北京、昆明、巢湖、太湖等重點區(qū)域及流域作為環(huán)保的推動者，對污水處理提出了越來越高的要求。TN排放標準從20mg/L(一級B)、15 mg/L(一級A)，提升為10mg/L，甚至5mg/L(昆明A標)，逐漸向極限脫氮邁進。然而，在當前提標改造的脫氮技術(shù)路線中，一些脫氮工藝存在通過碳源增加帶來藥劑成本的大幅提高，以及場地的增加、復雜的運營維護等諸多問題，尚不具備技術(shù)、管理與資本的可持續(xù)發(fā)展。
以污水脫氮為話題，極限脫氮是否是中國污水處理的未來趨勢？中國特有的污水特征下，如何實現(xiàn)高排放標準下污水脫氮的高效、穩(wěn)定運行？以國際經(jīng)驗看我國脫氮技術(shù)的未來方向又是什么？我們希望通過對歷史、現(xiàn)在、未來的探討及思考，厘清脫氮技術(shù)未來的技術(shù)路線，促進行業(yè)創(chuàng)新及環(huán)保事業(yè)的健康發(fā)展。
我國水體受到氮污染了嗎？
區(qū)別于自然生物固定氮，化學合成氮、化石燃料燃燒而釋放的氮氧化物，以及由于水稻擴種而增加的生物固氮量等，被稱為“人為活化氮”或“活性氮”。清華大學綠色經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心研究發(fā)現(xiàn)，1910-2010年的100年間，我國年均活性氮的凈產(chǎn)生量增加了6倍多，到2010年其貢獻達到了80%以上。人為活化氮的數(shù)量成倍于自然生物固定氮量顯著地改變了區(qū)域氮循環(huán)，給生態(tài)環(huán)境帶來更大的壓力。溫室效應、霾、酸雨都與人類活動干擾下氮循環(huán)的改變有關(guān)。
那么我國的水體受到氮污染了么？
2019年2月，清華大學的喻朝慶博士及其同事在《自然》上發(fā)表了一篇論文“Managing nitrogen to restore water quality in China”。作者報告說，中國因人為原因造成的氮排入淡水的速度為1450萬t/a，約為安全排放閾值估值（520萬t/a）的2.7倍。在20世紀80年代之前，水體氮濃度低于1mg/L，但在20世紀90年代后，許多集水區(qū)的氮濃度迅速上升至15mg/L以上。這項研究發(fā)現(xiàn)，除西藏區(qū)域外，我國各省均有流域污染問題，且95%的水域在2000年以前已受到污染，至今污染物積累已超20年。而京杭大運河在1980年、巢湖在1985年、滇池在1981年均已開始出現(xiàn)氮污染，氮累積近40年。
中國正在由“低碳社會”邁入“低氮社會”
“低碳社會（low-carbon society）”的理念已經(jīng)深入人心，但如上文介紹，人類活動顯著干擾氮循環(huán)后可能產(chǎn)生更為嚴重的不利影響，卻一直沒有引起社會各界的重視。面對我國及世界活性氮產(chǎn)生量逐年遞增的現(xiàn)狀，建設(shè)“低氮社會”成為控制環(huán)境污染、維護生態(tài)系統(tǒng)健康的必然舉措。
2016年，清華大學綠色經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心提出了“加快構(gòu)建低氮社會，保障生態(tài)系統(tǒng)健康”的主張。2018年，在中荷生態(tài)環(huán)境技術(shù)國際高峰論壇上，清華大學環(huán)境學院王凱軍教授也講到人們對于氮磷問題仍沒有更充分的認識，重點提出了從“低碳社會”到“低氮社會”的發(fā)展理念。
如何實現(xiàn)“低氮”？可理解為更少的活性氮排放，減輕氮素帶來的環(huán)境影響。一方面，要從源頭控制氮污染，加大對氮污染物的管理和調(diào)控力度；另一方面，要在氮素的輸移和轉(zhuǎn)化過程中實施協(xié)同控制。王凱軍教授也提出，“氮的節(jié)能減排的潛力很大。可以在任何可能的領(lǐng)域、可能的尺度，就地追求盡大可能‘水與物質(zhì)的閉環(huán)’”。
市政污水廠在氮排放中扮演什么角色？
喻朝慶博士的研究，將水體中總氮濃度的觀測數(shù)據(jù)與來自農(nóng)業(yè)和其他來源的模擬氮排放數(shù)據(jù)相結(jié)合，估算了1955年至2014年間中國的氮排放模式。從污染源來看，農(nóng)業(yè)及生活污染物是水體中氮的主要污染源。其中，農(nóng)業(yè)污染占當前氮排放總量的59%(農(nóng)田35%，牲畜24%)，生活污染占39%(城市污水13%，農(nóng)村污水8%，有機垃圾18%)，工業(yè)垃圾占2%。
截至2018年12月，我國已運行5370座生活污水處理廠，處理能力可達2億m3/d。如果將污水處理廠出水TN濃度由15mg/L降為5mg/L，可減少5%-10%水體氮排放量。隨著我國污水管網(wǎng)的建設(shè)、納管及維護的完善，市政污水廠將對水體氮的減排發(fā)揮越來越重要的作用。
