氮排放的影响

本节将简要介绍氮排放的影响，以便能够将脱氮方法与其应用的预期效果联系起来。

四个主要影响是:

1.水生生态系统的施肥(富营养化)

2.水生生态系统中的耗氧。

3.对水生生物的毒性。

4.硝酸盐对地下水的污染及其对公众健康的影响

“富营养化”这个词通常意味着“营养丰富”。诺曼在1919年提出了寡养和富养的概念。他区分了含有少量浮游藻类的寡营养湖泊和湖泊富营养化含有大量浮游植物的

的富营养化欧洲的湖泊在过去的几十年里，由于城市化进程的加快和人均营养物质排放量的增加，北美人口增长迅速。

生产化肥在本世纪呈指数增长，如图1.5所示，许多湖泊的营养物浓度也反映了同样的指数增长(Ambtihl, 1969)。

这个词富营养化是越来越多地用于人工添加营养物质的意义上，主要是氮和磷水。富营养化通常被认为是不可取的，尽管情况并非总是如此。

富营养化湖泊的绿色由于浊度增加，使得游泳和划船不太安全。此外，从美观的角度来看，叶绿素浓度不应超过100 mg m”3。然而，从生态学的角度来看，最关键的影响是由于死藻类的分解造成的低氮氧含量的降低。在夏季，富营养化的湖泊表面可能会出现高氧浓度，但低氧浓度可能会导致鱼类死亡。

另一方面，增加营养浓度可能是有益的浅池塘用于商业捕鱼，因为藻类直接或间接地成为鱼类的食物。

图1.5。的production of fertilizers (t yr"1), as demonstrated for N and P205, has grown exponentially (the y-axis is logarithmic).

淡水植物的生长大约需要16-20种元素，如表1.3所示，其中植物组织中必需元素的相对数量。

目前对富营养化的关注与磷和氮的迅速增加有关，而磷和氮通常以相对较低的浓度存在。在这两种元素中，磷通常被认为是富营养化的主要原因，因为它以前是大多数湖泊中藻类的生长限制因素，但如图1.5所示，在过去几十年里，磷的使用量大大增加。氮是东部一些地区的限制因素非洲湖泊这是由于过去土壤中氮素的大量流失造成的。然而，氮可能会限制湖泊和沿海地区的生长，因为废水中磷的含量相对高于氮，排放废水导致磷浓度的大幅增加。虽然藻类使用的氮是磷的4-10倍，但废水中氮的含量通常只有磷的3倍。

表1.3。

湿基平均淡水植物组成

植物含量(百分比)

氧气	80.5
氢	9.7
碳	6.5
硅	1.3
氮	0.7
钙	0.4
钾	0.3
磷	0.08
镁	0.07
硫	0.06
氯	0.06
钠	0.04
铁	0.02
硼	0.001
锰	0.0007
锌	0.0003
铜	0.0001
钼0.00005
钴	0.000002

氮在湖泊中的积累程度小于磷，大量的氮通过反硝化(硝酸盐转化为气态N2)而损失。

浮游植物的生长是富营养化的关键过程，因此了解其生长调控的相互作用过程具有重要意义。

在许多大型湖泊中，初级产量已被非常详细地测量过。这一过程代表了有机物的合成，可以总结为:

光+ 6C02 + 6H20 =C6H1206+ 602 (1.1)

这个方程必然是光合作用复杂代谢途径的简化，光合作用依赖于阳光、温度和营养物质的浓度。浮游植物的组成不是恒定的(注意表1.5只给出了平均浓度)，但在一定程度上反映了水的化学组成。例如，如果磷的浓度很高，浮游植物就会吸收相对较多的磷——这被称为奢侈吸收。

