污水总氮超标优化处理措施

摘要 随着全球工业化和城市化进程的不断推进，氮素排放量显著增加，导致水环境中总氮（Total Nitrogen， TN）污染问题日益严峻。联合国环境规划署（UNEP）的报告指出，全球范围内约40%的河流和湖泊存在不同程度的氮污染，尤其在欧美等工业化国家表现突出。在此背景下，针对污水总氮超标的优化处理技术研究具有显著的现实意义和科学价值。本研究旨在通过技术创新与工艺优化，为解决当前总氮污染控制难题提供理论支撑和技术路径。

关键词：总氮超标；污水；优化处理

1. 引言

在人体健康方面，总氮衍生的硝酸盐可在地下水及饮用水水源中蓄积，若饮用水中硝酸盐含量超过10 mg/L，可诱发高铁血红蛋白血症，严重威胁婴幼儿健康（即“蓝婴综合征”）。此外，亚硝酸盐（NO₂⁻-N）作为潜在的致癌物质，能够通过食物链（如水产养殖）富集进入人体，增加罹患消化道癌症的风险。常规工艺在处理效率、能耗及运行成本等方面仍存在诸多不足。因此，亟需探索和优化新型脱氮技术（如短程硝化-厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等），以提高脱氮效率，降低能耗，并满足日益严格的排放标准要求。

2.总氮超标问题研究现状

近年来，随着工业和农业活动的迅速发展，以及城市化进程的不断加快，水环境中的总氮污染问题日益突出。尽管传统污水处理工艺（如A²/O、氧化沟等）被广泛应用于脱氮处理，但其在实际运行中仍存在显著的工艺缺陷。首先，硝化阶段易受溶解氧（DO）浓度波动的影响，过高的DO（>3 mg/L）可能抑制反硝化作用，而过低（<1 mg/L）则会导致硝化菌活性不足，致使氨氮无法有效转化为硝酸盐。其次，反硝化阶段的碳源不足问题普遍存在，尤其当进水C/N较低时，内碳源无法满足反硝化需求，使硝酸盐难以被充分还原为氮气，导致总氮去除效率难以突破60%～70%的瓶颈。此外，污泥龄（SRT）的控制不合理亦会对脱氮效能产生负面影响，过长或过短的污泥龄均可能导致微生物群落结构失衡，进而削弱系统的脱氮能力。与此同时，实际运行管理中存在的pH调节不及时、搅拌强度不当及环境温度波动等问题，同样限制了生物脱氮的稳定性和效率。

3. 总氮超标优化处理技术路径

3.1 工艺优化措施

针对污水总氮超标问题，现有工艺优化措施主要围绕碳源补充与调控、溶解氧精准控制以及污泥运行参数优化等方面展开深入研究。在碳源补充方面，针对低碳氮比（C/N<3）污水，通常需要额外投加碳源以提高反硝化效率，其中甲醇和乙酸钠因其经济性和高效性成为常用选择。研究表明，乙酸钠在低温环境下仍能保持较高的反硝化速率，但其过量投加可能导致出水COD超标；而甲醇虽成本较低，但对微生物存在潜在毒性，需严格控制投加量（一般为理论需求量的1.2-1.5倍）。除了外源碳源补充，内源碳的合理利用亦受到广泛关注，例如通过调整预处理工艺（如初沉池缩短停留时间），可保留更多原水中的可降解有机物供反硝化利用，在实现脱氮的同时降低运行成本。与此同时，厌氧水解酸化单元的优化设计可将难降解有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs），为后续反硝化提供可利用碳源。在溶解氧控制方面，传统污水处理工艺常出现好氧区DO过高（>2mg/L）而抑制反硝化的问题，因此，构建梯度溶解氧控制模式（如好氧区入口DO控制在1.5-2.0mg/L，出口降至0.5-1.0mg/L）可实现硝化与反硝化的协同优化。进一步研究表明，将氧化还原电位（ORP）作为DO调控的辅助参数，能够更精准地反映微生物代谢状态，从而提升脱氮效果。此外，污泥龄（SRT）的优化调节直接影响硝化菌和反硝化菌的种群平衡，实践表明，将SRT控制在10-15天可兼顾硝化效率和污泥活性；而回流比的动态调节则可有效改善脱氮系统的适应能力，应对水质水量的波动冲击。这些工艺优化措施的协同应用，为污水处理厂总氮的稳定达标排放提供了技术保障。

