污水中的氮循环
氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分，也是生物圈内基本的物质循环之一。自然界中的氮绝大部分以氮气分子（N2）的形式存在于大气中。N2的化学性质不活泼，常温下很难与其他物质发生反应。此外，大部分生物体无法利用N2进行新陈代谢。因此，N2需要被转化为“活性”氮（如NH3-N），才能被广大生物体所利用。将N2转化为“活性”氮的过程称为固氮作用，通常由微生物（包括细菌和古菌）完成，此外，20世纪初发明的Haber-Bosch固氮法是一种得到了广泛应用的化学固氮法。
得益于工业和农业的快速发展，人类的物质生活水平得到了极大的提升。但是同时，全球每年通过工业、农业等活动向环境中排放大量含氮废水，使自然水体中新增越来越多的“活性”氮，导致日渐严重的氮循环失衡问题。据统计，人类每年向环境中排放的氮总量约为2000多万吨，并且这个数字随着人口的增长在不断攀升。更糟糕的是，大约一半的氮污染物没有经过处理，被直接排放至环境中。
例如，在发展中国家，超过35%的城市没有污水处理厂（WWTP）。即使在拥有WWTP的城市，一部分WWTP对污水只进行初级处理，脱氮能力非常有限。这一系列问题对水体中氮循环的影响主要包括：
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流域内氮沉积能力下降；
水体中氮素排放量增加。具体而言，这造成了水体富营养化、水体酸化和
温室气体排放等一系列环境问题。
污水中氮的主要形态及转化
市政污水通常是工业废水、生活污水和径流污水的集合体。市政WWTP进水中的氮主要包括NH3和有机氮。氮的循环转化过程主要包括同化吸收、氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和固氮（图1）。
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氨氮（NH4+或NH3）
氨氮的浓度在不同类型的污水中差异非常大。在市政污水处理厂的进水中，氨氮的浓度通常介于20 ~75 mg-N/L 。污水中NH3的主要来源包括：
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有机氮的降解，如蛋白质降解为NH3；
固氮作用，例如微生物固氮作用以及Haber-Bosch固氮法； 亚硝酸盐（NO2）的还原，它在氮的异化和同化过程中都存在。
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在污水处理过程中，脱除NH3的主要方式是将其氧化为N2或NO2-。其中，后者的转化过程是通过中间产物一氧化氮（NO）来实现的。
亚硝酸盐（NO2-）
与NH3相比，污水中NO2- 的含量通常比较低。NO2- 的形成主要是由于NH3
的氧化或NO3- 的还原。NO2- 的去除可以通过将其氧化形成硝酸根（NO3-），或者还原形成N2或NH3。其中，在将NO2-还原成N2的过程中，有中间产物NO生成。在NO被进一步还原为N2的过程中，有氧化亚氮（N2O）产生。N2O是一种强效的温室气体，其温室效应是CO2的三百倍左右。污水处理过程中N2O的释放是近年来受到关注的领域之一。
硝酸盐（NO3-）
NO3-是含氮有机物氧化分解的最高价态化合物。污水中的NO3-是由于NO2-的氧化而形成。NO3-的去除可通过将其还原为NO2-而实现。由于人类活动的影响，许
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多地方的地下水和地表水中NO3-含量在不断升高，造成了越来越多的土壤和地下水质量安全问题。
有机氮
污水中的有机氮主要是蛋白质，此外还有尿素、胞壁酸、脂肪胺、尿酸和有机碱等含氨基和不含氨基的化合物。有机氮的主要来源包括炼油、皮革、化肥、肉类加工和饲料生产等行业排放的废水。在污水贮存或在排水管道中停留一段时间后，氮的脱氨基反应使得有机氮转化为氨氮（NH3），导致NH3的浓度增加。
污水脱氮技术工艺
从20世纪80年代开始，污水脱氮受到越来越多的关注。在传统的污水处理过程中，氮被转化为N2从而从污水中得到脱除。脱氮的过程通过各种微生物菌群来实现，相关的微生物菌群如表1。氮的脱除是一个高耗能、且昂贵的过程。随着城市化和人口的进一步增长，以及对水质要求的不断提升，对氮进行处理的要求也在不断提高。近几十年来，研究人员和工程师在探索污水生物脱氮的路上不停前行，不但致力于提高氮的脱除效率，而且追求降低处理过程中的能耗、环境足迹和处理成本。
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污水中的氮循环