导致富营养化的一系列事件通常如下所示。贫营养水域的N:P比值通常大于或等于10，这意味着相对于浮游植物的需求，磷的丰度低于氮。如果将污水排入湖中，这一比例会降低，因为城市污水的N:P比约为3:1。因此，相对于浮游植物的需要，氮的丰度将低于磷。市政废水中含有通常为30毫克I" 1n和10毫克I" 1p。然而，在这种情况下，对藻类过度生长的最佳补救措施不一定是从污水中去除氮，因为质量平衡可能表明这一点固氮蓝藻会产生无法控制的氮流入湖中。

建立营养物质的质量平衡是必要的。这往往会揭示输入的氮来自固氮蓝绿藻，干燥和湿沉积支流已经对物质平衡做出了太多的贡献，以至于从污水中去除氮产生了任何影响。另一方面，质量平衡可能揭示大部分磷输入(通常超过95%)来自污水，因此表明从污水中去除磷比去除氮是更好的管理。因此，问题不在于哪一种营养物质起限制作用，而在于哪一种营养物质最容易被用来限制藻类的生长。

这些考虑暗示了富营养化过程可以通过减少营养预算来控制。为此目的，已经开发了一些富营养化模型，这些模型考虑了一些过程。详见Jorgensen (1976)， Jorgensen et al.， (1978)， Jorgensen et al.，(1986)和Jorgensen(1988)。

然而，一般来说，可以得出这样的结论:减少水生生态系统的富营养化需要一种针对具体情况的解决方案。有些需要减少磷的投入，有些需要减少氮的投入，有些则需要减少两种营养素的投入。在夏季，减少氮似乎对控制湖泊和海洋环境的富营养化最为重要，而春季径流往往将大量氮转移到湖泊和海洋环境水生环境，使得控制氮作为限制因素变得困难。

维持水生生态系统中的高氧浓度对于水生生态系统中高等生命形式的生存至关重要。许多鱼类至少需要5毫克/1。在20-21°C时，这对应于5/9 = 56%的饱和度。氧浓度受多种因素的影响，其中最重要的是有机物的分解和氧浓度的变化氨的硝化(铵)按以下工艺:

氨是由有机物分解形成的。蛋白质和其他含氮有机物被分解为更简单的有机分子，如氨基酸，氨基酸又被分解为氨。尿素和尿酸，动物的排泄物，也被分解成氨。硝化微生物可以利用氨作为能量来源氨氧化是一个产生能量的过程。该分解链如图1.6所示，其中可以看到自由能(化学能)在整个链中都在减少。

的硝化过程可以用以下一阶动力学表达式来描述:

