摘要：本文簡要介紹了去除水中硝酸鹽的幾種方法，包括化學(xué)脫氮、催化脫氮、反滲透、電滲析、離子交換、生物脫氮等。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了離子交換技術(shù)去除水中硝酸鹽的原理、方法及應(yīng)用現(xiàn)狀，并與其他方法進(jìn)行了比較。
關(guān)鍵詞：硝酸鹽 水處理 離子交換 脫氮
工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的含氮廢水，農(nóng)業(yè)上施用的氮肥隨雨水沖刷入江河、湖泊，生活污水排入受納水體等對環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，已引起人們的普遍關(guān)注。這是因?yàn)镹O3-危害人類健康。NO3-進(jìn)入人體后被還原為NO2-,NO2-有致癌作用。此外，嬰幼兒體內(nèi)吸入的NO3-進(jìn)入血液后與血紅蛋白作用，將Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ)而導(dǎo)致形成高鐵血紅蛋白，高鐵血紅蛋白與氧發(fā)生不可逆結(jié)合，引起高鐵血紅蛋白癥。世界衛(wèi)生組織(WHO)頒布的飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NO3--N的最大允許濃度為10mg/L，而我國部分省市的地下水中NO3--N含量高達(dá)20～50mg/L。
硝酸鹽在水中溶解度高，穩(wěn)定性好，難于形成共沉淀或吸附。因此，傳統(tǒng)的簡單的水處理技術(shù)，如石灰軟化、過濾等工藝難以除去水中的硝酸鹽。
目前，從水中去除硝酸鹽的方法有：化學(xué)脫氮、催化脫氮、反滲透、電滲析、離子交換、生物脫氮等。本文將在簡要介紹這些方法的基礎(chǔ)上，著重評述離子交換技術(shù)除去水中硝酸鹽的原理、方法和應(yīng)用現(xiàn)狀，并與其他方法進(jìn)行比較。
1 去除硝酸鹽的方法
1.1化學(xué)脫氮
在堿性pH條件下，通過化學(xué)方法可以將水中的硝酸鹽還原成氨，反應(yīng)方程式可表示為：
NO3-+8Fe(OH)2+6H2O→NH3+8F(OH)3+OH-
該反應(yīng)在催化劑Cu的作用下進(jìn)行，F(xiàn)e/NO3-的比值為15:1,該工藝會產(chǎn)生大量的鐵污泥，并且形成的氨需要用氣提法除去。
Sorg[1]研究過用亞鐵化合物去除硝酸鹽，結(jié)果表明，由于成本太高，此工藝難于實(shí)際應(yīng)用。
Murphy[2]等人利用粉末鋁去除硝酸鹽，反應(yīng)主要產(chǎn)物為氨，占60～95%，可以通過氣提法除去。反應(yīng)的最佳pH為10.25，反應(yīng)方程式為：
3NO3-+2Al+3H2O→3NO2-+2Al(OH)3
NO2-+2Al+5H2O→3NH3+2Al(OH)3+OH-
2NO2-+2Al+4H2O→N2+2Al(OH)3+2OH-
在利用石灰作軟化劑的水處理廠可有效地使用該工藝，因?yàn)槔檬彝ǔ？墒筽H值升高到9.1或以上。因而，調(diào)節(jié)pH值所需的費(fèi)用較低，鋁同水的反應(yīng)可表示為：
Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2
當(dāng)pH值為9.1～9.3時(shí)，由于上述反應(yīng)導(dǎo)致的鋁的損失量小于2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，還原1g硝酸鹽需要1.16g鋁。
1.2反滲透
常用的反滲透膜有：醋酸纖維素膜、聚酰胺膜和復(fù)合膜。壓力范圍為2070～10350kPa。這些膜通常沒有選擇性。
Guter[3]利用醋酸纖維素膜反滲透體系除去硝酸鹽，當(dāng)進(jìn)水硝酸鹽濃度為18～25mg/L，連續(xù)運(yùn)行1000h，硝酸鹽去除率達(dá)65%。
