氮轉(zhuǎn)化過程——硝化反硝化作用

在檢測(cè)生活廢水、工業(yè)廢水、地表水和地下水，經(jīng)常檢測(cè)氨氮、總氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等指標(biāo)，這些指標(biāo)有個(gè)共同的特點(diǎn)，都是跟「氮」有關(guān)系，其實(shí)就是氮的“不同形態(tài)”，下面跟大家一起聊一聊水中污染物——氮家族的變化過程。

?? 水中氮的四大“來源地”  ??

要想這些含氮污染物的主要來源是哪里呢？我們可以根據(jù)不同類型的水樣來舉例說明含氮污染物的主要來源：

生活污水：例如尿液中的尿素（水解成氨氮）、糞便中的蛋白質(zhì)（有機(jī)氮）、食物殘?jiān)械牡鞍踪|(zhì)（有機(jī)氮）等等，主要為有機(jī)氮和氨氮，隨后隨著微生物的氨化作用，有機(jī)氮會(huì)持續(xù)向氨氮轉(zhuǎn)化，這也就是未處理的生活污水氨氮濃度很高的原因。

工業(yè)廢水：工業(yè)廢水種類很多，很多工藝中也會(huì)引入氮元素，例如肉類加工中動(dòng)物排泄物、血液、脂肪、碎肉，酒類加工中的廢水含有大量的有機(jī)氮，垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液含有高濃度氨氮、有機(jī)氮等，這些含氮污染物隨著污水的排放在污水處理站、下水道中轉(zhuǎn)化，最后進(jìn)入到水體中。

地表水：農(nóng)業(yè)污染，過量施用的化肥（銨鹽、硝酸鹽），隨雨水沖刷進(jìn)入河道；入河排污口的污水排放進(jìn)入河流，帶入含氮污染物；河流底部沉積底泥中的有機(jī)氮，會(huì)遷移到地表水中。

地下水：地表污染物（農(nóng)業(yè)化肥、污水滲漏）通過包氣帶緩慢下滲，隨著地下水的流向遷移污染地下水。

?? 氮的“形態(tài)轉(zhuǎn)化之路”  ??

水體中的氮始終處于動(dòng)態(tài)循環(huán)，核心轉(zhuǎn)化路徑如下：

硝化作用：好氧環(huán)境下的“逐級(jí)氧化”，分兩步走：

第一步，亞硝化作用：NH4+→NO2-，這個(gè)過程中主要微生物是亞硝酸菌；

第二部，硝化作用：NO2-→NO3-，這個(gè)過程中主要微生物是硝酸菌；

消化作用過程中氧化1毫克氨氮約消耗4.57毫克氧氣，對(duì)水體溶解氧構(gòu)成巨大負(fù)擔(dān)，反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子直接增加水體酸度。

反硝化作用：缺氧環(huán)境下的“脫氮終章”。

缺氧條件下，反硝化菌登場(chǎng)，將硝酸鹽逐步還原為氮?dú)猓@是水體徹底脫氮的關(guān)鍵：

反硝化作用：NO3-→N2?，這個(gè)過程中主要微生物是反硝化細(xì)菌；

反硝化過程需要的條件是缺氧環(huán)境（DO < 0.5 mg/L）和充足有機(jī)碳源（污水處理本身含有碳源），理想終點(diǎn)是氮?dú)夥肿訌乃幸莩觯貧w大氣，實(shí)現(xiàn)無害脫氮。

?? 實(shí)際應(yīng)用  ??

硝化、反硝化作用主要應(yīng)用在污水處理廠中，在A/O等經(jīng)典脫氮工藝中，通過人為創(chuàng)造環(huán)境引導(dǎo)微生物工作，污水在好氧池中全力曝氣，目的利用好氧微生物的硝化作用將氨氮徹底轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，在厭氧池中停止曝氣+補(bǔ)充碳源（污水中本身自帶碳源，可根據(jù)情況決定是否需要額外添加），利用厭氧微生物的反硝化細(xì)菌目標(biāo)將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鏊w，達(dá)到脫氮的目的。

在這個(gè)過程中，檢測(cè)數(shù)據(jù)是工藝調(diào)控的“眼睛”。好氧池出口氨氮是否達(dá)標(biāo)、缺氧池出口硝酸鹽氮是否降低，直接指導(dǎo)曝氣量與碳源投加量的精準(zhǔn)控制，也是指導(dǎo)運(yùn)維人員調(diào)整工藝參數(shù)的關(guān)鍵。

另外，硝化反硝化作用在黑臭水體治理方面也被充分利用，黑臭水體的本質(zhì)是氮循環(huán)斷裂與生態(tài)系統(tǒng)崩潰，治理核心是修復(fù)循環(huán)，看硝化和反硝化那個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)開展修復(fù)，例如采用人工增氧提升好氧環(huán)境，為硝化作用提供充分的氧氣；再比如通過人工濕地、生態(tài)浮島構(gòu)建“微環(huán)境”，促進(jìn)硝化與反硝化協(xié)同發(fā)生等。

?? 核心啟示  ??

硝化和反硝化作用是水質(zhì)中氮轉(zhuǎn)化、單循環(huán)和出氮的重要內(nèi)容，作為分析人員，我們從這個(gè)過程中得到哪些啟示，我個(gè)人總結(jié)出如下幾點(diǎn)：

1. 我們需要用動(dòng)態(tài)眼光看數(shù)據(jù)，每份水樣報(bào)告都是生化反應(yīng)的瞬間定格，數(shù)據(jù)在空間上和時(shí)間上的變化對(duì)我們的工作有著指導(dǎo)意義，通過數(shù)據(jù)間的比對(duì)不僅能發(fā)現(xiàn)邏輯上的問題，還有可能了解水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化所蘊(yùn)含的深層價(jià)值。

2. 洞察指標(biāo)內(nèi)在邏輯，pH下降、DO消耗與氮形態(tài)變化存在因果關(guān)聯(lián)，水中氮的存在形態(tài)、濃度變化也體現(xiàn)出內(nèi)部位系統(tǒng)的變化階段。

3. 深刻理解原理，才能敬畏操作規(guī)程，從源頭保障數(shù)據(jù)真實(shí)性，只有數(shù)據(jù)的真實(shí)性得到保證，才能更好的服務(wù)社會(huì)，體現(xiàn)出檢測(cè)分析的真實(shí)價(jià)值。