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(biāo)準(zhǔn)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(biāo))，逐漸向極限脫氮邁進(jìn)。然而，在當(dāng)前提標(biāo)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(fù)雜的運營維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xué)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(xué)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(xiàn)達(dá)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(yīng)、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(xué)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(jì)80年代之前，水體氮濃度低于1mg/L，但在20世紀(jì)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(yán)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(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康的必然舉措。
2016年，清華大學(xué)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(xué)環(huán)境學(xué)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(rèn)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(dāng)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(dá)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(hù)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(xué)者曾指出，對于湖泊等敏感水體，應(yīng)因地制宜，制定更加嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，逐步將污水處理標(biāo)準(zhǔn)與地表水水質(zhì)等級接軌。污水廠不斷提高排放標(biāo)準(zhǔn)，一定是中國污水處理行業(yè)的永恒主題。當(dāng)前昆明已經(jīng)施行污水廠TN<5mg/L的極限脫氮排放標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)。
極限脫氮經(jīng)濟上是否可行？重新審視和觀察發(fā)達(dá)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(xì)闡述了美國執(zhí)行TN<3m/L、TP<0.1mg/L排放標(biāo)準(zhǔn)的佛羅里達(dá)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(jì)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)出水，即TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L，結(jié)合化學(xué)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(jìn)水復(fù)雜且碳源普遍不足。江南大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前，國內(nèi)高排放標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)（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(biāo)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(wù)中部大區(qū)結(jié)合提標(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(rèn)為“源頭控制、生物強化、優(yōu)化運行”是在新一輪提標(biāo)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(jìn)入21世紀(jì)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(rèn)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(dāng)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(dāng)前，在學(xué)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(yīng)用的研究熱點。李激教授研究認(rèn)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(biāo)。雖然此技術(shù)尚無工程化應(yīng)用，但據(jù)悉一批中試項目在進(jìn)行中。碳源作為污水廠脫氮普遍應(yīng)用的藥劑，更具性價比的替代產(chǎn)品也是當(dāng)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(yīng)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(xì)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(xué)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(wù)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(jìn)。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(jìn)。而享有盛名的南非開普敦大學(xué)，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(jìn)一步認(rèn)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(yīng)器（MABR），并于2015年左右推向市場，目前已在國外得到了工程應(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)荷運行且面臨進(jìn)一步TN提標(biāo)的場景得到更快的應(yīng)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(jìn)？“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(xué)品；通過行業(yè)、學(xué)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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