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【www.hokkaido-dancers.com南京純水設備】北京、昆明、巢湖、太湖等重點(diǎn)區域及流域作為環(huán)保的推動(dòng)者，對污水處理提出了越來(lái)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(jìn)。然而，在當前提標改造的脫氮技術(shù)路線(xiàn)中，一些脫氮工藝存在通過(guò)碳源增加帶來(lái)藥劑成本的大幅提高，以及場(chǎng)地的增加、復雜的運營(yíng)維護等諸多問(wèn)題，尚不具備技術(shù)、管理與資本的可持續發(fā)展。

以污水脫氮為話(huà)題，極限脫氮是否是中國污水處理的未來(lái)趨勢？中國特有的污水特征下，如何實(shí)現高排放標準下污水脫氮的高效、穩定運行？南京純水設備以國際經(jīng)驗看我國脫氮技術(shù)的未來(lái)方向又是什么？我們希望通過(guò)對歷史、現在、未來(lái)的探討及思考，厘清脫氮技術(shù)未來(lái)的技術(shù)路線(xiàn)，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(chēng)為“人為活化氮”或“活性氮”。清華大學(xué)綠色經(jīng)濟與可持續發(fā)展研究中心研究發(fā)現，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。人為活化氮的數量成倍于自然生物固定氮量顯著(zhù)地改變了區域氮循環(huán)，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)更大的壓力。溫室效應、霾、酸雨都與人類(lèi)活動(dòng)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(shuō)，中國因人為原因造成的氮排入淡水的速度為1450萬(wàn)t/a，約為安全排放閾值估值（520萬(wàn)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(fā)現，除西藏區域外，我國各省均有流域污染問(wèn)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(kāi)始出現氮污染，氮累積近40年。

中國正在由“低碳社會(huì )”邁入“低氮社會(huì )”

“低碳社會(huì )（low-carbon society）”的理念已經(jīng)深入人心，但如上文介紹，人類(lèi)活動(dòng)顯著(zhù)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(méi)有引起社會(huì )各界的重視。面對我國及世界活性氮產(chǎn)生量逐年遞增的現狀，建設“低氮社會(huì )”成為控制環(huán)境污染、維護生態(tài)系統健康的必然舉措。

2016年，清華大學(xué)綠色經(jīng)濟與可持續發(fā)展研究中心提出了“加快構建低氮社會(huì )，保障生態(tài)系統健康”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(wèn)題仍沒(méi)有更充分的認識，重點(diǎn)提出了從“低碳社會(huì )”到“低氮社會(huì )”的發(fā)展理念。

如何實(shí)現“低氮”？可理解為更少的活性氮排放，減輕氮素帶來(lái)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控力度；另一方面，要在氮素的輸移和轉化過(guò)程中實(shí)施協(xié)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(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(chǎng)在氮排放中扮演什么角色？

將水體中總氮濃度的觀(guān)測數據與來(lái)自農業(yè)和其他來(lái)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。南京實(shí)驗室純水設備從污染源來(lái)看，農業(yè)及生活污染物是水體中氮的主要污染源。其中，農業(yè)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(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(chǎng)，處理能力可達2億m3/d。如果將污水處理廠(chǎng)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(zhù)我國污水管網(wǎng)的建設、納管及維護的完善，市政污水廠(chǎng)將對水體氮的減排發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

污水極限脫氮在經(jīng)濟上是否可行？

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(chǎng)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(chǎng)TN<5mg/L的極限脫氮排放標準，未來(lái)也將有越來(lái)越多的水敏感地區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(guān)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(lái)看，做到加強型營(yíng)養物去除（ENR）和極限營(yíng)養物去除（LOT）其投資及運行費用均增長(cháng)有限，部分污水廠(chǎng)甚至出現了運行費用節省，可以說(shuō)性?xún)r(jià)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(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。南京工業(yè)純水設備原新加坡公用事業(yè)局(PUB)首席專(zhuān)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(shí)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(gè)N需要6個(gè)COD，去除一個(gè)P需要7-10個(gè)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(guò)工藝做碳管理最大程度的去除污水中的氮、磷等營(yíng)養物，是一個(gè)系統的工程，也是污水處理的根本難題。

“帶病”污水廠(chǎng)低效運行普遍存在

隨著(zhù)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(shí)現高標準出水，即TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L，結合化學(xué)除磷可實(shí)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(shù)極限為TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。上述理論，可以說(shuō)為在生物脫氮除磷工藝基礎上，通過(guò)優(yōu)化運行管理實(shí)現極限脫氮的可能打下了堅實(shí)的理論基礎。

