中國(guó)城市生活污水脫氮技術(shù)的未來判斷
【純水設(shè)備http://www.creativeimagessc.com】北京、昆明、巢湖、太湖等重點(diǎn)地區(qū)和流域作為環(huán)保促進(jìn)者，對(duì)污水處理提出了越來越高的要求。TN排放標(biāo)準(zhǔn)由20mg/L(B級(jí))、15mg /L(A級(jí))提高到10mg/L，甚至5mg/L(昆明A級(jí))，逐步向脫氮極限邁進(jìn)。然而,在當(dāng)前的脫氮技術(shù)路線提出了轉(zhuǎn)變,一些反硝化過程有許多問題,如化學(xué)成本的大幅增加通過碳源的增加,網(wǎng)站的增加純水設(shè)備,復(fù)雜的操作和維護(hù),等等,沒有可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)、管理和資本。
在污水反硝化問題上，極端反硝化是我國(guó)未來污水處理的發(fā)展趨勢(shì)嗎?在我國(guó)污水特殊的特點(diǎn)下，如何在高排放標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)污水脫氮高效穩(wěn)定運(yùn)行?基于國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)脫氮技術(shù)的未來發(fā)展方向是什么?希望通過對(duì)脫氮技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和未來的探討和思考，闡明脫氮技術(shù)未來的技術(shù)路線，南通純水設(shè)備促進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和環(huán)境保護(hù)的健康發(fā)展。
我國(guó)的水被氮污染了嗎?
與天然生物固氮不同，化學(xué)合成氮、化石燃料燃燒釋放的氮氧化物以及水稻種子膨脹而增加的生物固氮量被稱為“人工活性氮”或“活性氮”。清華大學(xué)綠色經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展中心的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，從1910年到2010年的100年間，中國(guó)每年的活性氮凈產(chǎn)量增長(zhǎng)了6倍多，2010年其貢獻(xiàn)達(dá)到80%以上。人工活化氮量是天然生物固氮量的兩倍，顯著改變了區(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)、霧霾和酸雨都與人類活動(dòng)干擾下氮循環(huán)的變化有關(guān)。
那么我們的水被氮污染了嗎?
2019年2月，清華大學(xué)的余肇慶博士和他的同事在《自然》雜志上發(fā)表了《管理氮來恢復(fù)中國(guó)的水質(zhì)》。作者報(bào)告說，中國(guó)向淡水排放人為氮的速度為1450萬(wàn)噸/年，大約是估計(jì)的520萬(wàn)噸/年安全排放閾值的2.7倍。20世紀(jì)80年代以前純水設(shè)備，水體中的氮濃度低于1mg/L，但90年代以后，許多流域的氮濃度迅速上升到15mg/L以上。研究發(fā)現(xiàn)，除西藏外，中國(guó)的每個(gè)省份都存在流域污染問題，2000年以前95%的水域受到污染，污染物積累了20多年。1980年京杭大運(yùn)河、1985年巢湖、1981年滇池開始出現(xiàn)氮污染。氮的積累持續(xù)了近40年。
中國(guó)正從“低碳社會(huì)”向“低氮社會(huì)”邁進(jìn)
“低碳社會(huì)”理念已經(jīng)深入人心。然而，如上所述，嚴(yán)重干擾氮循環(huán)的人類活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的不良影響，但并沒有引起社會(huì)各界的重視。面對(duì)我國(guó)和世界上活性氮產(chǎn)量的逐年增加，建設(shè)“低氮社會(huì)”已成為控制環(huán)境污染、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康的必然措施。
2016年，清華大學(xué)綠色經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心提出“加快低氮社會(huì)建設(shè)，保障生態(tài)健康”的理念。2018年，在中荷生態(tài)環(huán)境技術(shù)論壇國(guó)際峰會(huì)上，清華大學(xué)環(huán)境與環(huán)境學(xué)院王開軍教授也表示，人們對(duì)氮、磷的認(rèn)識(shí)還不夠深入，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(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(duì)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(shí)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(cè)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(guó)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，南通純水設(shè)備農(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(jī)垃圾18%)，工業(yè)垃圾占2%。
截至2018年12月，我國(guó)已運(yùn)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，純水設(shè)備可減少5%-10%水體氮排放量。隨著我國(guó)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(duì)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(jì)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(duì)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(jí)接軌。污水廠不斷提高排放標(biāo)準(zhǔn)，一定是中國(guó)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(jì)上是否可行？重新審視和觀察發(fā)達(dá)國(guó)家水環(huán)境治理的歷程及國(guó)家政策，或許能為我們提供參考。在本期期刊的“美國(guó)水環(huán)境治理漫談”一文中，作者詳細(xì)闡述了美國(guó)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(guó)的經(jīng)驗(yàn)來看，做到加強(qiáng)型營(yíng)養(yǎng)物去除（ENR）和極限營(yíng)養(yǎng)物去除（LOT）其投資及運(yùn)行費(fèi)用均增長(zhǎng)有限，部分污水廠甚至出現(xiàn)了運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省，可以說性價(jià)比合理。
中國(guó)污水特征下的運(yùn)行現(xiàn)狀及對(duì)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(guó)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(shí)現(xiàn)碳合理的管理與分配純水設(shè)備，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(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(yíng)養(yǎng)物，是一個(gè)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(yùn)行普遍存在
