北京、昆明、巢湖、太湖等重點區域及流域作為環保的推動者，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、管理與資本的可持續發展。
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，如何實現高排放標準下污水脫氮的高效、穩定運行？以國際經驗看我國脫氮技術的未來方向又是什么？我們希望通過對歷史、現在、未來的探討及思考，厘清脫氮技術未來的技術路線，促進行業創新及環保事業的健康發展。
我國水體受到氮污染了嗎？
區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”。清華大學綠色經濟與可持續發展研究中心研究發現，1910-2010年的100年間，我國年均活性氮的凈產生量增加了6倍多，到2010年其貢獻達到了80%以上。人為活化氮的數量成倍于自然生物固定氮量顯著地改變了區域氮循環，給生態環境帶來更大的壓力。溫室效應、霾、酸雨都與人類活動干擾下氮循環的改變有關。
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，許多集水區的氮濃度迅速上升至15mg/L以上。這項研究發現，除西藏區域外，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）”的理念已經深入人心，但如上文介紹，人類活動顯著干擾氮循環后可能產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生量逐年遞增的現狀，建設“低氮社會”成為控制環境污染、維護生態系統健康的必然舉措。
2016年，清華大學綠色經濟與可持續發展研究中心提出了“加快構建低氮社會，保障生態系統健康”的主張。2018年，在中荷生態環境技術國際高峰論壇上，清華大學環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”的發展理念。
如何實現“低氮”？可理解為更少的活性氮排放，減輕氮素帶來的環境影響。一方面，要從源頭控制氮污染，加大對氮污染物的管理和調控力度；另一方面，要在氮素的輸移和轉化過程中實施協同控制。王凱軍教授也提出，“氮的節能減排的潛力很大。可以在任何可能的領域、可能的尺度，就地追求盡大可能‘水與物質的閉環’”。
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據與來自農業和其他來源的模擬氮排放數據相結合，估算了1955年至2014年間中國的氮排放模式。從污染源來看，農業及生活污染物是水體中氮的主要污染源。其中，農業污染占當前氮排放總量的59%(農田35%，牲畜24%)，生活污染占39%(城市污水13%，農村污水8%，有機垃圾18%)，工業垃圾占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。隨著我國污水管網的建設、納管及維護的完善，市政污水廠將對水體氮的減排發揮越來越重要的作用。
污水極限脫氮在經濟上是否可行？
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的永恒主題。當前昆明已經施行污水廠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或流域向極限脫氮邁進。
極限脫氮經濟上是否可行？重新審視和觀察發達國家水環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“美國水環境治理漫談”一文中，作者詳細闡述了美國執行TN<3m/L、TP<0.1mg/L排放標準的佛羅里達州的水環境治理思路及投資。從美國的經驗來看，做到加強型營養物去除（ENR）和極限營養物去除（LOT）其投資及運行費用均增長有限，部分污水廠甚至出現了運行費用節省，可以說性價比合理。
中國污水特征下的運行現狀及對策
碳管理是污水處理的根本難題
1914年Arden和Lockett發明活性污泥法，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創造出經典的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展。原新加坡公用事業局(PUB)首席專家曹業始先生曾在JIEI舉辦的污水脫氮技術沙龍上講到，脫氮除磷都需要碳，如何實現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、磷等營養物，是一個系統的工程，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，完全可以設計出可靠的系統實現高標準出水，即TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L，結合化學除磷可實現TP<0.01 mg/L。荷蘭的研究結果也表明，在條件適宜情況下活性污泥工藝的技術極限為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上，通過優化運行管理實現極限脫氮的可能打下了堅實的理論基礎。
反觀我國污水處理的現狀，存在很多現實的問題。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現，85%的污水廠脫氮問題為碳源不足。這或許成為在需要執行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。
“源頭控制、生物強化、優化運行”-污水高效、穩定脫氮的良策
當前，國內高排放標準的污水處理廠穩定運行時間相對較短。北京作為先行地區，從地標（DB11/890-2012）發布到現在已有7年，但大部分地區仍處于提標改造建設中，具有高效穩定脫氮的運行經驗較少。北控水務中部大區結合提標改造項目管理與技術經驗，提出了“因地制宜是前提、便于運行是基礎、二級處理是關鍵、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座污水廠的調研分析，對碳源、內回流比、內回流溶解氧、攪拌等反硝化主要影響因素提出了運營優化建議，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《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)標準制定前期調研的張超，系統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。結合多位專家的觀點，我們認為“源頭控制、生物強化、優化運行”是在新一輪提標中實現污水高效、穩定脫氮的良策。
未來10年污水處理脫氮技術方向
進入21世紀后，污水處理出現了重大的理念變革。污水已經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，并以“水質永續、能量自給、資源回收、環境友好”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，利用現有的基礎設施開發新工藝成為當前及未來10年的技術方向及挑戰。
更具性價比的碳源替代技術及產品
當前，在學術界及行業，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反硝化技術成為技術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，硫自養反硝化裝置處理市政廢水可至少節省20%的占地面積，減少50%以上的運行費用，穩定實現出水TN<10 mg/L的深度脫氮目標。雖然此技術尚無工程化應用，但據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品也是當前市場關注的熱點。北京某公司研發了一種可替代常規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、大同制藥園區等污水廠得到了應用。
更具節能降耗優勢的技術及產品
曹業始博士曾在JIEI舉辦的技術沙龍研討中，詳細闡述了各種生物脫氮技術的能耗。他指出，與傳統的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可節省25%的氧以及40%的碳，厭氧氨氧化（Anammox）可節省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，經過40年的發展，目前已成為全世界關注的焦點。如全球知名水務公司威立雅不僅開發了基于MBBR系統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（PdA）推進。而享有盛名的南非開普敦大學，開發了“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。
而基于材料的創新、生物膜形成機理及結構穩定性方面的創新及進一步認識，新型生物膜技術也正在煥發新的光芒。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技術適合我國低C/N比和低VSS的污水特征，可直接應用于常規活性污泥法的缺氧區，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20%-40%電耗節省，并可增加30%-50%的水量負荷，穩定實現出水TN<10mg/L。現在Fluence開發的MABR一體化設備已在我國農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注、研發該項技術，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，依然想用曹業始博士在脫氮技術沙龍分享中的總結作為結語。中國獨特的污水特征是我們的挑戰，低效運行的污水廠如何改進？“優化現有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、學術和公用事業聯合加強工程研究；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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