Clifford等[4]研究了反滲透系統(tǒng)除硝酸鹽，反滲透膜為聚酰胺膜和三醋酸纖維素膜。在進(jìn)水中加入硫酸和六甲基磷酸鈉可以防止膜結(jié)垢。結(jié)果表明：聚酰胺膜比三醋酸纖維素膜更有效。與離子交換和電滲析相比，反滲透系統(tǒng)成本較高。
Rautenbach等[5]利用復(fù)合膜反滲透系統(tǒng)進(jìn)行了中試研究，操作壓力為14Pa，處理能力為2m3/h。
1.3電滲析
Miquel等開發(fā)了利用電滲析技術(shù)選擇性除去硝酸鹽的方法。該方法可使硝酸鹽濃度從50mg/L降低到25mg/L以下，它不需要添加任何化學(xué)試劑。Rautenbach等[6]研究了電滲析法除去硝酸鹽，并與反滲透法進(jìn)行了比較。他們認(rèn)為將硝酸鹽從100mg/L降低到50mg/L，兩種方法的成本大致相當(dāng)。
1.4催化脫氮
Horold等[7]開發(fā)了一種從飲用水中去除亞硝酸鹽和硝酸鹽的方法。結(jié)果表明：在氫氣存在下，Pd-Al合金可有效地使亞硝酸鹽還原成氮氣(98%)和氨。Pb(5%)-Cu(1.25%)-Al2O3催化劑在50分鐘內(nèi)可使初始濃度100mg/L的硝酸鹽完全去除。催化劑對硝酸鹽的去除能力達(dá)3.13mgNO3-/min·g催化劑。約為微生物脫氮活性的30倍。該方法可在溫度為10ºC,pH值6～8條件下進(jìn)行，過程易于自動控制，適用于小型水處理系統(tǒng)。該工藝目前尚處于研究階段，許多因素，如動力學(xué)參數(shù)，催化劑的長期穩(wěn)定性等需要進(jìn)一步研究。
1.5生物脫氮
生物脫氮，又稱生物反硝化，是指在缺氧條件下，微生物利用NO3-作為電子受體，進(jìn)行無氧呼吸，氧化有機(jī)物，將硝酸鹽還原為氮氣的過程�？杀硎緸椋�
NO3-→NO2-→NO→N2O→N2
自然界中存在許多微生物，如假單胞菌屬、微球菌屬、反硝化菌屬、無色桿菌屬、氣桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、螺旋菌屬、變形桿菌屬、硫桿菌屬等，能夠在厭氧條件下生長，并還原NO3-成N2。在這個(gè)過程中NO3-或NO2-代替氧作為末端電子受體，并且產(chǎn)生ATP。當(dāng)電子從供體轉(zhuǎn)移到受體時(shí)，微生物獲得能量，用于合成新的細(xì)胞物質(zhì)和維持現(xiàn)有細(xì)胞的生命活動。
根據(jù)微生物生長的碳源不同，生物反硝化可分為異養(yǎng)反硝化和自養(yǎng)反硝化。
1.6離子交換法
離子交換法去除硝酸鹽的原理是：溶液中的NO3-通過與離子交換樹脂上的Cl-或HCO3-發(fā)生交換而去除。樹脂交換飽和后用NaCl或NaHCO3溶液再生。
一般地，陰離子交換樹脂對幾種陰離子的選擇性順序?yàn)椋?
HCO3-＜Cl-＜NO3-＜SO42-
因此，用常規(guī)的離子交換樹脂處理含硫酸鹽水中的硝酸鹽是困難的。因?yàn)闃渲瑤缀踅粨Q了水中的所有的硫酸鹽后，才與水中的硝酸鹽交換。也就是說，硫酸鹽的存在會降低樹脂對硝酸鹽的去除能力。采用對硝酸鹽有優(yōu)先選擇性的樹脂可以較好地解決這個(gè)問題。這種樹脂優(yōu)先交換硝酸鹽，對硝酸鹽的交換容量不受水中硫酸鹽的影響。
在樹脂官能團(tuán)NR3+中的N原子周圍增加碳源子數(shù)目可以提高樹脂對硝酸鹽的選擇性，這種類型的樹脂對硝酸鹽的選擇性順序依次為：
HCO3-＜Cl-＜SO42-＜NO3-
當(dāng)樹脂上NR3+中的氮原子周圍的甲基變?yōu)橐一鶗r(shí)，樹脂對硝酸鹽與硫酸鹽的選擇性系數(shù)KSN從100增加到1000。
Clifford等[8]的研究結(jié)果表明：增加離子交換位點(diǎn)之間的距離可以降低對硫酸鹽的選擇性，增加樹脂基和官能團(tuán)的疏水性可以增加對硝酸鹽的選擇性。這種樹脂對硝酸鹽的選擇性增加可歸因于：隨著烷基碳源子數(shù)增加，其體積增大，需要占用更大的空間，從而引起樹脂的空間張力增大。對于減小這種空間張力而言，NO3-比SO42-具有更強(qiáng)的能力。
Guter等[3]的研究結(jié)果表明：與三甲基胺樹脂相比，三乙基胺樹脂處理含1.5meq/LNO3-和6.5meq/LSO42-的進(jìn)水時(shí)，樹脂床的壽命可以延長62%，再生劑的用量可降低25～50%。因而，降低了離子交換工藝的運(yùn)行成本。
