián)合測(cè)定。

（2）亞硝酸鹽

亞硝酸鹽是氮循環(huán)的中間產(chǎn)物。亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定，可以氧化成硝酸鹽氮，也可以還原成氨氮。因此，在測(cè)定其含量的同時(shí)，并了解水中硝酸鹽和氨的含量，則可以判斷水系被含氮化合物污染的程度及自凈情況。

水中亞硝酸鹽的測(cè)定方法通常采用重氮-偶聯(lián)反應(yīng)，使生成紅紫色染料。該方法靈敏度高、檢出限低、選擇性強(qiáng)。重氮試劑選用對(duì)氨基苯磺酰胺和對(duì)氨基苯磺酸，偶聯(lián)試劑為N-（1-萘基）-乙二胺和α-萘胺（有毒），N-（1-萘基）-乙二胺用得較多。

亞硝酸鹽氮的測(cè)定方法有N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法、萃取分光光度法、離子色譜法、氣相色譜法等。（國標(biāo)采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法、氣相色譜法等）

三、各類氮的去除

在污水處理中氮的主要形態(tài)是氨氮，但是還有一些非生活污水中，含有有機(jī)氮或者硝態(tài)氮，這些氮構(gòu)成了我們說的各類的不同形態(tài)的氮，我們遇到這類的氮一般是有機(jī)氮通過水解酸化轉(zhuǎn)化成氨氮，然后硝化成硝態(tài)氮；硝態(tài)氮利用反硝化來去除，歸根結(jié)底，總氮、氨氮、硝態(tài)氮、凱氏氮的去除最終還是轉(zhuǎn)化成硝化與反硝化的氮的去除，其實(shí)也就是氨氮與硝態(tài)氮的去除！目前常見的氮的去除技術(shù)有以下：

1、化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法又稱為MAP沉淀法，是通過向含有氨氮的廢水中投加鎂化物和磷酸或磷酸氫鹽，使廢水中的NH4﹢與Mg ﹢、PO4 ﹣在水溶液中反應(yīng)生成磷酸銨鎂沉淀，分子式為MgNH4P04.6H20，從而達(dá)到去除氨氮的目的。反應(yīng)方程式如下:

Mg ﹢+NH4﹢+PO4 ﹣=MgNH4P04

2、吹脫法

吹脫法去除氨氮是通過調(diào)整pH值至堿性，使廢水中的氨離子向氨轉(zhuǎn)化，使其主要以游離氨形態(tài)存在，再通過載氣將游離氨從廢水中帶出，從而達(dá)到去除氨氮的目的。影響吹脫效率的因素主要有pH值、溫度、氣液比、氣體流速、初始濃度等。目前，吹脫法在高濃度氨氮廢水處理中的應(yīng)用較多。

3、折點(diǎn)氯化法

折點(diǎn)氯化法除氨的機(jī)理為氯氣與氨反應(yīng)生成無害的氮?dú)猓?/span>N2逸人大氣，使反應(yīng)源不斷向右進(jìn)行。其反應(yīng)式為：

NH4﹢+1.5HOCl0.5N2+1.5H20+2.5H﹢+1.5Cl﹣

當(dāng)將氯氣通人廢水中達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，水中游離氯含量較低，而氨的濃度降為零;氯氣通人量超過該點(diǎn)時(shí)，水中游離氯的量就會(huì)增加，因此，稱該點(diǎn)為折點(diǎn)，該狀態(tài)下的氯化稱為折點(diǎn)氯化。

4、催化氧化法

催化氧化法是通過催化劑作用，在一定溫度、壓力下，經(jīng)空氣氧化，可使污水中的有機(jī)物和氨分別氧化分解成CO2、N2和H2O等無害物質(zhì)，達(dá)到凈化的目的。

催化氧化法具有凈化效率高、流程簡單、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，多用于處理高濃度氨氮廢水。應(yīng)用難點(diǎn)在于如何防止催化劑流失以及對(duì)設(shè)備的腐蝕防護(hù)。

5、電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法是指利用具有催化活性的電極氧化去除水中污染物的方法。影響因素有電流密度、進(jìn)水流量、出水放置時(shí)間和點(diǎn)解時(shí)間等。

