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)。