污水極限脫氮在經(jīng)濟上是否可行？
曲久輝院士、彭永臻院士、王凱軍教授、王洪臣教授等多位專家學者曾指出，對于湖泊等敏感水體，應因地制宜，制定更加嚴格的地方排放標準，逐步將污水處理標準與地表水水質(zhì)等級接軌。污水廠不斷提高排放標準，一定是中國污水處理行業(yè)的永恒主題。當前昆明已經(jīng)施行污水廠TN<5mg/L的極限脫氮排放標準，未來也將有越來越多的水敏感地區(qū)或流域向極限脫氮邁進。
極限脫氮經(jīng)濟上是否可行？重新審視和觀察發(fā)達國家水環(huán)境治理的歷程及國家政策，或許能為我們提供參考。在本期期刊的“美國水環(huán)境治理漫談”一文中，作者詳細闡述了美國執(zhí)行TN<3m/L、TP<0.1mg/L排放標準的佛羅里達州的水環(huán)境治理思路及投資。從美國的經(jīng)驗來看，做到加強型營養(yǎng)物去除（ENR）和極限營養(yǎng)物去除（LOT）其投資及運行費用均增長有限，部分污水廠甚至出現(xiàn)了運行費用節(jié)省，可以說性價比合理。
中國污水特征下的運行現(xiàn)狀及對策
碳管理是污水處理的根本難題
1914年Arden和Lockett發(fā)明活性污泥法，1964年英國水污染中心Downing建立起硝化理論的基本法則，20世紀70年代，“生物脫氮除磷之父”James Barnard創(chuàng)造出經(jīng)典的Bardenpho污水處理脫氮工藝，自此以后污水處理以生物法為基石，得到不斷的延伸和發(fā)展。原新加坡公用事業(yè)局(PUB)首席專家曹業(yè)始先生曾在JIEI舉辦的污水脫氮技術(shù)沙龍上講到，脫氮除磷都需要碳，如何實現(xiàn)碳合理的管理與分配，是污水處理的根本難題。以生物法去除一個N需要6個COD，去除一個P需要7-10個COD，而這些 COD均是可降解的COD。結(jié)合污水的特征及微生物的特性，通過工藝做碳管理最大程度的去除污水中的氮、磷等營養(yǎng)物，是一個系統(tǒng)的工程，也是污水處理的根本難題。
“帶病”污水廠低效運行普遍存在
James Barnard博士認為：隨著人們對污水處理生物原理的加深，完全可以設(shè)計出可靠的系統(tǒng)實現(xiàn)高標準出水，即TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L，結(jié)合化學除磷可實現(xiàn)TP<0.01 mg/L。荷蘭的研究結(jié)果也表明，在條件適宜情況下活性污泥工藝的技術(shù)極限為TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。上述理論，可以說為在生物脫氮除磷工藝基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化運行管理實現(xiàn)極限脫氮的可能打下了堅實的理論基礎(chǔ)。
反觀我國污水處理的現(xiàn)狀，存在很多現(xiàn)實的問題。排水體制不完善造成的管道破損、雨污分流不理想、工業(yè)廢水混排的問題形成了我國特有的城市生活污水特征：進水復雜且碳源普遍不足。江南大學李激教授對全國58座污水處理廠的全流程工藝診斷分析發(fā)現(xiàn)，85%的污水廠脫氮問題為碳源不足。這或許成為在需要執(zhí)行TN<10mg/L出水標準的省市污水廠普遍采用工藝后端上反硝化濾池做保障的原因，而這也造成噸水運營增加0.2-0.3元碳源投加成本、0.004度/m 二級提升電費成本。中國的污水廠“帶病運行”、低效運行成為常態(tài)。
“源頭控制、生物強化、優(yōu)化運行”-污水高效、穩(wěn)定脫氮的良策
當前，國內(nèi)高排放標準的污水處理廠穩(wěn)定運行時間相對較短。北京作為先行地區(qū)，從地標（DB11/890-2012）發(fā)布到現(xiàn)在已有7年，但大部分地區(qū)仍處于提標改造建設(shè)中，具有高效穩(wěn)定脫氮的運行經(jīng)驗較少。北控水務中部大區(qū)結(jié)合提標改造項目管理與技術(shù)經(jīng)驗，提出了“因地制宜是前提、便于運行是基礎(chǔ)、二級處理是關(guān)鍵、三級處理是保障、投資成本是核心”的心得與建議。而李激教授通過對58座污水廠的調(diào)研分析，對碳源、內(nèi)回流比、內(nèi)回流溶解氧、攪拌等反硝化主要影響因素提出了運營優(yōu)化建議，非常值得讀者品鑒及實踐。同時，對正在提標改造中的江蘇，我們邀請了曾參與《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)標準制定前期調(diào)研的張超，系統(tǒng)分析了太湖流域新一輪提標的問題及對策，希望給讀者以啟迪。結(jié)合多位專家的觀點，我們認為“源頭控制、生物強化、優(yōu)化運行”是在新一輪提標中實現(xiàn)污水高效、穩(wěn)定脫氮的良策。
