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中国城市生活污水脱氮技术的未来判断

快3投注平台时间:2019-07-29 10:28

来源:JIEI创新实验室

作者:李瑞玲

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北京、昆明、巢湖、太湖等重点区域及流域作为环保的推动者,对污水处理提出了越来越高的要求。TN排放标准从20mg/L(一级B)、15 mg/L(一级A),提升为10mg/L,甚至5mg/L(昆明A标),逐渐向极限脱氮迈进。然而,在当前提标改造的脱氮技术路线中,一些脱氮工艺存在通过碳源增加带来药剂成本的大幅提高,以及场地的增加、复杂的运营维护等诸多问题,尚不具备技术、管理与资本的可持续发展。

以污水脱氮为话题,极限脱氮是否是中国污水处理的未来趋势?中国特有的污水特征下,如何实现高排放标准下污水脱氮的高效、稳定运行?以国际经验看我国脱氮技术的未来方向又是什么?我们希望通过对历史、现在、未来的探讨及思考,厘清脱氮技术未来的技术路线,促进行业创新及环保事业的健康发展。

我国水体受到氮污染了吗?

区别于自然生物固定氮,化学合成氮、化石燃料燃烧而释放的氮氧化物,以及由于水稻扩种而增加的生物固氮量等,被称为“人为活化氮”或“活性氮”。清华大学绿色经济与可持续发展研究中心研究发现,1910-2010年的100年间,我国年均活性氮的净产生量增加了6倍多,到2010年其贡献达到了80%以上。人为活化氮的数量成倍于自然生物固定氮量显著地改变了区域氮循环,给生态环境带来更大的压力。温室效应、霾、酸雨都与人类活动干扰下氮循环的改变有关。

那么我国的水体受到氮污染了么?

2019年2月,清华大学的喻朝庆博士及其同事在《自然》上发表了一篇论文“Managing nitrogen to restore water quality in China”。作者报告说,中国因人为原因造成的氮排入淡水的速度为1450万t/a,约为安全排放阈值估值(520万t/a)的2.7倍。在20世纪80年代之前,水体氮浓度低于1mg/L,但在20世纪90年代后,许多集水区的氮浓度迅速上升至15mg/L以上。这项研究发现,除西藏区域外,我国各省均有流域污染问题,且95%的水域在2000年以前已受到污染,至今污染物积累已超20年。而京杭大运河在1980年、巢湖在1985年、滇池在1981年均已开始出现氮污染,氮累积近40年。

中国正在由“低碳社会”迈入“低氮社会”

“低碳社会(low-carbon society)”的理念已经深入人心,但如上文介绍,人类活动显著干扰氮循环后可能产生更为严重的不利影响,却一直没有引起社会各界的重视。面对我国及世界活性氮产生量逐年递增的现状,建设“低氮社会”成为控制环境污染、维护生态系统健康的必然举措。

2016年,清华大学绿色经济与可持续发展研究中心提出了“加快构建低氮社会,保障生态系统健康”的主张。2018年,在中荷生态环境技术国际高峰论坛上,清华大学环境学院王凯军教授也讲到人们对于氮磷问题仍没有更充分的认识,重点提出了从“低碳社会”到“低氮社会”的发展理念。

如何实现“低氮”?可理解为更少的活性氮排放,减轻氮素带来的环境影响。一方面,要从源头控制氮污染,加大对氮污染物的管理和调控力度;另一方面,要在氮素的输移和转化过程中实施协同控制。王凯军教授也提出,“氮的的潜力很大。可以在任何可能的领域、可能的尺度,就地追求尽大可能‘水与物质的闭环’”。

市政污水厂在氮排放中扮演什么角色?

喻朝庆博士的研究,将水体中总氮浓度的观测数据与来自农业和其他来源的模拟氮排放数据相结合,估算了1955年至2014年间中国的氮排放模式。从污染源来看,农业及生活污染物是水体中氮的主要污染源。其中,农业污染占当前氮排放总量的59%(农田35%,牲畜24%),生活污染占39%(城市污水13%,农村污水8%,有机垃圾18%),工业垃圾占2%。

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截至2018年12月,我国已运行5370座生活污水处理厂,处理能力可达2亿m3/d。如果将污水处理厂出水TN浓度由15mg/L降为5mg/L,可减少5%-10%水体氮排放量。随着我国污水管网的建设、纳管及维护的完善,市政污水厂将对水体氮的减排发挥越来越重要的作用。

污水极限脱氮在经济上是否可行?

曲久辉院士、彭永臻院士、王凯军教授、王洪臣教授等多位专家学者曾指出,对于湖泊等敏感水体,应因地制宜,制定更加严格的地方排放标准,逐步将污水处理标准与地表水水质等级接轨。污水厂不断提高排放标准,一定是中国污水处理行业的永恒主题。当前昆明已经施行污水厂TN<5mg/L的极限脱氮排放标准,未来也将有越来越多的水敏感地区或流域向极限脱氮迈进。

极限脱氮经济上是否可行?重新审视和观察发达国家水环境治理的历程及国家政策,或许能为我们提供参考。在本期期刊的“美国水环境治理漫谈”一文中,作者详细阐述了美国执行TN<3m/L、TP<0.1mg/L排放标准的佛罗里达州的水环境治理思路及投资。从美国的经验来看,做到加强型营养物去除(ENR)和极限营养物去除(LOT)其投资及运行费用均增长有限,部分污水厂甚至出现了运行费用节省,可以说性价比合理。

中国污水特征下的运行现状及对策

碳管理是污水处理的根本难题

1914年Arden和Lockett发明活性污泥法,1964年英国水污染中心Downing建立起硝化理论的基本法则,20世纪70年代,“生物脱氮除磷之父”James Barnard创造出经典的Bardenpho污水处理脱氮工艺,自此以后污水处理以生物法为基石,得到不断的延伸和发展。原新加坡公用事业局(PUB)首席专家曹业始先生曾在JIEI举办的污水脱氮技术沙龙上讲到,脱氮除磷都需要碳,如何实现碳合理的管理与分配,是污水处理的根本难题。以生物法去除一个N需要6个COD,去除一个P需要7-10个COD,而这些 COD均是可降解的COD。结合污水的特征及微生物的特性,通过工艺做碳管理最大程度的去除污水中的氮、磷等营养物,是一个系统的工程,也是污水处理的根本难题。

“带病”污水厂低效运行普遍存在

编辑:赵凡

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