氨氮

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氨氮(Ammonianitrogen)是一种化合氮,在水体中以离子氨(NH4+)和非离子氨(NH3)两种形式存在,一般为含氮有机物发生分解反应而生成,是一种非致癌物,其中氨气毒性较强。氨氮在水中形成的游离氨具有刺激性气味,氨氮在微生物作用下可以转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,其水溶液可以和碱性溶液生成淡黄棕色络合物。氨氮是一种生活、生产污水中常见的污染物,对人体、环境、植物、动物都有严重危害,其在水中...

氨氮(Ammonia nitrogen)是一种化合氮,在水体中以离子氨(NH4+)和非离子氨(NH3)两种形式存在,一般为含氮有机物发生分解反应而生成,是一种非致癌物,其中氨气毒性较强。氨氮在水中形成的游离氨具有刺激性气味,氨氮在微生物作用下可以转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,其水溶液可以和碱性溶液生成淡黄棕色络合物。氨氮是一种生活、生产污水中常见的污染物,对人体、环境、植物、动物都有严重危害,其在水中也由铵根离子和游离氨形式存在,当前主要以纳氏试剂分光光度法、气相分子吸收光谱法、紫外吸收光谱法等方法进行检测。对于氨氮污染的处理则以吸附法、化学法、膜吸收法、吹脱法等方法进行处理,对其监测则以微控技术为主。

分布

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氨氮为以游离氨气和铵盐形式存在。水中氨氮的来源主要为生活污水、工业废水和农田排水等,一般为含氮有机物发生分解反应而生成。氨氮在水中的组成主要取决于水的酸度和温度,当水的酸度较低时,氨氮以游离氨为主,反之,则以铵盐为主;在水温影响下,氨氮组成则与酸度条件下组成相反。据报道,加拿大水生系统每年氨氮排放量达到62000吨。2011年,美国所有企业仅仅地表水的氨氮排放量高达470万磅。2019年,中华人民共和国生态环境部报告,中国2019年的氨氮排放总量约为46.3万吨。

分子结构

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氨氮在水体中以离子氨(

)和非离子氨(

)两种形式存在。其中氨气分子里的氮原子有一个孤对电子,可以结合成质子,显示碱性;可作为Lewis碱,形成配位化合物(如加合物);氨分子上有三个活性氢,可以被取代而发生取代反应;氨分子的空间结构是三角锥型,极性分子。

氨氮

铵根离子则是由氨分子和氢离子配位形成的,呈正四面体结构,四个氮氢键的键数相同。

理化性质

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氨氮中游离氨具有刺激性气味,分子质量为34.062,本身易溶于水。氨氮在水中呈酸性,在微生物作用下,氨氮可以转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,氨氮水溶液可以和碱性溶液形成淡黄棕色络合物。

对人体和环境的危害

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健康危害

氨氮中的游离氨具有毒性,能够对人体健康产生非致癌风险。当空气中氨气浓度达到50mg/m3,人体暴露在这种环境下2小时后,人体的鼻子、眼睛和呼吸道就会出现刺激感,当氨氮空气浓度为9.2mg/m3,人体长期暴露在这种环境下,人体呼吸道、咽喉、肺部会出现病变。并且由氨氮转化的亚硝酸盐可以和铵类化合物生成致癌物,进入人体会引起高铁血红蛋白症和婴儿蓝血症。

生物危害

水生生物危害

氨氮在高浓度下会对水生动物造成胁迫作用,从而使其生理结构被破坏,引起氧化损伤、免疫抑制,严重还会影响糖代谢。氨氮中的NH3可以直接进入水生生物的细胞膜,从而破坏膜结构,进而影响细胞的蛋白质代谢并对DNA造成损伤。其能够扰乱甲壳动物自身的新陈代谢系统,从而降低其自身免疫力,导致组织损伤,使得外部病原更容易入侵。氨氮对水生生物的毒性效应包括急性毒害效应和慢性毒害效应两种,2013年,美国环境保护局规定,在水体PH呈中性,温度在25℃条件下,氨的急性毒害效应浓度为17mg/L,其慢性毒害效应浓度为1.9mg/L。

植物危害

氨氮浓度过高会导致水生植物死亡,高浓度的氨氮会引起植物体内活性氧自由基的累积,不仅会破坏叶绿素,还会导致膜脂过氧化,使得植物体内MDA累积,抑制植物体内可溶性蛋白的合成,对植物造成不可逆损伤。

污染处理方法

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吸附处理

利用生物碳的吸附作用可以达到去除水体氨氮污染的作用,生物碳吸附作用主要表现在三个方面,首先是依赖于其表面的官能团结构,这些结构可以发生反应呈现电负性,从而对氨氮中的铵根离子产生吸附;其次是利用生物碳本身的分子作用力达到吸附氨氮的效果;最后则是利用生物碳本身孔径的大小,起到对氨氮污染物的快速吸附。也可以使用树脂进行吸附,即通过对树脂进行负载过渡金属形成金属基树脂,使得金属基树脂具有更大得比表面积和吸附位点,金属离子可以以配位共价键的方式吸附氨氮形成络合物,从而利用树脂的吸附作用和金属离子的化学作用达到对氨氮的双重吸附作用。