未來10年污水處理脫氮技術(shù)方向
進入21世紀后，污水處理出現(xiàn)了重大的理念變革。污水已經(jīng)不再被認為是一種廢物，而是一種可再生的資源。2014年初，以曲久輝院士為代表的6位專家提出了“中國城市污水處理概念廠”事業(yè)，并以“水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源回收、環(huán)境友好”為追求。伴隨著理念的變革，減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗、更小的占地，利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)新工藝成為當前及未來10年的技術(shù)方向及挑戰(zhàn)。
更具性價比的碳源替代技術(shù)及產(chǎn)品
當前，在學術(shù)界及行業(yè)，由于無需投加有機碳源，且脫氮效率高，運行費用低，以硫等無機物作為電子供體的自養(yǎng)反硝化技術(shù)成為技術(shù)工程化應用的研究熱點。李激教授研究認為，與反硝化深床濾池相對比，硫自養(yǎng)反硝化裝置處理市政廢水可至少節(jié)省20%的占地面積，減少50%以上的運行費用，穩(wěn)定實現(xiàn)出水TN<10 mg/L的深度脫氮目標。雖然此技術(shù)尚無工程化應用，但據(jù)悉一批中試項目在進行中。碳源作為污水廠脫氮普遍應用的藥劑，更具性價比的替代產(chǎn)品也是當前市場關(guān)注的熱點。北京某公司研發(fā)了一種可替代常規(guī)碳源的新型高效生物碳源BioC-1M，不僅安全性高，而且可降低15%-30%的運行成本，目前已在北京昌平、大同制藥園區(qū)等污水廠得到了應用。
更具節(jié)能降耗優(yōu)勢的技術(shù)及產(chǎn)品
曹業(yè)始博士曾在JIEI舉辦的技術(shù)沙龍研討中，詳細闡述了各種生物脫氮技術(shù)的能耗。他指出，與傳統(tǒng)的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可節(jié)省25%的氧以及40%的碳，厭氧氨氧化（Anammox）可節(jié)省75%的氧以及60%的碳。厭氧氨氧化自1977年由奧地利理論化學家Engelbert Broda開始探索，經(jīng)過40年的發(fā)展，目前已成為全世界關(guān)注的焦點。如全球知名水務公司威立雅不僅開發(fā)了基于MBBR系統(tǒng)的一段式部分亞硝化-厭氧氨氧化（PNA）脫氮工藝-ANITATMMox，且一直在主流PNA脫氮工藝上摸索前進。美國DC Water運行著全球最大的側(cè)流式厭氧氨氧化工藝（DEMON?）污水處理廠——Blue Plains，也在向短程反硝化耦合厭氧氨氧化技術(shù)（PdA）推進。而享有盛名的南非開普敦大學，開發(fā)了“外部硝化活性污泥工藝”，不僅可提升50%處理能力，且降低75%曝氣需求。
而基于材料的創(chuàng)新、生物膜形成機理及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的創(chuàng)新及進一步認識，新型生物膜技術(shù)也正在煥發(fā)新的光芒。全球知名公司蘇伊士、Fluence、OxyMem均于2000年前后開始開發(fā)曝氣膜生物反應器（MABR），并于2015年左右推向市場，目前已在國外得到了工程應用。MABR技術(shù)適合我國低C/N比和低VSS的污水特征，可直接應用于常規(guī)活性污泥法的缺氧區(qū)，通過比微孔曝氣高4倍的充氧動力效率，以及帶來的同步硝化反硝化及部分短程硝化反硝化作用，實現(xiàn)20%-40%電耗節(jié)省，并可增加30%-50%的水量負荷，穩(wěn)定實現(xiàn)出水TN<10mg/L。現(xiàn)在Fluence開發(fā)的MABR一體化設(shè)備已在我國農(nóng)村生活污水處理中得到了普及，而蘇伊士、OxyMem也已開始在中國的湖州等地開展第一個工程示范。未來，隨著越來越多的人關(guān)注、研發(fā)該項技術(shù)，KNOW-HOW成本降低，相信會在中國，尤其是在缺少場地，已超負荷運行且面臨進一步TN提標的場景得到更快的應用。
最后，依然想用曹業(yè)始博士在脫氮技術(shù)沙龍分享中的總結(jié)作為結(jié)語。中國獨特的污水特征是我們的挑戰(zhàn)，低效運行的污水廠如何改進？“優(yōu)化現(xiàn)有BNR流程，提高效率；探索污水含碳的高效使用，最大限度地減少使用外加碳源及化學品；通過行業(yè)、學術(shù)和公用事業(yè)聯(lián)合加強工程研究；選擇好前沿課題實行突破”，這或許是未來10年中國BNR方案的突破方向。
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