总氮指标在污水处理中的重要性探讨
0.引言
随着城市人口的集中和工农业的发展，水体的富营养化问题日益突出。目前中国的某些湖泊，如昆明滇池、江苏太湖、安徽巢湖等都已出现不同程度的富营养化现象。引起富营养化的营养元素有碳、磷、氮、钾、铁等，其中，氮和磷是引起藻类大量繁殖的主要因素。据统计，自然界固氮速率大约每年15000万吨，而化学氮肥制造速率大约每年5000～6000吨，如大自然脱硝反应未能及时完成氮循环，过多含氮化合物，使水中氨氮养分造成大量藻类，浮游植物繁殖旺盛，出现水体富营养化状态。
为遏制水环境不断恶化的趋势，一大批污水处理设施在我国各大中城市及城镇相继投巨资建成并投入运行，大大改善了不断污染的河流、湖泊及地下水资源。
杨晓等对城市污水处理厂总氮去除的可行性研究表明，由于历史原因，大部分已建成和正在建设的城市和工业污水处理厂（站）的污水净化工艺对COD、BOD、氨氮、TP、SS的去除效果良好，而对TN的去除效果不理想。而国家近几年又不断在总氮排放标准上提出了严格的要求。
鉴于上述原因，本文就总氮在污水处理中的重要性、治理机理和技术做初步探讨。
1.总氮治理的重要性分析
总氮为硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮与有机氮的总称，水中的氨氮在氧的作用下也可以生成亚硝酸盐，并进一步形成硝酸盐，同时水中的亚硝酸盐也可以在厌氧条件下受微生物作用转化为氮气。总氮是反映水体富营养化的主要指标。
文献提出，目前的富营养化控制上，国外通常将总氮浓度超过0.3mg/L，总磷浓度超过0.02mg/L作为富营养化的分界线。我国也已经将总氮浓度1.0mg/L作为富营养化水质标准。
无机氮中的氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。国家相关部门很早就注意到氨氮的危害性，环境保护部环境规划院副院长吴舜泽撰文表示：“氨氮作为主要超标污染物在七大水系中出现频率非常高，氨氮污染是全国性的污染问题。”国家“十二五”规划建议中，氨氮已成为继COD后的全国主要水污染物排放的约束性指标。
但是，在一般的污水好氧处理工艺中，只是将氨氮转化成硝酸盐氮排放，但总氮含量并未降低，总氮并未脱除，无法减轻水体富营养化等环境问题，因此并未达到无害化处理效果。只有通过下一步反硝化处理，将残余硝态氮通过生化反应生成无害的氮气（N2），从水中逸出，最终实现氨氮的无害处理。从下述除总氮的原理可以看出，除污水中总氮需在有氧及缺氧两种工艺条件下，由3种菌接力才可完成。硝化菌在菌群中所占比例很小，一般仅为5%左右，且繁殖周期长，对环境要求高，这就决定了处理无机氨的步骤多、时间长、限制因素多，必然造成处理池容积大、投资大。
不仅如此，处理费用高也是无机氮的处理难点之一。代秀兰等认为，从耗氧量上看，处理无机氮理论上需耗氧气与去除COD相比要高4-5倍，耗电自然也高4～5倍；另一项费用为药剂费，因硝化反应会产生酸度，必须加碱中和；另外，因硝化反应后水中有机物已分解完，如要进行反硝化反应，需再补加有机物，以利于生化反应，国外大多添加甲醇，如硝态氮为2.5-3kg，需加甲醇1kg，这又是一笔费用。
张谦朋等对城市污水处理中提高生物脱氮效率进行了研究，研究结果表明：由于反应不同，条件不同，消耗也小同。所以处理氨氮难，处理到无害化，降低总氮则更难。
与氨氮相比，水体中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量超标，也同样会使水环境质量恶化，还对人类以及动、植物油严重危害作用。饮用水中的NO3-和NO2-的含量过高，能引起变形血色素症，变形血色素会破坏红血球的载氧能力，引起人体严重缺氧而导致死亡。同时，饮用NO3-和NO2-的含量过高的水，可使得肝癌、食管癌、胃癌的发病率增高，因为NO3-和NO2-在自然条件下有可能转化为强致癌的亚硝酸胺。水体中的亚硝酸氮超过1mg/L时，即会使水生生物的血液结合氧的能力降低；超过3mg/L时，可在24～96小时内使金鱼、鳊鱼死亡。因此，总氮是反映污水治理程度的一个重要指标。
2.总氮排放标准演变
目前，除非有地方或者行业标准，我国环保治理的排放标准依然采用国家环保总局于1996年批准，1998年实施的《污水综合排放标准》（GB8978-1996），该标准至今已施行10多年，随着时间的推移、科技的进步以及公众对环境质量要求的提高，该标准已经越来越不适应当前环境保护管理的要求。陈国云等认为，《污水综合排放标准》（GB8978-1996）没有对总氮排放提出要求，这显然无法满足水环境管理和地表水环境质量达标的实际需要。
