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　　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，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(lái)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(lái)也將有越來(lái)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(lái)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(shuō)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，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(guò)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(shuō)為在生物脫氮除磷工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)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(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(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(wèn)題為碳源不足。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(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)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，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，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(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(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(xiàn)20%-40%電耗節(jié)省，并可增加30%-50%的水量負(fù)荷，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出水TN<10mg/L。現(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(lái)，隨著越來(lái)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(guò)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(lái)10年中國(guó)BNR方案的突破方向。