Nh4 + + 202 - n03 - + h20 + 2h +

dN dt

在哪里

Nt =铵态浓度= t No =铵态浓度= 0 Kn =速率常数，硝化a>

c陆

蛋白质

氨基酸)\
＊	f
	/一个
	尿素、尿酸)
	亚硝酸盐 硝酸 图1.6。分解链:从蛋白质到硝酸盐。 Nt和No可以用铵浓度对应的耗氧量来表示。表1.4给出了一些特征情况的KN值和No值。Kh随温度变化，表达式如下: Kn atT = (Knat20°C) * Kt(t ' 2°)(1.6) 其中T =温度(℃)，KT =区间1.06-1.08的常数。 特征值，Kn, No(20°C) Kn (1 /24h) 没有 城市废水 0.15 - -0.25 80 - 130 Mechanical-treated市政 Cipal废水 0.10 - -0.25 70 - 120 Biological-treated市政 Cipal废水 0.05 - -0.20 60 - 120 饮用水 0.05 0 - 1 河水 0.05 - -0.10 0 - 2 根据(1.2)，铵浓度与耗氧量的关系可计算为(2 * 32)/14 = 4.6 mg 02 / mg NH4+ - N，但由于细菌的影响氨同化在实际应用中，每毫克NH4+- N可降低至4.3毫克02。 从城市废水中铵态氮或总氮的值不难看出，硝化耗氧量较大。假设总氮浓度为28 mg N /1，硝化耗氧量为128 mg /1，可与城市废水BOD5约为200 ~ 250 mg / I相比较。然而，硝化微生物的生长相对缓慢，这意味着在停留时间短的水生生态系统中，硝化没有完成。生态模型(Jorgensen, 1988年和Jorgensen and Johnsen, 1989年)可用于描述硝化作用引起的氧气消耗的作用，从而描述排放前废水中硝化铵对水生生物的影响。然而，总的结论是，所有排放到内陆的城市废水都需要进行硝化处理水生态系统．因此，许多工业化国家制定了铵态氮和有机氮雷竞技手机版app浓度排放标准。 虽然营养物质是植物生长所必需的，但它们可能会导致其他生命形式的生活条件恶化。氨对鱼是剧毒的，而铵离子是无害的。由于铵和氨之间的关系取决于pH值:(参见7.1节) Nh4 + = nh3 + h + (1.7) pH = pK + log {[NH3] / [NH4+]} (1.8) 其中pK = -log K, K =过程的平衡常数(1.7)。 pH值以及铵和氨的总浓度因此很重要。如表1.5所示。这意味着，在光合作用最为明显的夏季，这种情况在许多过度富营养化的湖泊中非常严重，因为在这一过程中，酸性成分二氧化碳被去除或减少，pH值就会增加。图1.7显示了高富营养化湖泊pH值的年变化。pK约9.24 - 9.30英寸蒸馏水在18 - 25°C，但随着盐度的增加而增加。这表明表1.5所示的浓度在海水中较高。 从这些考虑可以清楚地得出结论，向水生生态系统，特别是内陆水域排放铵是不可取的，因此必须向城市废水排放硝化在卸货之前。公共健康危害与地下水中的硝酸盐有关，这是由于硝酸盐的浸出而发生的;见图1.3。硝酸盐在饮用水与高铁血红蛋白症,这种疾病影响不到三个月的婴儿，因为他们缺乏一种能够氧化亚硝酸盐的酶。 表1.5 铵态氮(铵态氮+氨态氮)的浓度，单位为mg /。L，其中含有联合氨浓度0.025毫克 不同pH和温度下的NH3 / I 表1.5 铵态氮(铵态氮+氨态氮)的浓度，单位为mg /。L，其中含有联合氨浓度0.025毫克 不同pH和温度下的NH3 / I °C pH = 7.0 pH = 7.5 pH = 8.0 pH = 8.5 pH = 9.0 pH = 9.5 5 19.6 6.3 2 0.65 0.22 0.088 10 12.4 4.３ 1.37 0.45 0.16 0.068 15 9.4 5.9 0.93 0.31 0.12 0.054 20. 6.3 2 0.65 0.22 0.088 0.045 25 4.4 1.43 0.47 0.17 0.069 0.039 30. 3.1 1 0.33 0.12 0.056 0.035 图1.7。高富营养化湖泊(丹麦格卢姆索湖)pH值的季节变化。 月 图1.7。高富营养化湖泊(丹麦格卢姆索湖)pH值的季节变化。 当使用含有高浓度硝酸盐的水来制备婴儿配方奶粉时，硝酸盐在摄入后会在胃中还原为亚硝酸盐。亚硝酸盐与血液中的血红蛋白反应形成高铁血红蛋白，与血红蛋白相比，高铁血红蛋白不能携带氧气。结果是窒息并伴有皮肤发蓝，这解释了“蓝色婴儿”一词与高铁血红蛋白血症联系在一起的原因。 从1945年到1975年，美国和欧洲报告了大约2000例高铁血红蛋白血症，死亡率为7-8%。由于诊断困难，也不需要报告，实际发病率可能高出许多倍(Kaufman, 1974)。 世卫组织和大多数国家已经制雷竞技手机版app定了饮用水中硝酸盐的标准。典型的标准是:美国10毫克硝酸盐- N /1和大多数欧洲国家30 -100毫克硝酸盐/I。雷竞技手机版app

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