反觀(guān)我國污水處理的現狀，存在很多現實(shí)的問(wèn)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(wèn)題形成了我國特有的城市生活污水特征：進(jìn)水復雜且碳源普遍不足。江南大學(xué)李激教授對全國58座污水處理廠(chǎng)的全流程工藝診斷分析發(fā)現，85%的污水廠(chǎng)脫氮問(wèn)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(chǎng)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(yíng)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(chǎng)“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、穩定脫氮的良策

當前，國內高排放標準的污水處理廠(chǎng)穩定運行時(shí)間相對較短。北京作為先行地區，從地標（DB11/890-2012）發(fā)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(jīng)驗較少。北控水務(wù)中部大區結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、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(guò)對58座污水廠(chǎng)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(yíng)優(yōu)化建議，非常值得讀者品鑒及實(shí)踐。同時(shí)，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(chǎng)及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)標準制定前期調研的張超，系統分析了太湖流域新一輪提標的問(wèn)題及對策。結合多位專(zhuān)家的觀(guān)點(diǎn)，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(shí)現污水高效、穩定脫氮的良策。

未來(lái)10年污水處理脫氮技術(shù)方向

進(jìn)入21世紀后，污水處理出現了重大的理念變革。南京反滲透純水設備污水已經(jīng)不再被認為是一種廢物，而是一種可再生的資源。2014年初，專(zhuān)家提出了“中國城市污水處理概念廠(chǎng)”事業(yè)，并以“水質(zhì)永續、能量自給、資源回收、環(huán)境友好”為追求。伴隨著(zhù)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(kāi)發(fā)新工藝成為當前及未來(lái)10年的技術(shù)方向及挑戰。

更具性?xún)r(jià)比的碳源替代技術(shù)及產(chǎn)品

當前，在學(xué)術(shù)界及行業(yè)，由于無(wú)需投加有機碳源，且脫氮效率高，運行費用低，以硫等無(wú)機物作為電子供體的自養反硝化技術(shù)成為技術(shù)工程化應用的研究熱點(diǎn)。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(shí)現出水TN<10 mg/L的深度脫氮目標。雖然此技術(shù)尚無(wú)工程化應用，但據悉一批中試項目在進(jìn)行中。碳源作為污水廠(chǎng)脫氮普遍應用的藥劑，更具性?xún)r(jià)比的替代產(chǎn)品也是當前市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)。北京某公司研發(fā)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(chǎng)得到了應用。

更具節能降耗優(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(xué)家Engelbert Broda開(kāi)始探索，經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，目前已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。如全球知名水務(wù)公司威立雅不僅開(kāi)發(fā)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(jìn)。美國DC Water運行著(zhù)全球最大的側流式厭氧氨氧化工藝（DEMON?）污水處理廠(chǎng)——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(kāi)普敦大學(xué)，開(kāi)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構穩定性方面的創(chuàng )新及進(jìn)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(kāi)始開(kāi)發(fā)曝氣膜生物反應器（MABR），并于2015年左右推向市場(chǎng)，目前已在國外得到了工程應用。南京EDI純水設備MABR技術(shù)適合我國低C/N比和低VSS的污水特征，可直接應用于常規活性污泥法的缺氧區，通過(guò)比微孔曝氣高4倍的充氧動(dòng)力效率，以及帶來(lái)的同步硝化反硝化及部分短程硝化反硝化作用，實(shí)現20%-40%電耗節省，并可增加30%-50%的水量負荷，穩定實(shí)現出水TN<10mg/L。現在Fluence開(kāi)發(fā)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(kāi)始在中國的湖州等地開(kāi)展第一個(gè)工程示范。未來(lái)，隨著(zhù)越來(lái)越多的人關(guān)注、研發(fā)該項技術(shù)，KNOW-HOW成本降低，相信會(huì )在中國，尤其是在缺少場(chǎng)地，已超負荷運行且面臨進(jìn)一步TN提標的場(chǎng)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)沙龍分享中的總結作為結語(yǔ)。中國獨特的污水特征是我們的挑戰，低效運行的污水廠(chǎng)如何改進(jìn)？“優(yōu)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(xué)品；通過(guò)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(shí)行突破”，這或許是未來(lái)10年中國BNR方案的突破方向。