氨氮废水处理新技术及应用

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摘要：摘要：本文介绍了电化学氧化技术，该技术利用电流在电解槽内产生强氧化性物质，如羟基自由基、臭氧和过氧化氢等，通过氧化、分解等过程将废水中的氨氮转化为无害或低毒物质，具有处理效率高、反应速度快、无需添加化学药剂等优势。阐述了膜生物反应器（MBR）技术，该...

关键词：

氨氮废水处理；新技术；应用

出处：

《中国化工信息》2024年9期

DOI：
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
专辑：
科学Ⅰ辑;信息科技
专题：
信息、科学;综合科技
分类号：
G90;N92

摘要：本文介绍了电化学氧化技术，该技术利用电流在电解槽内产生强氧化性物质，如羟基自由基、臭氧和过氧化氢等，通过氧化、分解等过程将废水中的氨氮转化为无害或低毒物质，具有处理效率高、反应速度快、无需添加化学药剂等优势。阐述了膜生物反应器（MBR）技术，该技术将生物处理与膜分离技术相结合，实现高效固液分离和污染物降解，适用于市政污水处理和工业废水回用，本文还介绍了高级氧化工艺（AOPs），该工艺通过产生强氧化剂降解难降解有机物，提高废水可生化性，并有效降低毒性，在制药废水和印染废水处理中展现出显著效果。这些新技术为氨氮废水处理提供了更多选择，有助于推动环保事业的发展。

关键词：氨氮废水处理；新技术；应用

Abstract: This article introduces electrochemical oxidation technology, which uses current to generate strong oxidizing substances such as hydroxyl radicals, ozone, and hydrogen peroxide in an electrolytic cell. Through oxidation, decomposition, and other processes, ammonia nitrogen in wastewater is converted into harmless or low toxic substances. It has the advantages of high treatment efficiency, fast reaction speed, and no need to add chemical agents. The membrane bioreactor (MBR) technology is described, which combines biological treatment with membrane separation technology to achieve efficient solid-liquid separation and pollutant degradation. It is suitable for municipal wastewater treatment and industrial wastewater reuse. This article also introduces advanced oxidation processes (AOPs), which produce strong oxidants to degrade difficult to degrade organic matter, improve wastewater biodegradability, and effectively reduce toxicity. It has shown significant effects in the treatment of pharmaceutical wastewater and printing and dyeing wastewater. These new technologies provide more options for the treatment of ammonia nitrogen wastewater and help promote the development of environmental protection.

Keywords: ammonia nitrogen wastewater treatment; New technology; application

随着工业化进程的加快，化工、冶金、制药、食品加工及农业等多个行业在生产过程中产生了大量的含氨氮废水。这些废水若未经妥善处理直接排放，将对自然水体造成严重的污染，如导致湖泊富营养化、海洋赤潮等环境问题，进而破坏水生生态系统，影响水质和生态平衡。

一、电化学氧化技术

（一）电化学氧化技术概述

电化学氧化技术的基本原理在于利用电流的作用，在电解槽内的电极上引发一系列复杂的化学反应产生具有强氧化性的物质，如羟基自由基（•OH）、臭氧（O₃）以及过氧化氢（H₂O₂）等这些强氧化剂能够迅速与废水中的氨氮分子发生反应，通过氧化、分解等过程将其转化为氮气（N₂）、硝酸盐（NO₃⁻）或亚硝酸盐（NO₂⁻）等无害或低毒物质，达到净化水质的目的。

电化学氧化技术的核心优势在于其处理效率高、反应速度快，相较于传统的生物处理或化学沉淀法，电化学氧化技术能够在较短的时间内实现氨氮的高效去除，处理效率通常可达到90%以上。该技术无需添加额外的化学药剂，避免了因化学药剂使用而可能带来的二次污染问题，电化学氧化技术还具有较强的适应性，特别适用于处理高浓度、难降解的废水。在电化学氧化系统中电解槽的设计是关键之一，电解槽的结构和材料选择直接影响到电流的分布、电极的寿命以及氧化效率，通常电解槽采用耐腐蚀、导电性能好的材料制成，如钛合金、不锈钢等，为了优化电流分布提高氧化效率，电解槽内部还会设置合理的流道设计和电极布局。

电化学氧化技术处理效率对比表

处理技术	处理时间（h）	氨氮去除率（%）	耗电量（kWh/m³）	额外化学药剂使用
电化学氧化	4	95	5	无
生物处理	24	70	2	可能需要
化学沉淀法	12	80	-	需要

（二）电化学氧化技术的应用

在化工废水处理方面，对于含有高浓度氨氮和有机物的化工废水，该技术能够实现氨氮和有机物的同步高效去除，通过优化电解条件和电极材料可以进一步提高处理效率，降低运行成本，电化学氧化技术还具有适应性强、操作简便等优点，适用于处理各种复杂成分的化工废水。除了制药行业和化工废水处理，电化学氧化技术在印染、电镀等工业废水处理中也具有潜在的应用价值，这些行业的废水中通常含有大量难降解的污染物，传统的处理方法难以达到理想的去除效果，而电化学氧化技术则能够利用强氧化性物质破坏污染物的结构，实现高效去除。

二、膜生物反应器（MBR）技术

（一）膜生物反应器技术概述

膜生物反应器（MBR）技术是一种将生物处理与膜分离技术完美融合的高效废水处理工艺，该技术通过生物反应器中的微生物群落对废水中的有机物、氨氮等污染物进行降解，同时利用膜组件实现高效的固液分离，有效截留生物反应器中的活性污泥和微生物使得出水水质得到显著提升。MBR技术不仅具有高效固液分离的特点，还具备长污泥龄和高生物活性等优势，这些特性使得MBR技术在废水处理领域展现出了卓越的性能[1]。