Korngold等[9]的研究結(jié)果表明可以用海水作為樹脂的再生劑。
Eliassen等[10]的研究表明：利用強(qiáng)堿性陰離子(SBA)交換樹脂可以使活性污泥處理廠出水中的NO3-濃度從18mg/L降低到6.8mg/L，處理水量達(dá)200BV(床體積，bedvolume)。進(jìn)水中存在有機(jī)物時(shí)易造成樹脂堵塞，在反沖洗水中添加膨潤粘土有助于樹脂恢復(fù)。樹脂用1NNaOH和1NHCl再生。
Viraraghavan等[11]的研究表明：水中存在硅石和鐵的沉積物會降低樹脂對硝酸鹽的去除能力。
Gaunlett[12]研究了在一個(gè)離子交換閉合回路中連續(xù)除去硝酸鹽。
Guter[3]研究了利用離子交換工藝除去地下水中的NO3--N，其濃度范圍為16～23mg/l。
Lauch等[13]考察了離子交換樹脂工藝去除NO3-的實(shí)際運(yùn)行情況。選用的樹脂為非硝酸鹽選擇性樹脂，處理能力為155m3/h，樹脂用飽和鹽水再生。廢鹽水進(jìn)入城市污水處理廠的曝氣塘�？偟奶幚沓杀�(包括投資、運(yùn)行和維護(hù)成本)折合成人民幣約為0.53元/噸。投資成本包括設(shè)備和基建費(fèi)用，運(yùn)行成本包括人力、電耗、樹脂及再生劑等費(fèi)用。處理廠的耗能為0.064kW·h/噸。每處理1噸進(jìn)水產(chǎn)生的廢水量為：1.4升鹽水，6.6升樹脂水，10.3升反沖洗水。
Clifford等[4]為了比較評價(jià)離子交換法、反滲透法和電滲析法三種工藝去除飲用水中的NO3-，進(jìn)行了長達(dá)15個(gè)月的中試規(guī)模研究。進(jìn)水中含有：18～25mg/LNO3-，43mg/LSO42-，530mg/L總?cè)芙庑怨腆w(TDS)。結(jié)果表明：上述三種工藝均可使NO3-濃度降至10mg/L以下。離子交換工藝出水中TDS較高，達(dá)500mg/L，硝酸鹽穿透總是在硫酸鹽穿透之前，并且通常伴隨pH值升高。當(dāng)進(jìn)水中SO42-濃度從42.5mg/L增加到310mg/L時(shí)，硝酸鹽的穿透時(shí)間從400BV減少到180BV。
樹脂再生以及再生劑的處置是離子交換工藝應(yīng)用中的一個(gè)重要因素。
Guter等[14]報(bào)道了一個(gè)處理能力為155m3/h的工廠用離子交換工藝去除NO3-的運(yùn)行情況，結(jié)果表明：一年的鹽消耗量達(dá)250噸。因而大量的廢鹽水的處置將是一個(gè)十分重要的問題。對于一個(gè)運(yùn)行20年的工廠，其再生成本約為初期設(shè)備成本的2倍以上。
Clifford等[15]研究了樹脂的再生方式，認(rèn)為離子交換柱部分再生方式(如洗脫60%NO3-)比完全再生方式(如洗脫95%以上的NO3-)要經(jīng)濟(jì)。
Lanch[13]等人的研究結(jié)果表明：與反滲透工藝相比，離子交換工藝大約要經(jīng)濟(jì)5倍以上。
Richard[16]的研究表明：與生物脫氮法相比，離子交換工藝處理廠的投資要便宜2.5～3倍，其運(yùn)行成本也比生物脫氮法稍便宜。
Richard[16]報(bào)道，1985年，在法國已有6家采用離子交換工藝處理NO3-的工廠在運(yùn)行，總處理能力達(dá)576m3/h。
Woodword[17]報(bào)道,1990年，英國第一家離子交換處理廠家正式運(yùn)行，處理能力為288m3/h，利用的樹脂為硝酸鹽選擇性樹脂，容量為170meq/L，進(jìn)水中NO3-濃度大于18mg/L，每天用于樹脂再生所需的鹽量達(dá)1000kg。在離子交換柱內(nèi)和處理廠的管道中觀察到碳酸鈣沉淀。加酸可以控制CaCO3沉淀的形成。
Philipot[18]等開發(fā)了一種新的工藝，交換和再生同向進(jìn)行，硝酸鹽的濃度可以從15.8mg/L降低到5.7mg/L，系統(tǒng)可以控制NO3-的泄露小于3.4mg/L，再生劑的用量為90gNaCl/升樹脂。