James Barnard博士認(rèn)為：隨著人們對(duì)污水處理生物原理的加深，完全可以設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)極限脫氮的可能打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
反觀我國(guó)污水處理的現(xiàn)狀，存在很多現(xiàn)實(shí)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(guó)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(duì)全國(guó)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南通純水設(shè)備。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(yùn)營(yíng)增加0.2-0.3元碳源投加成本、0.004度/m 二級(jí)提升電費(fèi)成本。中國(guó)的污水廠“帶病運(yùn)行”、低效運(yùn)行成為常態(tài)。
“源頭控制、生物強(qiáng)化、優(yōu)化運(yùn)行”-污水高效、穩(wěn)定脫氮的良策
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間相對(duì)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少。北控水務(wù)中部大區(qū)結(jié)合提標(biāo)改造項(xiàng)目管理與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出了“因地制宜是前提、便于運(yùn)行是基礎(chǔ)、二級(jí)處理是關(guān)鍵、三級(jí)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(duì)58座污水廠的調(diào)研分析，對(duì)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(yùn)營(yíng)優(yōu)化建議，非常值得讀者品鑒及實(shí)踐。同時(shí)，對(duì)正在提標(biāo)改造中的江蘇，我們邀請(qǐng)了曾參與《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)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(duì)策，希望給讀者以啟迪。結(jié)合多位專家的觀點(diǎn)，我們認(rèn)為“源頭控制、生物強(qiáng)化、優(yōu)化運(yùn)行”是在新一輪提標(biāo)中實(shí)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(guó)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(jià)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(wú)需投加有機(jī)碳源，且脫氮效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，以硫等無(wú)機(jī)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(diǎn)。李激教授研究認(rèn)為，與反硝化深床濾池相對(duì)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(yùn)行費(fèi)用，純水設(shè)備穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水TN<10 mg/L的深度脫氮目標(biāo)。雖然此技術(shù)尚無(wú)工程化應(yīng)用，但據(jù)悉一批中試項(xiàng)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(jià)比的替代產(chǎn)品也是當(dāng)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(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(yùn)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(shì)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，南通純水設(shè)備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(diǎn)。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(guó)DC Water運(yùn)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(jī)理及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的創(chuàng)新及進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，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(chǎng)，目前已在國(guó)外得到了工程應(yīng)用。MABR技術(shù)適合我國(guó)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(dòng)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(shí)現(xiàn)20%-40%電耗節(jié)省，純水設(shè)備并可增加30%-50%的水量負(fù)荷，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水TN<10mg/L?，F(xiàn)在Fluence開發(fā)的MABR一體化設(shè)備已在我國(guó)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(guó)的湖州等地開展第一個(gè)工程示范。未來，隨著越來越多的人關(guān)注、研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)，KNOW-HOW成本降低，相信會(huì)在中國(guó)，尤其是在缺少場(chǎng)地，已超負(fù)荷運(yùn)行且面臨進(jìn)一步TN提標(biāo)的場(chǎng)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(yǔ)。中國(guó)獨(dú)特的污水特征是我們的挑戰(zhàn)，低效運(yùn)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(qiáng)工程研究；選擇好前沿課題實(shí)行突破”，這或許是未來10年中國(guó)BNR方案的突破方向。公司可根據(jù)客戶要求制作各種流量的純水設(shè)備，超純水設(shè)備及軟水處理設(shè)備。 實(shí)驗(yàn)室水處理設(shè)備，南通純水設(shè)備。
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