一种同步去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法

摘要

一种同步去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法，它涉及去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法。本发明解决了现有的去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法操作复杂无法对“三氮”进行同步去除、可能产生二次污染、无法应用于饮用水处理的技术问题。本方法是将待处理水体通过pH调节和溶解氧控制后，用波长为150nm～260nm的紫外光照进行处理。本发明能同时去除氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，不需要多级去除、不需要昂贵的氧化剂和催化剂、不产生二次污染、不需要后续处理、具有安全、方便、经济、高效的可快速去除“三氮”的特点；可以应用于地下水、饮用水、污水处理厂出水、工业用水和家庭用水处理以及自然水体的修复。

说明书

技术领域

本发明涉及去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法。

背景技术

氨氮在工业废水的排出液中广泛存在，农业中大规模使用的化肥也会造成氨氮的面源污染。水体中的氨氮会造成湖泊和河流的富营养化，对水体自然生态环境和水产养殖产生危害。同时，氨氮也会腐蚀、堵塞管道和用水设备，高浓度氨氮可与水处理消毒剂氯发生反应，使水消毒剂的用量大大增加，并产生令人厌恶的嗅味。水中氨氮等成分在一定条件下会转化成亚硝酸盐氮、硝酸盐氮，影响饮用水水质安全，对人体健康造成严重危害，诱发高铁血红蛋白症和产生致癌的亚硝胺。根据我国2006年生活饮用水卫生标准，饮用水中氨氮的允许浓度为0.5mg/L、硝酸盐为10mg/L。因此，非常有必要对水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮这“三氮”进行去除。

目前，对“三氮”的去除方法主要有生物脱氮法、空气吹脱法、离子交换法、催化氧化法、折点氯化法、化学还原法等。虽然现有的方法都能对“三氮”进行一定程度的去除，但各种方法都有一定的弊端。

生物脱氮法是在各种微生物作用下，经过硝化、反硝化等一系列反应将废水中的氨氮转化为氮气，从而达到废水治理的目的。其主要缺点是：占地面积大，需氧量大，有些有害物质如重金属离子等对微生物有抑制作用，需在进行生物法之前去除。同时去除水中的“三氮”需要多级处理工艺，方法复杂，不适用于饮用水中。

空气吹脱法是在体系中加入足够的碱，使水中的氨氮以非电离态存在，利用空气将氨氮吹出。其不足是：吹脱法易使填料层结垢，影响设备的运行；水温低时，吹脱效率低；吹脱完成后还需回调废水pH值。另外，吹脱处理后的废水中仍含有少量氨，常常不能达标排放，故吹脱法常常用作高浓度氨氮废水的预处理方法，方法复杂。此法不能用于硝酸盐和亚硝酸盐的去除，也不适合在饮用水中应用。

离子交换法是通过对离子具有很强选择吸附作用的材料去除废水中“三氮”的方法。其主要缺点是处理高浓度氨氮废水时，再生、反洗频繁，还需对原水进行预处理，处理成本高，产生的再生液必须处理，会引起二次污染。另外，阴离子(亚硝酸根和硝酸根)、阳离子(铵根离子)的去除要用不同性质的树脂进行处理，运行管理复杂，方法复杂。

催化氧化法是指利用催化剂和氧化剂联用，产生强氧化性的自由基，将水中的有机物和氨分别氧化分解成CO₂、N₂和H₂O等无害物质，达到净化的目的。其主要缺点是：需要添加大量的氧化剂，催化剂的回收流失和再利用等存在一些问题，方法复杂，影响该技术的稳定性。它只能实现水中氨氮和亚硝酸盐的去除，不能去除硝酸盐，。

折点氯化法是指在废水中通入一定浓度氯气，实现氨氮的去除。其主要缺点是：液氯的使用与储存对安全性要求高；产生的水需加碱中和，处理成本高；残余氯、副产物氯胺和氯化有机物会造成二次污染；该过程中不能去除硝酸盐，方法复杂。

化学还原法是利用一定的还原剂将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气的方法，也可以通过加入催化剂实现催化还原。其主要不足时：只能去除硝酸盐和亚硝酸盐，但是不能实现氨氮的去除。此外，加入的还原剂还需要进行氨氮的去除处理。