3.2 技术组合策略

针对当前污水处理过程中总氮去除的技术瓶颈，近年来发展出的生物-化学协同处理和多级耦合工艺为解决这一问题提供了新的技术路径。生物+化学联合工艺的典型代表是在生物脱氮单元前增设化学沉淀预处理环节。以FeCl₃沉淀法为例，其对进水中溶解性有机氮（DON）和胶体态氮的去除率可达30-50%，这一预处理措施可显著降低后续生物处理的硝化负荷，特别是在处理工业废水等高氨氮废水时效果更为显著。研究数据显示，在氨氮浓度超过100mg/L的废水中采用该联合工艺，可使整体脱氮效率提升15-20%。值得注意的是，铁盐投加需要精确控制（通常10-20mg Fe³⁺/L），以避免过量投加导致的二次污染和运行成本增加。

更为先进的脱氮解决方案是多级耦合工艺，其突出特点是将传统的生物脱氮与新兴脱氮技术进行科学组合。以A²/O工艺为前置处理单元，搭配短程硝化-缺氧同步硝化反硝化（SND）和中段添加厌氧氨氧化（Anammox）工艺的三级处理架构最具代表性。在该体系中，A²/O单元主要负责有机污染物的降解和常规脱氮（效率40-60%）；而后接的短程硝化-SND单元通过精准控制溶解氧（0.3-0.7mg/L）和优化SRT（8-12天），实现氨氧化细菌（AOB）优势富集，亚硝酸盐积累率可达80%以上；末端的厌氧氨氧化单元则可实现"自养脱氮"，无需外加碳源的情况下完成总氮深度去除。实验数据显示，该耦合工艺的总氮去除率可达85-92%，运行能耗较传统工艺降低30-40%。特别在处理C/N比低于3的污水时表现出显著的技术经济优势，其运行成本仅为传统工艺的60%左右。此外，该工艺对氨氮冲击负荷（150-300mg/L）具有良好的耐受性，且厌氧氨氧化单元产生的剩余污泥量较传统活性污泥工艺减少40-50%。

3.3 生物电化学系统（BES）的跨学科创新

生物电化学系统通过整合电化学原理与微生物代谢，开辟了一条全新的污水脱氮技术路径。其核心机理是利用外接电压（通常0.3-0.8V）或微生物燃料电池（MFC）构型，驱动电子在电极-生物膜界面的定向转移，为反硝化过程提供新的电子传递途径。典型的三室BES反应器在阴极区实现电活性生物膜介导的反硝化（NO₃⁻+6e⁻+8H⁺→NH₄⁺+2H₂O），而在阳极区同时完成有机物的氧化降解。实验数据表明，在最佳运行条件下（pH=7.0-7.5，DO<0.5mg/L），BES系统的硝酸盐去除负荷可达1.5-2.8kg N/（m³·d），较传统反硝化工艺提高40-60%。特别值得注意的是，该系统可利用污水中的有机物（BOD）发电而非简单消耗，实现了污水处理的能量中性甚至正能量输出，某些示范项目的能量回收率达0.8-1.2kWh/kg N removed。针对难降解工业废水处理，新型的微生物电解池-生物膜（MEC-BF）耦合系统展现出了更大的技术潜力，其在维持90%以上脱氮效率的同时，可将处理能耗降低至传统工艺的30-40%。不过，当前该技术大规模应用的瓶颈主要在于电极材料的成本（占系统总投资的60%以上）和长期运行的稳定性问题。最新的石墨烯修饰电极和三维立体电极技术的发展，有望在未来3-5年内解决这些工程化难题。值得一提的是，与传统的污水消毒单元结合时，BES系统阴极产生的活性氯（ClO⁻）可协同实现深度脱氮和病原体灭活，体现出显著的技术集成优势。

作者介绍：梁建（1981——）男，满族，沈阳农业大学，农业资源与环境专业，光水数智运营（深圳）有限公司沈阳分公司 职位：运行班长 辽宁省沈阳市 110180 研究方向：污水总氮