废水中氮元素的表征指标——有机氮、氨氮、总氮分类来源及处理方法

废水中氮元素的表征指标——有机氮、氨氮、总氮分类来源及处理方法

前段时间有个粉丝问，什么是有机氮？这对于环保专业的人员来说是相当简单了，今天索性把废水中的氮元素的分类及处理方法系统讲一遍。

一、氮素的形态、组合与来源

废水中的氮素主要以多种形态存在，它们在环境行为和去除工艺上差异显著：

1、有机氮(Organic Nitrogen, Org-N)

定义与组合： 指氮原子存在于有机化合物中的形态，如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、核酸、含氮杂环化合物等。

来源： 主要来源于生物体及其代谢产物。生活污水中的粪便、食物残渣；工业废水如食品加工、屠宰场、制药厂、皮革厂排放；农业径流中的动植物残体等。

2、氨态氮/铵态氮 (Ammonia Nitrogen, NH?-N / NH??-N)

定义与组合： 指以游离氨(NH?) 和铵离子 (NH??) 形态存在的氮。两者比例随 pH 和温度动态变化 (pH 高、温度高时 NH? 比例升高)。

来源：

直接来源： 某些工业废水（如化肥厂、焦化厂）。

转化来源： 有机氮在微生物作用下的氨化/矿化作用 (Org-N → NH?/NH??) 是主要来源。

3、凯氏氮(Kjeldahl Nitrogen, TKN)

定义与组合： 凯氏氮= 有机氮 氨态氮 (Org-N NH?/NH??-N)。它是通过凯氏定氮法测定的，该方法在强酸、催化剂和加热条件下将有机氮和氨氮转化为硫酸铵。通常不包括硝酸盐氮(NO??-N)、亚硝酸盐氮 (NO??-N)、叠氮化物、偶氮化合物、硝基化合物、腈类、肟类、部分含氮杂环化合物以及固定铵（如粘土矿物晶格中的铵）。(注：某些标准/应用中可能包含或部分包含固定铵)。

来源： 代表了废水中除硝态氮类化合物外的大部分含氮物质，涵盖了污水的主要氮负荷。

4、总氮(Total Nitrogen, TN)

定义与组合： 总氮= 凯氏氮 硝态氮 亚硝态氮 (TKN NO??-N NO??-N)。

来源： 包含了废水中所有形态的氮素总和。

5、硝态氮及亚硝态氮(Nitrate Nitrogen & Nitrite Nitrogen, NO??-N / NO??-N)

来源： 主要来源于氨氮在有氧条件下的生物硝化作用(NH?? → NO?? → NO??)。也可来源于农田化肥流失、部分工业废水等。

二、不同形态氮素的意义

1、环境危害

耗氧： 氨氮氧化过程消耗大量溶解氧(DO)，导致水体黑臭。

毒性： 游离氨(NH?) 对鱼类等水生生物有直接毒性；亚硝酸盐 (NO??) 可与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白，影响人和动物氧输送。

富营养化： 氮和磷是藻类生长的关键限制因子。过量氮输入导致藻类爆发性增殖，消耗DO，遮挡阳光，破坏水生态平衡，产生藻毒素，形成“水华”或“赤潮”。

健康风险： 饮用水源中过高硝酸盐(NO??) 会导致婴儿高铁血红蛋白症（蓝婴综合症）。

2、污水处理工艺意义

处理目标驱动： 不同排放标准对TN、氨氮等有严格要求。

· 

工艺选择依据： 不同形态氮的去除原理不同。有机氮需先转化为氨氮才能有效去除；氨氮去除需硝化；总氮去除还需后续反硝化。了解形态构成是设计高效脱氮工艺的基础。

过程控制指标： 氨氮、硝态氮、亚硝态氮是生物脱氮工艺（硝化、反硝化）运行状态的关键监控参数。凯氏氮和总氮是衡量进水负荷和最终出水达标的重要指标。

三、不同形态氮的去除原理与反应方程式

废水脱氮是一个多步骤的过程，主要依赖于生物法，辅以物理化学法。

1、有机氮的去除：水解与氨化

原理： 去除的第一步是将有机氮转化为氨氮（NH?/NH??）。

过程： 在厌氧或缺氧条件下，由异养微生物分泌胞外酶将大分子有机物（蛋白质、核酸等）分解为小分子单体（氨基酸、嘌呤、嘧啶等），再进一步通过微生物代谢脱去氨基。

主要反应方程式(以蛋白质/氨基酸为例)：

水解(酶促)： 蛋白质/多肽 H?O → 氨基酸

氨化(脱氨基)： R-CH(NH?)-COOH H?O → R-CH(OH)-COOH NH? (氧化脱氨) 或 R-CH(NH?)-COOH H? → R-CH?-COOH NH? (还原脱氨) 等。