此外，紫外处理技术，作为一种新兴的水处理技术，安全、高效、操作简单，已经被大规模用于消毒过程，如公开号为CN 201567248U的中国专利中利用紫外光控制污染物如溴酸盐，但是对于水中的“三氮”的紫外处理，国内外还没有文献报道。

发明内容

本发明是要解决现有的去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法操作复杂无法对“三氮”进行同步去除、可能产生二次污染、无法应用于饮用水处理的技术问题，提供一种同步去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法。

本发明的一种同步去除水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的方法为：先将待处理水体的pH值调节到3～11，溶解氧含量调节到0.1mg/L～40mg/L，然后再用波长为150nm～260nm的紫外光处理。

本发明选用波长为150nm～260nm的紫外光光照，实现氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的同步去除。在波长为150nm～260nm的紫外光的照射下，硝酸根离子和亚硝酸根离子吸收紫外光后，由稳定的基态跃迁到不稳定的激发态发生电子跃迁而光解，其反应方程式如下：

同时，在150nm～260nm的紫外线照射下，水分子被分解产生氢原子(H·)、水化电子和羟基自由基(HO·)等物质，其中羟基自由基具有很强的氧化性，可以将水中的氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮；而水中的氢原子(H·)和水化电子具有很强的还原性能，能进一步将水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮去除。

HO·+NH₃→H₂O+NH₂·→…→N₂

(NO₂)·^2-+H₂O→NO·+2HO^-→…→N₂O

并经过一系列的自由基等反应，水中的“三氮”最终被最终降解为无污染的N₂和N₂O气体，而实现水体的脱氮处理。

综上所述，用紫外光照法去除水中的“三氮”的原理为，氨氮的去除是利用紫外光照射下体系中同步产生的羟基自由基的强氧化性将其去除；而硝酸盐和亚硝酸盐的去除，是通过两种不同的途径进行，一是利用它们在紫外光谱范围内有吸收性进行直接光解，二是利用紫外光光解体系时同步产生的氢原子、水和电子等具有强还原性的自由基进行间接光解去除。

本发明的一种同步去除水中氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的方法，具有以下优点：去除“三氮”不需要多级去除；不需要昂贵的氧化剂和催化剂；不需要容易产生二次污染的活性炭等吸附剂；可以利用普通廉价的紫外波谱光源；可以快速的去除水中的“三氮”，本发明的方法是一种安全、方便、经济、高效、不产生二次污染的方法，可用于污水处理厂的出水处理，以有效的降低污水中“三氮”的排放浓度；可用于城市饮用水的处理，在不引入二次污染的前提下去除饮用水原水中“三氮”；也可以用于自然水体的修复，工业用水和家庭用水的处理；可以方便的设计反应器，满足各种不同水体的需要，尽快投入使用；运行经济，管理方便，能够保障水质安全。

本发明的方法不仅可以将水体中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮同步去除，对于含有氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮中的一种或其中两种的水体同样适用。

附图说明

图1是具体实施方式二十三的待处理水体中硝酸根离子、亚硝酸根离子和总氮的去除率随时间的关系曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种同步去除水中氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的方法为：先将待处理水体的pH值调节到3～11、溶解氧含量调节到0.1mg/L～40mg/L，然后再用波长为150nm～260nm的紫外光处理。

本实施方式的同步去除水中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的方法选用波长为150nm～260nm的紫外光光照，实现氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮同步去除。具有以下优点：去除“三氮”不需要多级去除；不需要昂贵的氧化剂和催化剂；不需要容易产生二次污染的活性炭等吸附剂；可以利用普通廉价的紫外波谱光源；可以快速的去除水中的“三氮”，本发明的方法是一种安全、方便、经济、高效、不产生二次污染的方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：待处理水体的pH值调节到4～10。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：：待处理水体的pH值调节到8。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是。待处理水体的溶解氧含量为0.2mg/L～8.2mg/L。其它与具体实施方式一或二相同。