研究含氨氮廢水在循環(huán)流動(dòng)式電解槽中的電化學(xué)氧化，其中陽極為Ti/Ru02-TiO2-Ir02-SnO2網(wǎng)狀電極，陰極為網(wǎng)狀鈦電極。結(jié)果表明，在氯離子濃度為400mg/L，初始氨氮濃度為40mg/L，進(jìn)水流量為600mL/min，電流密度為20mA/cm ，電解時(shí)間為90min時(shí)，氨氮去除率為99.37%。表明電解氧化含氨氮廢水具有較好的應(yīng)用前景。

6、全程硝化反硝化

全程硝化反硝化是目前應(yīng)用*時(shí)間最久的一種生物法，是在各種微生物作用下，經(jīng)過硝化、反硝化等一系列反應(yīng)將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而達(dá)到廢水治理的目的。全程硝化反硝化法去除氨氮需要經(jīng)過兩個(gè)階段：

硝化反應(yīng)：硝化反應(yīng)由好氧自養(yǎng)型微生物完成，在有氧狀態(tài)下，利用無機(jī)氮為氮源將NH4+化成NO2-，然后再氧化成NO3-的過程。硝化過程可以分成兩個(gè)階段。第一階段是由亞硝化菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（NO2-），第二階段由硝化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽（NO3-）。

反硝化反應(yīng)：反硝化反應(yīng)是在缺氧狀態(tài)下，反硝化菌將亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮（N2）的過程。反硝化菌為異養(yǎng)型微生物，多屬于兼性細(xì)菌，在缺氧狀態(tài)時(shí)，利用硝酸鹽中的氧作為電子受體，以有機(jī)物（污水中的BOD成分）作為電子供體，提供能量并被氧化穩(wěn)定。

全程硝化反硝化工程應(yīng)用中主要有AO、A2O、氧化溝等，是生物脫氮工業(yè)中應(yīng)用較為成熟的方法。

7、同步硝化反硝化(SND)

當(dāng)硝化與反硝化在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行時(shí)，稱為同時(shí)消化反硝化(SND)。廢水中的溶解氧受擴(kuò)散速度限制在微生物絮體或者生物膜上的微環(huán)境區(qū)域產(chǎn)生溶解氧梯度，使微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧梯度，利于好氧硝化菌和氨化菌的生長繁殖，越深入絮體或膜內(nèi)部，溶解氧濃度越低，產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢(shì)，從而形成同時(shí)消化反硝化過程。影響同時(shí)消化反硝化的因素有PH值、溫度、堿度、有機(jī)碳源、溶解氧及污泥齡等。

8、短程消化反硝化

短程硝化反硝化是在同一個(gè)反應(yīng)器中，先在有氧的條件下，利用氨氧化細(xì)菌將氨氧化成亞硝酸鹽，然后在缺氧的條件下，以有機(jī)物或外加碳源作電子供體，將亞硝酸鹽直接進(jìn)行反硝化生成氮?dú)狻?/span>

短程硝化反硝化過程不經(jīng)歷硝酸鹽階段，節(jié)約生物脫氮所需碳源。對(duì)于低C/N比的氨氮廢水具有一定的優(yōu)勢(shì)。短程硝化反硝化具有污泥量少，反應(yīng)時(shí)間短，節(jié)約反應(yīng)器體積等優(yōu)點(diǎn)。但短程硝化反硝化要求穩(wěn)定、持久的亞硝酸鹽積累，因此如何有效抑制硝化菌的活性成為關(guān)鍵。

9、厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是在缺氧條件下，以亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮為電子受體，利用自養(yǎng)菌將氨氮直接氧化為氮?dú)獾倪^程。

與傳統(tǒng)生物法相比，厭氧氨氧化無需外加碳源，需氧量低，無需試劑進(jìn)行中和，污泥產(chǎn)量少，是較經(jīng)濟(jì)的生物脫氮技術(shù)。厭氧氨氧化的缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，所需反應(yīng)器容積較大，且碳源對(duì)厭氧氨氧化不利，對(duì)于解決可生化性差的氨氮廢水具有現(xiàn)實(shí)意義。