2、氨氮的去除

①生物硝化

原理：在充足溶解氧条件下，由化能自养硝化细菌将氨氮氧化为硝酸盐。

过程：两步反应，由两类细菌完成。

反应方程式：

亚硝化(亚硝酸菌 Nitrosomonas 等)： 2NH?? 3O? → 2NO?? 2H?O 4H? 能量

硝化(硝酸菌 Nitrobacter 等)： 2NO?? O? → 2NO?? 能量

总反应：NH?? 2O? → NO?? 2H? H?O

②物理化学法

吹脱法

原理： 利用气液平衡原理。提高废水pH (通常至 10-11)，使铵离子 (NH??) 转化为游离氨 (NH?)，然后通过大量空气吹脱将氨气从水中转移到气相。

反应方程式(pH调节)： NH?? OH? ? NH? ↑ H?O

折点加氯法

原理：向废水中加入过量氯（次氯酸HOCl），将氨氮氧化分解为氮气。

反应方程式(简化)：

NH?? HOCl → NH?Cl (一氯胺) H?O H?

NH?Cl HOCl → NHCl? (二氯胺) H?O

NHCl? HOCl → NCl? (三氯化氮) H?O

2NH?Cl HOCl → N? ↑ 3H? 3Cl? H?O (关键脱氮反应 - 折点) 或 NHCl? NH?Cl → N? ↑ 3H? 3Cl?。

实际反应复杂，存在多种路径。

离子交换法

原理： 利用天然沸石或合成离子交换树脂的选择性吸附交换能力，去除铵离子(NH??)。

反应方程式(以沸石为例)： 沸石-Na? NH?? ? 沸石-NH?? Na?

3、硝态氮(硝酸盐、亚硝酸盐) 的去除：生物反硝化

原理： 在缺氧条件下（存在NO??/NO?? 但缺乏分子氧 O?），由异养反硝化细菌利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，氧化有机物（有机碳源），将其还原为无害的氮气 (N?) 逸出。

反应方程式：

以甲醇(CH?OH) 为碳源为例 (简化)：

6NO?? 5CH?OH → 3N? ↑ 5CO? 7H?O 6OH? (完全反硝化 NO?? → N?)

2NO?? CH?OH → N? ↑ CO? H?O 2OH? (NO?? → N?)

总反应(以 NO?? 开始): NO?? → NO?? → NO → N?O → N? (中间产物可能存在，最终目标是 N?)。

4、总氮的去除

原理： 总氮是所有形态氮的综合，其有效去除必须整合上述多个过程：

有机氮→ 氨氮 (氨化)

氨氮→ 硝态氮 (硝化)

硝态氮→ 氮气 (反硝化)

核心工艺： 需要结合硝化（好氧）和反硝化（缺氧）的生物脱氮工艺是实现高效总氮去除的主流技术。

典型流程(如 A/O 工艺)： 缺氧池(Anoxic) → 好氧池 (Oxic)。

缺氧池： 进水有机物（作为碳源）与来自好氧池混合液回流（富含NO??-N）在此混合。反硝化菌利用碳源将 NO??-N 还原为 N? 脱除。

好氧池： 完成有机物的进一步氧化（BOD 去除）和关键的硝化反应（NH??-N → NO??-N）。

其他高级工艺： A?/O (厌氧-缺氧-好氧, 同步脱氮除磷)、SBR (序批式反应器)、氧化沟、MBR (膜生物反应器) 等，其核心都包含着硝化与反硝化过程的组合与优化。

四、总结

废水中的氮素形态复杂，相互关联（有机氮→ 氨氮 → 硝态氮）。凯氏氮 (TKN) 表征了可转化为氨氮的总潜在氮负荷，而总氮 (TN) 则是环境管控的核心指标。不同形态的氮对环境和水处理工艺具有特定的影响与危害。有效的脱氮（尤其是总氮去除）依赖于对氮素形态转化规律的深刻理解，通常需要组合多个生物过程（氨化、硝化、反硝化）形成完整的硝化-反硝化链条（或利用厌氧氨氧化等新工艺），必要时辅以物理化学方法（如吹脱、折点加氯）。现代污水处理厂的设计与运行核心目标之一，就是高效、稳定地将这些不同形态的氮最终转化为无害的氮气，从而保护水环境安全。