当水中溶解氧含量为0.2mg/L～8.2mg/L时，可以通过往体系中通入氮气、氢气或者惰性气体如氩气等保持还原环境，从而提高还原去除硝酸盐和亚硝酸盐的效率。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：待处理水体的溶解氧含量为1mg/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：待处理水体的溶解氧含量为8.5mg/L～40mg/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。

本实施方式可以通过往体系中鼓入空气或者氧气的方式增加溶解氧，当水中溶解氧含量为8.5mg/L～40mg/L时，达到提高体系的氨氮的氧化效率的目的。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：待处理水体的溶解氧含量为20mg/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的紫外光由低压汞灯、中压汞灯、高压汞灯、汞齐紫外灯、准分子激发紫外灯、氙灯和卤灯中一种或其中几种产生。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：待处理水体是指地下水、饮用水、污水处理厂出水、工业用水或家庭用水。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的紫外光处理为浸没式照射或辐照式照射。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：紫外光处理的时间为0.1min～100min，紫外光剂量为15焦耳/升～90000焦耳/升。其它与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：紫外光照射的时间为30min，紫外光剂量为9000焦耳/升。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：待处理水体的流动方式为循环序批式、完全混合式或连续流式。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：待处理水体用波长为160nm～220nm的紫外光处理。其它与具体实施方式一至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：待处理水体用波长为185nm的紫外光处理。其它与具体实施方式一至十三之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体是实施方式一至十五不同的是：待处理水体的氮为无机氨氮和有机氨氮。其它与具体实施方式一至十五之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：待处理水体的氮为硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至十六之一相同。

本实施方式的待处理水体中的氮为硝酸盐氮一种，通过本实施方式的处理，可以使硝酸盐氮去除。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同的是：待处理水体的氮为亚硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至十七之一相同。

本实施方式的待处理水体中的氮为亚硝酸盐氮一种，通过本实施方式的处理，可以使亚硝酸盐氮去除。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同的是：待处理水体的氮为氨氮和硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至十八之一相同。

本实施方式的待处理水体中的氮为氨氮和硝酸盐氮两种，通过本实施方式的处理，可以使氨氮和硝酸盐氮同步去除。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一至十九之一不同的是：待处理水体的氮为氨氮和亚硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至十九之一相同。

本实施方式的待处理水体中的氮为氨氮和亚硝酸盐氮两种，通过本实施方式的处理，可以使氨氮和亚硝酸盐氮同步去除。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一至二十之一不同的是：待处理水体的氮为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至二十之一相同。

本实施方式的待处理水体中的氮为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮两种，通过本实施方式的处理，可以使硝酸盐氮和亚硝酸盐氮同步去除。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：待处理水体中的氮为氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。其它与具体实施方式一至二十一之一相同。

本实施方式中的待处理水体中的氮为氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，通过本实施方式的处理，可以使氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮同步去除。

具体实施方式二十三：本实施方式的一种同步去除水中氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的方法为：先将待处理水体的pH值调节到10、溶解氧含量调节到1mg/L，然后再用波长为170nm～260nm的紫外光处理，处理时温度为25℃，紫外光由功率为10W的低压汞灯发出，在低压汞灯外壁嵌套石英管，放置于柱状反应器轴心，浸没在待处理水体中。

本实施方式的待处理水体的体积为800mL，待处理水体中氨氮的浓度为0.9mg/L(以氮计)，硝酸盐浓度为3.1mg/L(以NO₃^-计)，亚硝酸盐浓度为2.3mg/L(以NO₂^-计)。

从紫外光照射时开始计时，并检测待处理水体中硝酸根离子、亚硝酸根离子和总氮的浓度，得到的硝酸根离子、亚硝酸根离子和总氮的去除率随时间的关系曲线如图1所示，图中a为硝酸根离子的去除率随时间的关系曲线，b为亚硝酸根离子的去除率随时间的关系曲线，c为总氮的去除率随时间的关系曲线，从图1可以看出，在紫外处理10min后，总氮的去除率已经接近50％，硝酸盐去除率约为74％，亚硝酸盐去除率约为20％；20min后，总氮去除率达90％，硝酸盐去除率可达96％，亚硝酸盐去除率可达84％。本方法对于“三氮”具有很好的去除效果。可见，对于总氮的去除速率一直比较稳定，效率较高。