對合成樹脂再使用過程中有機(jī)組分的容出情況缺乏深入研究，阻礙了離子交換工藝在去除飲用水中NO3-方面的應(yīng)用。
Dore[19]等研究了用鹽水再生的強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂去除NO3-后的出水水質(zhì)。結(jié)果表明：從樹脂中溶出的單體成分有：苯乙烯、二乙烯苯、三甲胺及其衍生物。用NaOH、蒸餾水、HCl溶液對樹脂進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)蒸餾水可以消除大多數(shù)可以溶出的單體組分，樹脂不會增加出水中的有機(jī)組分。相反，樹脂可以吸附一些進(jìn)水中的微污染物，如芳香化合物、氯代有機(jī)溶劑、殺蟲劑、亞硝基胺等。因此，離子交換工藝不會使處理出水中增加有毒有機(jī)污染物質(zhì)。
離子交換工藝處理出水中Cl-濃度升高，堿度下降，導(dǎo)致從水管中選擇性溶出鋅的潛力增加，這種性能稱為水的“脫鋅潛力”(dezincificationpoten-tial) 。當(dāng)水中Cl-濃度(mg/L)與堿度(以mg/LCaCO3表示)之比大于0.5時(shí)，該水可視為脫鋅水。離子交換工藝出水的脫鋅潛力可以采取下列措施得到控制：①在配水前安裝大的混合罐；②樹脂用鹽水再生后再用NaHCO3溶液淋洗(二級再生系統(tǒng))；③使樹脂達(dá)到更高的NO3-穿透濃度。
Croll等[20,21]的研究發(fā)現(xiàn)：硝酸鹽選擇性樹脂出水的氯化物/堿度之值低于一般樹脂出水的值。
交換飽和的樹脂通過與CO2溶液接觸而得到再生。離子交換樹脂從溶液中去除中性鹽并釋放出等當(dāng)量的二氧化碳。與傳統(tǒng)的離子交換工藝相比，該工藝不會增加再生劑出水中的含鹽量。因此，只需排放在交換過程中去除的鹽。
在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模研究的基礎(chǔ)上，德國建成了一座采用上述離子交換工藝的處理廠，處理能力達(dá)170m3/h，該工藝可使NO3-濃度從9mg/L降至5.7mg/L,CO2的消耗量為0.35kg/m3處理水。由于CO2再生效率較低，可以選用硝酸鹽選擇性樹脂以改善硝酸鹽的去除效率。
Wenli等[24]的研究結(jié)果表明：在壓力為5～5.5Pa時(shí)，CO2溶于水中可以用作有效的再生劑。
可以看出，該工藝過程的推動力是體系的二氧化碳分壓。高壓下，溶解于水中的二氧化碳濃度較高，反應(yīng)向左側(cè)進(jìn)行，樹脂得到再生；當(dāng)水中二氧化碳濃度較低時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，去除水中的硫酸鹽、硝酸鹽和硬度。
用二氧化碳作為再生劑的離子交換工藝，其優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生過量的再生廢液。而且，二氧化碳可以重復(fù)使用，節(jié)省了再生劑用量。此工藝的缺點(diǎn)是，工藝復(fù)雜，運(yùn)行管理困難。此外，碳酸鹽是一種弱酸，離解出的質(zhì)子和重碳酸根離子濃度很低，使得樹脂再生不完全。
1.7離子交換/生物脫氮組合工藝
離子交換工藝需要消耗大量的NaCl溶液(50～100g/L)用于樹脂再生，再生廢液通常含有高濃度的NO3-、SO42-、Cl-，這些廢液需要進(jìn)一步處置，從而增加了運(yùn)行費(fèi)用。生物脫氮工藝的出水需要后續(xù)處理，以除去其中的微生物和有機(jī)污染物。將離子交換和生物脫氮兩種工藝組合起來，可以克服上述單獨(dú)工藝中的某些問題。其組合工藝流程示意圖如圖1(略)所示。
在離子交換/生物脫氮組合工藝中，離子交換工藝用于去除水中的NO3-，生物脫氮工藝用于處理再生樹脂時(shí)產(chǎn)生的廢液，其中含有大量的NO3-和Cl-。組合工藝中避免了脫氮微生物與原水的直接接觸。生物反應(yīng)器可以在高含鹽溶液(25～30g/L)條件下脫氮。該工藝將硝酸鹽的去除過程統(tǒng)一于一個(gè)封閉循環(huán)的系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的離子交換工藝相比，該組合工藝可使廢鹽水產(chǎn)生量減少95%。
