城镇污水中氮的形态及相互关系

全国排水委员会２００６年年会论文集城镇污水中氮的形态及相互关系孔令勇（中国市政工程西北设计研究院，甘肃兰卅Ｉ７３００００）摘要：本文简要阐述了城镇污水中氮的组成，讨论了不同条件下城镇污水中氮的存在形态特征及其变化关系，提ｊＨＴＩ程设计中对水质监测指标的利用和简化方法。关键词：城镇污水；氮；形态；关系城镇污水的污染物组成是相当复杂的，从其性质可分为物理的、化学的、生物的三大类。污水中的固体、浊度、色度、温度等表征了污水的物理特征：氮、磷、酸碱度、金属盐类、各种气体分子等表征了污水的无机化合物特征；生化需氧量、化学需氧量、有机碳等表征了污水的有机化合物特征；而细菌、微生物、毒性等表征了污水的生物特征。城镇污水处理的目的，就足通过一系列物理、化学或生物的方法，使污水中的这些污染物含量减低到可以允许的程度，以满足不同水域的排放标准，或不同用途的水资源回用要求。本世纪以来，由于综合国力的不断增强和建设与污染的矛盾不断加深，我国对污水处理的要求也进一步提升，对城镇污水处理厂的排放标准进行了修订，发布实施了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８．２００２）。城镇污水处理厂的建设方针，也由上世纪末的以一级（强化）物理处理和二级生物除碳并重，以减轻环境压力为目标，提升至要求以脱氮除磷的二级生物硝化反硝化和深度处理回用并重，强调以污水资源化为目标。从而使污水脱氮除磷，成为新建或改建城镇污水处理厂的必备功能。正确了解氮在城镇污水中的各种组分及其相互关系，是正确使用水质监测数据，指导设计污水处理脱氮工艺的关键环节。一方面，氨在污水中的存在形态及在各种条件Ｆ的变化情况，有关手册和文献中缺乏较为系统的介绍，另一方面，作为设计依据的检测资料，由于缺项而不能全面反映氮在污水中的各种组分。这往往导致污水处理工艺的设计人员在正确利用水质资料方面发生困难。为此，有必要对其进行一些归纳与总结。１城镇污水中氮的组成及关系城镇污水中各种形态氮的总量．用总氮（ＴＮ）来表示；总氮由总硝态氯（ＴＮＯｘ）和总凯氏氮（ＴＫＮ）组成；总硝态氮又分为硝酸盐氮（Ｎ０３－）和亚硝酸盐氨（Ｎ０２＂）：总凯氏氮又分为总氨氮（ＴＡＮ）和总有机氮（Ⅱ｝Ｎ）。其间的关系可以用如下的关系式来表达：总氮＝总硝态氯＋总凯氏氮＝（硝酸盐氮＋亚硝酸盐氮）＋（总氨氮＋总有机氮）＝（硝酸盐氮＋亚硝酸盐氮）＋（离子态氨氮＋分子态氨氮＋总有机氮）或：ＴＮ＝ＴＮＯｘ＋ＴＫＮ＝Ｎ０３－＋ＮＯｉ＋ＮＨ４’＋ＮＨ３＋ＴＢＮ为了更进一步地了解污水中氮的形态、定义和关系．可以参照表１。污水中氨的形态和关系，也可以用图１来形象的表达。城镇污水处理厂的进水中的氮，主要以有机氮和氨氮为主，除非确认系统中有大量的硝酸盐氦直接排入，且进厂污水处于好氧状态。因此人们往往以总凯氏氮近似地表征原污水中的总氮。．６２．