2023：全面解读年度热点与趋势

去除硝酸盐的方法：

化学反硝化：在碱性pH条件下，水中的硝酸盐可以通过化学方法还原为氨。反应方程式可表示为： NO3-+8Fe(OH)2+6H2ONH3+8 F(OH)3+ OH- 该反应是在催化剂Cu的作用下进行的。 Fe3-的比例为15:1。该过程会产生大量的铁泥，形成的氨需要通过气提去除。人们已经研究了使用亚铁化合物去除硝酸盐，但结果表明该工艺由于成本高而难以在实践中应用。采用粉状铝去除硝酸盐，反应主要产物是氨，占6095%，可采用气提去除。反应最适pH为10.25，反应方程式为：3NO3-+2Al+3H2O3NO2-+2Al(OH)3NO2-+2Al+5H2O3NH3+2Al(OH)3+OH-2NO2-+2Al +4H2O N2+2Al(OH)3+2OH - 此过程可有效地用于使用石灰作为软化剂的水处理厂，因为石灰的使用通常会将pH 值提高到9.1 或以上。因此调节pH值的成本较低。铝与水的反应可表示为：Al+6H2O2Al(OH)3+3H2。当pH值为9.1~9.3时，因上述反应而损失的铝量小于2%。实验结果表明，还原1g硝酸盐需要1.16g铝。

反渗透：常用的反渗透膜有：醋酸纤维素膜、聚酰胺膜和复合膜。压力范围为2070~10350kPa。这些膜通常没有选择性。醋酸纤维素膜反渗透系统用于去除硝酸盐。当进水硝酸盐浓度为18-25mg/L，系统连续运行1000小时时，硝酸盐去除率达到65%。研究了反渗透系统去除硝酸盐的方法。反渗透膜为聚酰胺膜和三乙酰纤维素膜。在给水中添加硫酸和六甲基磷酸钠可以防止膜结垢。结果表明，聚酰胺膜比三醋酸纤维素膜更有效。与离子交换和电渗析相比，反渗透系统更昂贵。采用复合膜反渗透系统进行了中试，运行压力为14Pa，处理量为2m3/h。

电渗析：已经开发出使用电渗析技术选择性去除硝酸盐的方法。该方法可将硝酸盐浓度从50 mg/L降低至25 mg/L以下，且不需要添加任何化学试剂。劳滕巴赫等人。 [6]研究了电渗析去除硝酸盐的方法，并与反渗透进行了比较。他们认为，将硝酸盐从100mg/L降低到50mg/L的成本大致相同。

催化反硝化：开发了一种去除饮用水中亚硝酸盐和硝酸盐的方法。结果表明，在氢气存在下，Pd-Al合金能有效地将亚硝酸盐还原成氮气（98%）和氨。 Pb(5%)-Cu(1.25%)-Al2O3催化剂可在50分钟内完全去除初始浓度为100 mg/L的硝酸盐。该催化剂的硝酸盐去除能力达到3.13mgNO3-/min·g催化剂。约为微生物反硝化活性的30倍。该方法可在温度10、pH值68的条件下进行。该过程易于自动控制，适用于小型水处理系统。该过程目前还处于研究阶段，许多因素如动力学参数、催化剂的长期稳定性等都需要进一步研究。

生物反硝化：生物反硝化又称生物反硝化，是指微生物在缺氧条件下，以NO3-为电子受体，进行无氧呼吸，氧化有机物，将硝酸盐还原为氮气的过程。可表示为：NO3-NO2-NON2ON2 自然界中有很多微生物，如假单胞菌属、微球菌属、反硝化杆菌属、无色杆菌属、产气杆菌属、产碱杆菌属、螺旋杆菌属、变形杆菌属、硫杆菌属等，都可以生长在厌氧条件下将NO3-还原为N2。在此过程中，NO3-或NO2-取代氧作为末端电子受体并生成ATP。当电子从供体转移到受体时，微生物获得能量，用于合成新的细胞材料并维持现有细胞的重要活动。根据微生物生长的碳源不同，生物反硝化可分为异养反硝化和自养反硝化。

离子交换法：离子交换法去除硝酸盐的原理是：溶液中的NO3-在离子交换树脂上与Cl-或HCO3-进行交换而去除。树脂交换饱和后，用NaCl或NaHCO3溶液再生。一般阴离子交换树脂对几种阴离子的选择性顺序为：HCO3-