10、膜分離法

膜分離法是利用膜的選擇透過性對(duì)液體中的成分進(jìn)行選擇性分離，從而達(dá)到氨氮脫除的目的。包括反滲透、納濾、脫氨膜及電滲析等。

脫氨膜系統(tǒng)一般用于高氨氮廢水處理中，氨氮在水中存在以下平衡：NH4- +OH-= NH3+H2O運(yùn)行中，含氨氮廢水流動(dòng)在膜組件的殼程，酸吸收液流動(dòng)在膜組件的管程。廢水中PH提高或者溫度上升時(shí)，上述平衡將會(huì)向右移動(dòng)，銨根離子NH4-變成游離的氣態(tài)NH3。這時(shí)氣態(tài)NH3可以透過中空纖維表面的微孔從殼程中的廢水相進(jìn)入管程的酸吸收液相，被酸液吸收立刻又變成離子態(tài)的NH4-。保持廢水的PH在10以上，并且溫度在35℃以上（50 ℃ 以下），這樣廢水相中的NH4就會(huì)源源不斷地變成NH3向吸收液相遷移。從而廢水側(cè)的氨氮濃度不斷下降；而酸吸收液相由于只有酸和NH4-，所以形成的是非常純凈的銨鹽，并且在不斷地循環(huán)后達(dá)到一定的濃度，可以被回收利用。而該技術(shù)的使用一方面可以大大的提升廢水中氨氮的去除率，另一方面可以降低廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)營總成本。

11、電滲析法

電滲析法是利用施加在陰陽膜對(duì)之間的電壓去除水溶液中溶解的固體。氨氮廢水中的氨離子及其它離子在電壓的作用下，通過膜在含氨的濃水中富集，從而達(dá)到去除的目的。

采用電滲析法處理高濃度氨氮無機(jī)廢水取得較好效果。對(duì)濃度為2000--3000mg/L氨氮廢水，氨氮去除率可在85%以上，同時(shí)可獲得8.9%的濃氨水。電滲析法運(yùn)行過程中消耗的電量與廢水中氨氮的量成正比。電滲析法處理廢水不受pH值、溫度、壓力限制，操作簡便。

膜分離法的優(yōu)點(diǎn)是氨氮回收率高，操作簡便，處理效果穩(wěn)定，無二次污染等。但在處理高濃度氨氮廢水時(shí)，除了脫氨膜外其他的的膜易結(jié)垢堵塞，再生、反洗頻繁，增加處理成本，故該法較適用于經(jīng)過預(yù)處理的或中低濃度的氨氮廢水。

12、離子交換法

離子交換法是通過對(duì)氨離子具有很強(qiáng)選擇吸附作用的材料去除廢水中氨氮的方法。常用的吸附材料有活性炭、沸石、蒙脫石及交換樹脂等。沸石是一種三維空間結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)和空穴，其中斜發(fā)沸石對(duì)氨離子有強(qiáng)的選擇吸附能力，且價(jià)格低，因此工程上常用斜發(fā)沸石作為氨氮廢水的吸附材料。影響斜發(fā)沸石處理效果的因素有粒徑、進(jìn)水氨氮濃度、接觸時(shí)間、pH值等。

沸石對(duì)氨氮的吸附效果明顯，蛙石次之，土壤與陶粒效果較差。沸石去除氨氮的途徑以離子交換作用為主，物理吸附作用很小，陶粒、土壤和蛙石3種填料的離子交換作用和物理吸附作用的效果相當(dāng)。4種填料的吸附量在溫度為15-35℃內(nèi)均隨溫度的升高而減小，在pH值為3-9范圍內(nèi)隨pH值升高而增大，振蕩6h均達(dá)到吸附平衡。

離子交換法具有投資小、工藝簡單、操作方便、對(duì)毒物和溫度不敏感、沸石經(jīng)再生可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。但處理高濃度氨氮廢水時(shí)，再生頻繁，給操作帶來不便，因此，需要與其他治理氨氮的方法聯(lián)合應(yīng)用，或者用于治理低濃度氨氮廢水。