中國城市生活污水脫氮技術(shù)的未來判斷
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(fù)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(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(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(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??梢栽谌魏慰赡艿念I(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(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
1 2編輯:趙凡
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