为了比较评价离子交换、反渗透和电渗析三种工艺从饮用水中去除NO3-的效果，进行了为期15个月的中试研究。进水含：NO3- 18~25 mg/L、SO42- 43 mg/L、总溶解固体（TDS）530 mg/L。结果表明，上述三个工艺均可将NO3-浓度降低至10mg/L以下。离子交换工艺出水的TDS较高，达到500mg/L。硝酸盐突破总是先于硫酸盐突破，并且通常伴随着pH值的升高。当进水中SO42-浓度从42.5 mg/L增加到310 mg/L时，硝酸盐突破时间从400 BV减少到180 BV。树脂再生和再生剂的处理是离子交换工艺应用中的一个重要因素。

据报道，处理能力为155 m3/h 的工厂使用离子交换工艺去除NO3- 的运行情况。结果显示，每年的食盐消耗量达到250吨。因此，大量废盐水的处理将是一个非常重要的问题。对于运营20年的工厂来说，回收成本大约是初始设备成本的两倍以上。

对树脂再生方法进行了研究，认为离子交换柱的部分再生法（如洗脱60%NO3-）比完全再生法（如洗脱95%NO3-以上）更经济。

研究结果表明：1）与反渗透工艺相比，离子交换工艺的经济性约为5倍。 2）与生物脱氮法相比，离子交换工艺装置的投资便宜2.53倍，其运行费用也比生物脱氮法略便宜。

据介绍，1985年，法国有6座采用离子交换工艺处理NO3-的工厂投入运行，总处理能力为576立方米/小时。 1990年，英国第一座离子交换处理厂正式投产，处理能力为288立方米/小时。使用的树脂是容量为170meq/L的硝酸盐选择性树脂。进水中NO3-浓度大于18mg/L。树脂再生所需盐量达到每天1000公斤。在离子交换柱和处理厂管道内观察到碳酸钙沉淀。添加酸可以控制CaCO3沉淀的形成。

对合成树脂回用过程中有机成分释放的深入研究阻碍了离子交换技术在去除饮用水中NO3-的应用。

对强碱性阴离子交换树脂经盐水再生去除NO3-后的出水水质进行了研究。结果表明，从树脂中洗脱出来的单体成分包括：苯乙烯、二乙烯基苯、三甲胺及其衍生物。树脂用NaOH、蒸馏水和HCl 溶液进行预处理。结果发现，蒸馏水可以消除大部分可溶解的单体成分，树脂不会增加废水中的有机成分。相反，树脂可以吸附进水中的一些微污染物，如芳香族化合物、氯化有机溶剂、农药、亚硝胺等。因此，离子交换过程不会增加处理后的出水中的有毒有机污染物。

经过离子交换工艺处理的废水中Cl-浓度增加，碱度降低，导致锌从水管中选择性溶解的可能性增加。这种性能称为水的“脱锌潜力”。当水中Cl-浓度（mg/L）与碱度（以mg/L CaCO3表示）的比值大于0.5时，该水可视为脱锌水。离子交换工艺出水的脱锌潜力可采取以下措施进行控制：配水前安装大型搅拌池；树脂用盐水再生，然后用NaHCO3溶液冲洗（二次再生系统）；使树脂达到较高的NO3-突破浓度。

交换饱和树脂通过与CO2 溶液接触而再生。离子交换树脂从溶液中除去中性盐并释放等量的二氧化碳。与传统的离子交换工艺相比，该工艺不会增加再生剂出水的盐含量。因此，只有交换过程中除去的盐被排出。

德国在实验室和中试研究的基础上，采用上述离子交换工艺建造了一座处理厂，处理能力为170 m3/h。该过程可将NO3-浓度从9mg/L降低至5.7mg/L。 L，CO2消耗量为0.35 kg/m3处理水。由于CO2再生效率较低，可采用硝酸盐选择性树脂来提高硝酸盐去除效率。

离子交换/生物脱氮联合工艺：离子交换工艺需要大量的NaCl溶液（50~100g/L）用于树脂再生。再生废液中通常含有高浓度的NO3-、SO42-、Cl-。这些废液需要进一步处理，增加了运行成本。生物反硝化工艺的出水需要进行后续处理以去除微生物和有机污染物。将离子交换和生物反硝化两个过程结合起来可以克服单独过程中的一些上述问题。

离子交换/生物脱氮联合工艺中，离子交换工艺用于去除水中的NO3-，生物脱氮工艺用于处理树脂再生时产生的废液，其中含有大量的NO3-和Cl-。该组合过程避免了反硝化微生物与原水的直接接触。该生物反应器可在高盐溶液（25-30 g/L）条件下反硝化。该过程将硝酸盐去除过程统一到一个闭路循环系统中。与传统的离子交换工艺相比，该组合工艺可减少95%的废盐水产生。

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