吹脱法

该法通过向氨氮污水中加入生石灰,调节氨氮水中PH至碱性,使得氨氮组成中氨气占比升高,进而使用真空泵对其进行吹脱,从而达到去除废水中氨氮的目的。除传统吹脱法外,还可以利用吹脱一离子交换耦合工艺进行处理,因为工业提钒过程中会产生大量的氨氮废水,吹脱法在氨氮浓度较低时不再适用,所以可以结合离子交换法进一步除去废水中氨氮。即先使用吹脱法对氨氮废水进行第一步处理,使得氨氮浓度降低,随后使用阳离子交换树脂对氨氮溶液进行处理,树脂可以将溶液中的铵根离子吸附,从而进一步除去溶液中的氨氮。

也可以利用氨和水分子在挥发度上的不同,使得氨氮污水在精馏塔中达到气液相平衡,使得氨氮以氨气形式从水中分离,并且可以以液氨或氨水形式回收。

生物法

可以利用微生物处理氨氮废水,包括生物硝化法和反硝化法,首先在有氧条件下,使用自养型硝化细菌通过硝化作用将水中氨氮转化为硝酸盐盐氮和亚硝酸盐氮,随后在缺氧条件下,反硝化细菌利用水体中的有机物将硝酸盐盐氮和亚硝酸盐氮还原为氮气,从而达到去除水体氨氮的作用。此外,还可以利用水生植物可以利用氨氮作为营养物质的特点,使用水生植物处理氨氮废水,并且植物自身还会加强对氨氮的耐受性。芦苇和美人蕉作为水生植物,其对氨氮具有很强耐受性,不仅对氮磷具有消除作用,还具有一定的观赏性。

电极法

可以通过构建三维电极对氨氮废水进行处理,该法先使用活性炭对氨氮废水进行吸附处理,防止氨氮在电解过程中产生吸附干扰,待活性炭吸附平衡后,向溶液通电进行电解实验,该法一方面通过阳极的电解作用,使得氨氮直接被氧化分解为氮气,另一方面,阴极产生的氢氧根离子和体系内的臭氧液可以间接氧化氨氮,生成硝氮和亚硝氮。另外,在电极法的基础上,还可以通过在电极上固定适宜微生物,使得在适宜电流条件下,不仅可以通过电极处理氨氮废水,将氨氮转化为氮气,而且微生物也可以通过自身新陈代谢对氨氮污水进行处理,达到双重处理的作用。

化学法

直接反应法

垃圾填埋场的渗滤液中往往含有高浓度的氨氮,可以使用电化学法对渗滤液进行处理。该方法不仅可以加速反应进程,还可以利用镁作为阳极电解出的镁离子,和滤液中的铵根离子和磷酸根离子反应生成磷酸铵镁沉淀,而阴极通过电解水生成氢氧根离子使得溶液PH稳定。而对于低浓度氨氮废水的处理,则可以使用氯化法,该法通过向氨氮废水中通入氯气或次氯酸钠,从而达到将NH3-N氧化成N2的目的,这是因为氯气或次氯酸钠可以和水反应生成具有强氧化性的HOCl,HOCl不仅可以氧化氨使其转化为氮气,还可以对水体起到漂白消毒的作用。

间接反应法

工业电锰渣中含有氨氮,因为传统方法不适用,所以采取水洗-草酸浸取法去除氨氮污染,该法首先使用水对粉碎后的电锰渣进行浸泡,使得氨氮溶于水中,随后使用草酸浸泡,草酸一方面能够使得溶液的铵盐溶解释放出氨气,也能够和硫酸钙反应,使其放出其包裹的铵盐。另一方面草酸会逐渐再溶液中呈现电负性,使得其可以和铵根离子反应,使溶液中氨氮处理更完全。也可以利用疏水性膜将氨氮废水和所用吸收液分离,通过改变氨氮废水的PH,使得氨氮废水中的铵根离子转化为氨气,氨气通过疏水性膜后被膜内的吸收液吸收,生成不挥发物质,使得其可以进一步回收利用。

安全事宜

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氨氮监测

对于地表水的氨氮监测,可以将微控技术与顺序注射技术二者相结合的方法,建立水质氨氮在线监测系统。通过自主设计的系统控制及数据显示模块来控制的自动进样测定系统,结合氨氮监测的水杨酸法和纳氏法,从而达到对水体氨氮水平进行自动监测的目的。

相关标准

《室内空气质量》标准,室内空气中氨气浓度的应小于0.2mg/m3。研究表明,人体在室内对于氨的嗅阈值为0.23mg/m3,日本测定的氨嗅觉阈值为1.15mg/m3。

《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)规定,Ⅰ-Ⅲ类地表水中的氨氮浓度限值分别为0.15、0.5、1.0mg/L。

《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)也将氨氮列为水质非常规指标之一,限值为0.5mg/L。

《地下水质量标准》(GB/T14848-93)规定,Ⅰ-ⅠV类地表水中的氨氮浓度限值分别为0.02、0.02、0.2、0.5mg/L。

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