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，“氮的节能减排的潜力很大。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%。
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
James Barnard博士认为：随着人们对污水处理生物原理的加深，完全可以设计出可靠的系统实现高标准出水，即TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L，结合化学除磷可实现TP<0.01 mg/L。荷兰的研究结果也表明，在条件适宜情况下活性污泥工艺的技术极限为TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。上述理论，可以说为在生物脱氮除磷工艺基础上，通过优化运行管理实现极限脱氮的可能打下了坚实的理论基础。
反观我国污水处理的现状，存在很多现实的问题。排水体制不完善造成的管道破损、雨污分流不理想、工业废水混排的问题形成了我国特有的城市生活污水特征：进水复杂且碳源普遍不足。江南大学李激教授对全国58座污水处理厂的全流程工艺诊断分析发现，85%的污水厂脱氮问题为碳源不足。这或许成为在需要执行TN<10mg/L出水标准的省市污水厂普遍采用工艺后端上反硝化滤池做保障的原因，而这也造成吨水运营增加0.2-0.3元碳源投加成本、0.004度/m 二级提升电费成本。中国的污水厂“带病运行”、低效运行成为常态。
“源头控制、生物强化、优化运行”-污水高效、稳定脱氮的良策
当前，国内高排放标准的污水处理厂稳定运行时间相对较短。北京作为先行地区，从地标（DB11/890-2012）发布到现在已有7年，但大部分地区仍处于提标改造建设中，具有高效稳定脱氮的运行经验较少。北控水务中部大区结合提标改造项目管理与技术经验，提出了“因地制宜是前提、便于运行是基础、二级处理是关键、三级处理是保障、投资成本是核心”的心得与建议。而李激教授通过对58座污水厂的调研分析，对碳源、内回流比、内回流溶解氧、搅拌等反硝化主要影响因素提出了运营优化建议，非常值得读者品鉴及实践。同时，对正在提标改造中的江苏，我们邀请了曾参与《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)标准制定前期调研的张超，系统分析了太湖流域新一轮提标的问题及对策，希望给读者以启迪。结合多位专家的观点，我们认为“源头控制、生物强化、优化运行”是在新一轮提标中实现污水高效、稳定脱氮的良策。
未来10年污水处理脱氮技术方向
进入21世纪后，污水处理出现了重大的理念变革。污水已经不再被认为是一种废物，而是一种可再生的资源。2014年初，以曲久辉院士为代表的6位专家提出了“中国城市污水处理概念厂”事业，并以“水质永续、能量自给、资源回收、环境友好”为追求。伴随着理念的变革，减少或摒弃外加碳源的需求、降低曝气能耗、更小的占地，利用现有的基础设施开发新工艺成为当前及未来10年的技术方向及挑战。
更具性价比的碳源替代技术及产品
当前，在学术界及行业，由于无需投加有机碳源，且脱氮效率高，运行费用低，以硫等无机物作为电子供体的自养反硝化技术成为技术工程化应用的研究热点。李激教授研究认为，与反硝化深床滤池相对比，硫自养反硝化装置处理市政废水可至少节省20%的占地面积，减少50%以上的运行费用，稳定实现出水TN<10 mg/L的深度脱氮目标。虽然此技术尚无工程化应用，但据悉一批中试项目在进行中。碳源作为污水厂脱氮普遍应用的药剂，更具性价比的替代产品也是当前市场关注的热点。北京某公司研发了一种可替代常规碳源的新型高效生物碳源BioC-1M，不仅安全性高，而且可降低15%-30%的运行成本，目前已在北京昌平、大同制药园区等污水厂得到了应用。
更具节能降耗优势的技术及产品
曹业始博士曾在JIEI举办的技术沙龙研讨中，详细阐述了各种生物脱氮技术的能耗。他指出，与传统的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化可节省25%的氧以及40%的碳，厌氧氨氧化（Anammox）可节省75%的氧以及60%的碳。厌氧氨氧化自1977年由奥地利理论化学家Engelbert Broda开始探索，经过40年的发展，目前已成为全世界关注的焦点。如全球知名水务公司威立雅不仅开发了基于MBBR系统的一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化（PNA）脱氮工艺-ANITATMMox，且一直在主流PNA脱氮工艺上摸索前进。美国DC Water运行着全球最大的侧流式厌氧氨氧化工艺（DEMON®）污水处理厂——Blue Plains，也在向短程反硝化耦合厌氧氨氧化技术（PdA）推进。而享有盛名的南非开普敦大学，开发了“外部硝化活性污泥工艺”，不仅可提升50%处理能力，且降低75%曝气需求。
而基于材料的创新、生物膜形成机理及结构稳定性方面的创新及进一步认识，新型生物膜技术也正在焕发新的光芒。全球知名公司苏伊士、Fluence、OxyMem均于2000年前后开始开发曝气膜生物反应器（MABR），并于2015年左右推向市场，目前已在国外得到了工程应用。MABR技术适合我国低C/N比和低VSS的污水特征，可直接应用于常规活性污泥法的缺氧区，通过比微孔曝气高4倍的充氧动力效率，以及带来的同步硝化反硝化及部分短程硝化反硝化作用，实现20%-40%电耗节省，并可增加30%-50%的水量负荷，稳定实现出水TN<10mg/L。现在Fluence开发的MABR一体化设备已在我国农村生活污水处理中得到了普及，而苏伊士、OxyMem也已开始在中国的湖州等地开展第一个工程示范。未来，随着越来越多的人关注、研发该项技术，KNOW-HOW成本降低，相信会在中国，尤其是在缺少场地，已超负荷运行且面临进一步TN提标的场景得到更快的应用。
最后，依然想用曹业始博士在脱氮技术沙龙分享中的总结作为结语。中国独特的污水特征是我们的挑战，低效运行的污水厂如何改进？“优化现有BNR流程，提高效率；探索污水含碳的高效使用，最大限度地减少使用外加碳源及化学品；通过行业、学术和公用事业联合加强工程研究；选择好前沿课题实行突破”，这或许是未来10年中国BNR方案的突破方向。