MBR技术根据其结构形式的不同，可以分为外置式和浸没式两种类型。外置式MBR技术将膜组件独立于生物反应器之外，通过泵将生物反应器中的混合液抽送至膜组件进行过滤再将过滤后的清水回流至生物反应器中，这种类型的MBR技术具有结构紧凑、占地面积小、易于维护等优点，特别适用于处理水量较小或空间有限的场合。而浸没式MBR技术则将膜组件直接浸没于生物反应器中的混合液中，利用重力或泵力将混合液通过膜组件进行过滤，这种类型的MBR技术具有更高的能量效率、更低的膜污染风险和更好的污泥截留效果，适用于处理水量较大、水质较复杂的废水[2]。

（二）膜生物反应器技术的具体应用

在市政污水处理中，通过采用MBR技术城市污水处理厂能够轻松实现出水水质达到一级A标准甚至更高水平，有效去除了水中的悬浮物、有机物、氨氮等污染物，为城市水体环境的改善和水资源的循环利用提供了有力保障。MBR技术还具有占地面积小、运行稳定可靠等优点，能够在有限的空间内实现大规模的废水处理，这对于土地资源紧张的城市来说尤为重要，MBR技术还能够实现资源的回收和利用，如通过膜组件截留的污泥中富含有机物和微生物可以作为农业肥料或生物能源的来源，进一步提高了废水处理的综合效益。

在工业废水回用方面，在制药、化工等行业中废水往往含有高浓度的氨氮、有机物以及悬浮物等污染物，传统的处理方法难以达到理想的处理效果，而MBR技术则能够利用生物反应器中的微生物群落对这些污染物进行高效降解并通过膜组件实现固液分离从而得到清洁的出水，这些出水经过进一步处理后可以回用于生产过程中的冷却、冲洗等环节，实现了水资源的节约和循环利用[3]。MBR技术在处理特殊水质废水方面也表现出了独特的优势，对于含有高盐度、难降解有机物等特殊水质的废水，MBR技术能够通过优化生物反应器的运行条件和选择合适的膜材料实现对这些污染物的有效去除，例如在处理高盐度废水时，MBR技术可以通过调整微生物群落的组成和活性，提高对盐度的耐受性从而实现对废水中污染物的有效降解。在处理难降解有机物废水时MBR技术则可以通过引入特定的微生物或采用生物强化技术，提高生物反应器对难降解有机物的降解能力。

三、高级氧化工艺（AOPs）

（一）高级氧化工艺概述

高级氧化工艺（AOPs）是一种高效且灵活的水处理技术，旨在通过产生强氧化剂来降解废水中的难降解有机物、提高废水的可生化性并有效降低其毒性，AOPs的定义涵盖了多种利用氧化剂在特定条件下产生高活性自由基（主要是羟基自由基•OH）的工艺，这些自由基具有极强的氧化能力能够迅速与废水中的有机物、氨氮等污染物发生反应，将其转化为二氧化碳、水、氮气等无害物质[4]。

常见的AOPs类型包括Fenton法、臭氧氧化、光催化氧化等。Fenton法通过向废水中加入亚铁离子（Fe²⁺）和过氧化氢（H₂O₂），在酸性条件下产生羟基自由基实现对有机物的氧化降解；臭氧氧化则是利用臭氧（O₃）的强氧化性，直接或通过产生羟基自由基间接氧化废水中的污染物；光催化氧化则依赖于半导体材料（如二氧化钛TiO₂）在光照下产生的光生电子和空穴，进而引发一系列氧化还原反应，生成羟基自由基等强氧化剂。

AOPs的反应机制主要基于自由基链式反应，在AOPs过程中强氧化剂通过夺取有机物分子中的氢原子或电子，使其转化为更易降解的中间产物，直至最终矿化为二氧化碳和水，对于氨氮等无机污染物，AOPs也能通过直接或间接的方式将其转化为氮气或其他无害形态[5]。技术特点方面，AOPs在处理难降解有机物方面表现出色，能够打破有机物分子中的稳定化学键实现深度氧化降解，AOPs还能显著提高废水的可生化性，使原本难以被生物降解的有机物变得易于生物处理。

（二）高级氧化工艺的具体应用

在制药废水处理中，AOPs技术针对制药过程中产生的氨氮及有机污染物具有显著的去除效果，制药废水通常含有高浓度的有机物和氨氮，这些污染物不仅难以生物降解，还会对环境和生态系统造成长期危害。AOPs技术通过产生强氧化剂能够迅速氧化分解这些污染物，将其转化为无害物质，AOPs在处理制药废水时，氨氮和有机污染物的去除率可达到90%以上，有效降低了废水中的污染物浓度。AOPs技术还具有处理效率高、占地面积小、运行稳定等优点，虽然初期投资成本较高，但长期来看其成本效益分析显示，通过减少后续处理费用和避免环境罚款，AOPs技术能够为制药企业带来显著的经济效益[6]。

印染废水处理是AOPs技术的另一个重要应用领域，印染废水中的难降解染料是导致废水色度高的主要原因，传统的处理方法难以有效去除这些染料。AOPs技术通过强氧化作用能够破坏染料分子的结构，将其转化为无色或低色度的物质从而提高废水色度的去除率，AOPs还能去除印染废水中的其他有机物和无机污染物，进一步改善水质。

AOPs处理印染废水色度去除率对比表

处理方法	初始色度（倍）	处理后色度（倍）	色度去除率（%）
传统化学氧化	300	80	73.3
光催化氧化AOPs	300	20	93.3
Fenton法AOPs	300	10	96.7