2002年12月2日，国家环保总局批准的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GBl8918-2002）于2003年7月1日正式实施，《标准》分年限对城镇污水处理厂的出水、无组织排放废气、污泥中污染物的控制项目和标准值作了规定。《标准》的出台和实施为长效管理城镇污水处理厂奠定基础，提供了执法依据。与《污水综合排放标准》（GB8978-1996）比较，污染控制项目增多并实行了分类。值得注意的一点是，与环境控制指标相呼应。《标准》给出了总磷、总氮在不同水文下的标准限值，为有效控制这两项指标提供了源头上的保障。 2006年5月8日，国家环保总局发布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GBl8918-2002）修改单，规定城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级标准的A标准，而不是原来的一级B标准。宋丽红认为，此次修改进一步提高了污水排放对总氮的要求，尤其是在敏感的湖、库等封闭或半封闭水域。这不仅体现了国家对改善环境，保护水源治理污染的重大决心，更说明了总氮排放已经引起了国家相关部门的重视。
总之，由于老标准中缺少总氮控制项目，因此给排放单位造成一种误解，认为排水氨氮达标即万事大吉，而对总氮则不闻不问，但是对环境的影响依然存在，这种治标不治本的治污方式、将会随着控制总氮项目的实施而改变。
3.总氮去除机理简述
污水中总氮包括有机氮和氨氮及硝酸盐，但城市污水中的氮到达污水厂时以氨氮为主。通常生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程。
根据沈欢鑫等对污水处理厂普通A/O工艺的出水总氮预测分析：在污水厂的曝气池中，在好氧环境中，原水BOD被化能异养菌氧化，氨态氮则被化能自养菌氧化（即硝化细菌）成硝态氮或亚硝态氮，完成硝化过程。因化能异养菌效率较高，而化能自养菌效率较低，硝化过程需要较长的污泥龄才能完全发挥硝化作用。硝化过程产生的硝态氮或亚硝态氮仍是总氮的组成部分，对总氮的去除没有影响。但硝酸盐或亚硝酸盐具有较强的氧化能力，在缺氧环境下，当环境中溶解氧较低时，某些细菌能以硝酸盐或亚硝酸盐代替溶解氧作为氧供体，以进水中的BOD作为碳源和能量进行生命活动，将硝酸盐氮还原成氮气，由水中释放出来，实现氮最终排出系统，完成反硝化过程。该过程最终的结果是，硝酸盐或亚硝酸盐供出其中的氧原子作为碳源的氧化剂，硝态氮或亚硝态氮则还原成游离氮（即反硝化）。正是由于硝化细菌和反硝化细菌的共同作用，总氮的去除才成为可能。
4.提高总氮去除率
目前现有城镇污水处理厂主导工艺中大量采用A/A/O（含改进型UCT）工艺、SBR和氧化沟工艺。根据谢建华对氨氮、总氮、三氮转化及氨氮在水污染评价及控制中的作用研究认为：这些工艺在去除有机物和氨氮方面效果较好，但是面对愈加严格的总氮和总磷排放要求，有些设施就必须进行技术改造来提升TN的处理效果。比如采用强化生物处理+深度处理、强化除磷脱氮等技术，尽可能对现有处理设施进行挖潜，通过强化现有工艺各个环节，特别是生物处理工艺的作用，尽量减少提高排放标准需要的资金投入。
强化生物处理技术主要是硝化菌生物强化，它可以极大地促进微生物种群中硝化菌群的高密度生长，导致快速启动和原位硝化活性的提高。一些同定膜微生物反应器中接种的强化微生物能在生物膜中扩增或繁殖，提高了生物膜表面硝化菌的丰度从而导致硝化速率加快。
氨氮总氮一体化治理技术采用先进的短程硝化一反硝化工艺，通过投放、驯化优势菌，增强了处理氨氮和总氮的能力。为提高总氮脱除率，还采用了好氧同步反硝化、外加碳源及利用内源呼吸的后置反硝化三项新技术，氮脱除率大干98%，总氮脱除率大于95%，完成了氨氮、总氮同步脱除的难题。
某些简单的技术改造也有助于提高总氮去除效果。研究表明，在一些氨氮含量高，碳源严重不足的特殊条件下，限制生物曝气反应池内DO不致过高，可以让反应池内污泥浓度稳定。要达到同时除氮的目的，控制DO在0.4-1.5mg/L范围，并保证一定的曝气时间（3～5h），以减轻高氨氮、低碳源的不利影响。
5.结语
综上所述，由于水体富营养化的影响，对总氮的控制已经引起了国家有关部门的高度重视。虽然现行较早发布的标准还不完善，但是，一些地方和企业已经根据各地环境容量及环境管理目标，对总氮的排放和水体环境浓度进行规划管理。因此，地方及企业新上的污水处理设施都应该将总氮控制列入处理范围，一步到位才是最佳选择。对于已建污水处理设施，可以通过相应的技术改造和扩建，开始把降低总氮纳入综合治理范围。