孔令勇：城镇污水中氮的形态及相互关系表１污水中氮的形态和定义１２Ｉ序号ｌ２３４５６７８９１０氮的形态、名称氨气、游离氨、分子态氨氮铵盐离子、离子态氨氮总氨氨（或氨氮）亚硝酸盐氮硝酸盐氨总硝态氮（或总硝酸盐氮）总无机氮总凯氏氨总有机氮总氮简写或代号ＮＨ３定义游离于水中的氧气分子，ＮＨ，水觯的铵盐离了，Ｎ｝ｏＮ叱＋ＴＡＮ或ＴＮＨｘＮ０２－Ｎ０３。ＴＮＯｘＴＩＮＴＫＮＴＢＮＴＮＩⅫ＝ＮＨ３＋ＮＨ４十亚硝酸根，Ｎ０２‘硝酸根，ＮＯ，。ＴＮＯｘ＝Ｎ０２－＋Ｎ０３。ＴＩＮ＝Ｎ０２＋Ｎ０３＋ＮＨ３＋ＮＨ４＋ＴＫＮ＝ＮＨ３＋ＮＨ，＋ＴＢＮＴＢＮ＝ＴＫＮ－（ＮＨ３＋Ｎ也＋）ＴＮ＝Ｎ０２＂＋ＮＯｒ＋ＮＨ３＋ＮＨ４＋＋’ｒＢＮ城镇污水中的总氮（ＴＮ）卜—一总硝态氮（ＴＮＯｘ）硝酸盐氮（Ｎ０３）亚硝酸盐氯（Ｎ０２）丽丽卜型２城镇污水中氮组成的变化离子态氧氯（Ⅲ）分子态氯氮（Ｎｉｔ，）总有机氮（ＴＢＮ）图１污水中氮的形态和关系城镇污水处理厂的进水中的氮，主要以有机氮和氨氮为主，除非确认系统中有大量的硝酸盐氮直接排入，且进厂污水处于好氧状态。因此人们往往以总凯氏氮近似地表征原污水中的总氮。氨氮在城镇污水中的存在形式有游离氢或称作分子态氨氮（ＮＨ３）与铵盐离子或称作离子态氨氮（ＮＨ４＋）两种，污水中的氨氮将依据溶液的ｐＨ值以分子态氨氮或以离子态铵盐的形态存在。当污水ｐＨ值在７以下时，分子态氨氮不存在；当污水ｐＨ值在８以下时，分子态氨氮的比例最大不超过５％：只有在ｐＨ值大于９．２５时，分子态氨氮才占主导地位。详见“氨氮的酸碱平衡图”。１００、１００８０＼】／／舯氟印彘Ｉ皿籁电６０舡娜：一—ｊ、｝一ＮＨ。／／，曼４０受２０＼｝，／９ｌ厂一ｐｌＦ母２１加号受２０００５６７一／８／＼１０ｌｌ１２１３ＰＨ值图２氨氮的酸碱平衡图注意溶于水中的分子态氢氮是不稳定的，受热或曝气作用均可以使其挥发减量。除非高碱性的化工污水，或在城镇污水处理厂附近有大量化工污水的集中排入，否则会由于流动过程中的扰动曝，６３．全国排水委员会２００６年年会论文集气而挥发，收集过程越长，其含量越低，甚至挥发殆尽。同样的道理，在充分曝气和接近中性的城镇污水处理厂出水中，几乎不存在分子态氨氮。因此，人们往往以离子态氨氮（ＮＨ４＋）近似地表征原污水或处理水中的氨氮。亚硝酸盐很不稳定，极易氧化为硝酸盐。即便是污水处理厂进水，其含量也很少超过ｌｍｇ／Ｌ。在污水处理过程中它是硝酸盐还原为氮气的中间体（Ｎ０３一ＮＯｉ—ＮＯ—Ｎ２０—Ｎ２。因此在硝化充分的城镇污水处理厂，出水中亚硝酸盐含量很低，往往低于０．Ｉｍｇ／Ｌ，可以忽略不计。有机氮也容易在微生物的作用下分解，在无氧的条件下分解为氨氮，在有氧的条件下先分解为氨氮，再分解为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。故运行良好的城镇污水处理厂，大量的有机氮已被细菌转化为氨氮或硝酸盐氮（转化率一般在５０％～８０％），出水中总有机氮含量很少。当城镇污水处理厂进水中有机氮含量较高时，污水的生物处理应当采用较长的停留时间和曝气时间，否则会出现处理后水的氨氮反而比进水要高（或氢氮处理效果很不理想）的现象。