Clifford[25]開發(fā)了一種離子交換與序批反應(yīng)器(sequencingbatchreac-tor ，簡稱SBR)相組合的工藝，用于生物脫氮。再生液含30g/LNaCl和835mg/LNO3--N，投加甲醇，使甲醇/NO3--N為2.2時(shí)，20h后可使NO3--N完全去除，當(dāng)甲醇/NO3--N為2.7時(shí)，8h內(nèi)可使NO3--N的去除率達(dá)95%，該組合工藝可使再生劑消耗量減少50%，廢鹽水排放量減少90%[20]。
3 各種方法的比較
離子交換，生物脫氮和反滲透是去除水中NO3--N的常用方法，已獲得實(shí)際應(yīng)用。離子交換技術(shù)適用于處理溶解性有機(jī)物較低的地下水。有機(jī)物的存在會污染離子交換樹脂和反滲透膜。當(dāng)水中總?cè)芙庑怨腆w(totaldissolvedsolids，簡稱TDS)＜500mg/L，SO42-＜300mg/L時(shí)，可選用離子交換工藝。當(dāng)水中TDS＞1000mg/L，時(shí)，可選用反滲透或電滲析法。對于離子交換技術(shù)，最主要的問題是如何處理廢再生劑，其中含NO3-、SO42-和NaCl。此外，出水易引起管道腐蝕。盡管如此，離子交換技術(shù)以其簡單、耐久、有效，而且成本相對較低，被認(rèn)為是一項(xiàng)可供選擇的工藝。在美國，已有多家工廠采用此工藝在實(shí)際運(yùn)行。生物脫氮技術(shù)在歐洲得到較多的研究與應(yīng)用。資料表明：異養(yǎng)生物脫氮較自養(yǎng)生物脫氮應(yīng)用廣泛。這是因?yàn)楫愷B(yǎng)脫氮較自養(yǎng)脫氮具有更高的比體積脫氮速率，其值分別為0.4～24kgNO3--N/m3·d和0.5～1.3kgNO3--N/m3·d。異養(yǎng)生物脫氮技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性在歐洲一些國家得到證實(shí)。自養(yǎng)生物脫氮工藝因反應(yīng)速率低，需要較長的水力停留時(shí)間，導(dǎo)致反應(yīng)器的體積龐大，增加了投資成本。異養(yǎng)生物脫氮還能去除水中的微量有機(jī)污染物，如三氯乙烯、四氯化碳等。生物脫氮中采用流化床反應(yīng)器優(yōu)于填充床反應(yīng)器，與填充床相比，流化床可以防止堵塞、溝流，且具有較高的硝酸鹽去除速率。
進(jìn)水水質(zhì)，如微量有機(jī)污染物、SO42-等，對離子交換工藝的影響較大，而對生物脫氮的影響較小。因而生物脫氮工藝適用于地表水，而離子交換工藝更適用于地下水。反滲透和電滲析工藝能耗較大，運(yùn)行費(fèi)用高。反滲透膜對無機(jī)鹽的選擇性高，處理后的水基本上不含無機(jī)鹽，因此，只需處理一部分水，然后將處理水與未處理水混合。電滲析則必須將所有的水進(jìn)行處理。如果不考慮廢液排放費(fèi)用，水的損失也忽略不計(jì)，那么兩種方法的水處理費(fèi)用也幾乎相同。與電滲析相比，反滲透的優(yōu)點(diǎn)是管理簡單，尤其適用于小型處理廠。但反滲透的濃縮作用會導(dǎo)致硅石、碳酸鈣、硫酸鈣結(jié)垢，影響處理過程的正常運(yùn)行。
利用鋁進(jìn)行化學(xué)脫氮產(chǎn)生的氨可以與氯反應(yīng)生成氯氨，可以提高供水系統(tǒng)中余氯消毒的穩(wěn)定性。但處理水中殘留的鋁需要注意。
離子交換、生物脫氮和反滲透法去除硝酸鹽的比較見表1所示。
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綜上可以看出，上述方法各有利弊。隨著人們環(huán)境意識的提高，去除水中的硝酸鹽，防止其危害，在我國越來越受到重視。開發(fā)適合我國國情的、高效低耗的去除水中NO3-的技術(shù)是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。來源：谷騰水網(wǎng)
參考文獻(xiàn)略