这是由于生物处理过程中大量的有机氮转化为氨氮，还没来得及发生硝化反应（或硝化反应不完全）所导致，这样的例子在实践中经常碰到。根据以上的条件，可以把不同情况下污水中氮的形态进行一些简化。２．１城镇污水厂进水①当污水处于缺氧或厌氧状态时，总硝态氮可忽略不计。则：总氮一总凯氏氮＝离子态氨氮＋分子态氨氮＋总有机氮或：ＴＮ≈１ｘＮ＝Ｎ｝１４＋＋ＮＨ３＋ＴＢＮ②当污水ｐＨ值在７—８以下，或管道系统长，地形高差大，氨氮集中排污点远的情况，分子态氨氮（ＮＨ３）也可忽略不计。则：总氮。总凯氏氮＊离子态氨氮＋总有机氮或：ＴＮ≈ｎ洲≈Ｎ｝１４’＋ＴＢＮ２．２城镇污水厂出水①在硝化充分的城镇污水处理厂出水中，亚硝酸盐氮可忽略不计。则：总氮＝总硝态氮＋总凯氏氮。硝酸盐氮＋离子态氨氮＋分子态氨氨＋总有机氮或：ＴＮ＝ＴＮＯｘ＋ＴＫＮ≈Ｎ０３‘＋ＮＨ４十＋ＮＨ３＋ＴＢＮ②城镇污水处理厂出水中分子态氨氟（ＮＩ－１３）几乎不存在，也可忽略不计。则：总氨＝总硝态氮＋总凯氏氮ｍ硝酸盐氮＋离子态氨氮＋总有机氮或：ＴＮ＝ＴＮＯｘ－－ＦＴＫＮ≈Ｎ０３’＋Ｎ｝Ｆ＋ＴＢＮ③运行良好的城镇污水处理厂，如果进水中总有机氮含量较低，出水也可忽略不计。则：总氮＝总硝态氮＋总凯氏氮一硝酸盐氮＋离子态氨氮或：ＴＮ＝ＴＮＯｘ＋ＴＫＮ≈Ｎ０３。＋ＮＩｉ４＋３结论①一般的文件中，汉字“氨氮”表示污水中各种形式的氨态氮，即包含了游离氨或称作分子态氨氮（ＮＩ－１３）与铵盐离子或称作离子态氨氮（ＮＨ４＋）两种，一般不会发生歧义。但在用符号表达时有用“ＮＨ３－Ｎ”的（很多文献甚至有些国家标准也这样使用，非常普遍），也有用“ＮＨ４＋－Ｎ”的，均不十分准确，就产生了歧义。而使用“ＮＨｘ－Ｎ”、“ＴＡＮ”、“ＡＮ”来表示。氨氮”则比较客观。只有．６４—孔令勇；城镇污水中氮的形态及相互关系当确认污水中不含有分子态氨氯时（如城镇污水一中性或偏酸性污水），才可以用“ＮＩ山＋－Ｎ”来近似地代表“氨氨”，而用“ＮＨ３－Ｎ”表示在大多数场合是错误的。②一般的检测的报告中，只给出进水总凯氏氮（ｎＮ）和氨氮（ＮＨｘ－Ｎ）的指标，是可以接受的，可以理解为城镇污水处理厂进水总硝态氮几乎为零。而总凯氏氮（ＴＫＮ）和氨氮（ＮＨｘ－Ｎ）的差值即为总有机氮（ＴＢＮ）。③城镇污水处理厂出水指标。国家标准只要求总氮（ＴＮ）和氨氮（ＮＨｘ－Ｎ或理解为ＮＨ４＋－Ｎ），符合出水中亚硝酸盐、分子态氨氮、有机氮含量甚微的客观规律。而总氮（ＴＮ）和氨氮（ＮＨｘ－Ｎ）的差值即为硝酸盐氮（Ｎ０３－）。电话；０９３１．８７６１５１６．６５．城镇污水中氮的形态及相互关系

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孔令勇

中国市政工程西北设计研究院,甘肃,兰州,730000

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