“十二五”國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃綱要中，明確提出氨氮減排10％的目標。作為新增約束性指標，氨氮減排的制度和措施急需在實踐中探索。眾所周知，生活污染是氨氮的主要排放源，因此城鎮(zhèn)污水處理作為氨氮削減的主要手段，將成為氨氮減排的最主要領域。我們想知道，城鎮(zhèn)污水處理領域氨氮減排面臨哪些問題，如何提高這一領域氨氮的減排效率，怎樣推進城鎮(zhèn)污水處理領域氨氮減排工作？對此，本版特邀中國人民大學環(huán)境學院副院長、教授王洪臣撰文，針對城鎮(zhèn)污水處理領域怎樣推進氨氮減排，分析形勢，擺出問題，提出建議，以饗讀者。
城鎮(zhèn)污水處理是氨氮減排最主要領域
生活污染是氨讀提氮的主要排放源，城鎮(zhèn)污水處理是氨氮削減的主要手段，將成為氨氮減排的最主要領域。按照規(guī)劃，“十二五”新建污水處理廠的總處理能力將超過3000萬立方米/日。這些污水處理廠的陸續(xù)投入運營，將為氨氮減排發(fā)揮關鍵作用。
目前，我國水環(huán)境污染狀況依然較重，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮仍為主要污染指標。根據(jù)全國水環(huán)境污染物主要特征，“十二五”規(guī)劃明確了主要水污染物的減排目標，提出2015年化學需氧量排放要在“十一五”基礎上減少8％，氨氮排放減少10％。“十一五”期間，化學需氧量減排績效明顯，已形成了較為成熟的系列減排制度及相應的技術對策。氨氮是新增加的約束性指標，減排的制度和措施尚需在實踐中探索。
根據(jù)第一次全國污染源普查結果，2007年全國氨氮總排放量172.91萬噸。其中，工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生氨氮201.67萬噸，實際排放出廠30.4萬噸，經(jīng)城鎮(zhèn)污水處理廠及工業(yè)廢水集中處理設施削減后，實際排入環(huán)境水體20.76萬噸；農(nóng)業(yè)源氨氮排放量約31.4萬噸，93％來自于種植業(yè)和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)；各類生活污染源排放量達到148.93萬噸，占全部總排放量的86％，是氨氮的主要排放源。2007年，全國總污水處理量210.31億噸，削減氨氮37.62萬噸，通過城鎮(zhèn)污水處理廠出水排放氨氮18萬噸。綜合以上數(shù)據(jù)，生活污染是氨氮的主要排放源，城鎮(zhèn)污水處理是氨氮削減的主要手段，將成為氨氮減排的最主要領域。
截至2010年底，設市城市、縣累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠2832座，污水處理能力達到1.25億立方米/日，與“十五”末相比分別增長了2.1倍和1.2倍，這也是到目前為止世界上所有國家污水處理能力增長的最快速度。全國已有1034個縣城建成了污水處理廠，約占縣城總數(shù)的63.2％，較2009年底翻了一番，有16個省、自治區(qū)、直轄市實現(xiàn)了“每個縣(市)建有污水處理廠”的目標。2010年全國城鎮(zhèn)污水處理廠全年累計處理污水343.33億立方米，平均運行負荷率達到78.95％，全年累計削減化學需氧量總量920萬噸，削減氨氮70萬噸。
上述數(shù)據(jù)表明，目前我國在建的和“十一五”期間已經(jīng)投入運行的污水處理廠的處理能力已經(jīng)與美國相當，但美國已經(jīng)完成了城鎮(zhèn)化進程，而我國人口基數(shù)是美國的5倍，還處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過程中。“十二五”的城鎮(zhèn)化率目標要達到51.5％，意味著我國的城鎮(zhèn)化將迎來一個拐點，城鎮(zhèn)人口數(shù)將首次超過農(nóng)村人口數(shù)，城鎮(zhèn)污水量會持續(xù)增加，污水處理廠的建設也將持續(xù)高速發(fā)展。按照規(guī)劃，“十二五”新建污水處理廠的總處理能力將超過3000萬立方米/日。這些污水處理廠的陸續(xù)投入運營，將為氨氮減排發(fā)揮關鍵作用。
減排面臨制約因素 管網(wǎng)、能耗、設計和氣候
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城鎮(zhèn)污水處理領域氨氮減排面臨著污水收集系統(tǒng)建設滯后、高能耗問題突出、部分污水處理設施不能滿足氨氮減排要求、進水水質及氣候條件影響氨氮減排等問題。
1.污水收集系統(tǒng)建設滯后
由于污水管網(wǎng)建設長期滯后于污水處理廠建設，污水收集效率總體較低，這一狀況已經(jīng)成為進一步提高城鎮(zhèn)污水處理減排效率的瓶頸。西方發(fā)達國家污水處理廠的進水化學需氧量在400毫克/升以上，最高的超過600毫克/升，而我國污水處理廠進水化學需氧量平均僅約300毫克/升，很多城市不足200毫克/升，進水氨氮也相應較低。2010年，雖然全國城鎮(zhèn)污水處理廠平均負荷率已接近80％，但污染物負荷率仍低于60％，污水處理廠“吃不飽”現(xiàn)象突出，嚴重影響了污染物減排的效率。
管網(wǎng)建設滯后的原因很多。首先，觀念落后是最重要的原因，很多地方“重廠輕網(wǎng)”，尤其是在一些經(jīng)濟發(fā)展迅速、城鎮(zhèn)化進程快速推進的地區(qū)，城市規(guī)劃建設之初并沒有對污水管網(wǎng)予以足夠的關注，現(xiàn)在著手建設難度較大。其次，管網(wǎng)的投資較大，建設資金缺乏是重要的客觀原因。管網(wǎng)投資一般為污水處理廠投資的2~4倍，需要有足夠的資金投入。另外，一些城市征地難、拆遷難，嚴重影響了管網(wǎng)建設進程。對于已建成的管網(wǎng)，雨污混接也是突出的問題。雨污分流系統(tǒng)改造不到位，雨污混流、地下水滲入以及河水倒灌等問題導致污水處理廠進水污染物濃度降低，影響了減排效果。
2.高能耗問題突出
污水處理是高能耗行業(yè)，2010年全國污水處理能耗超過80億千瓦時。污水處理高能耗增加了運營成本，更重要的是由于化石燃料的消耗間接增加了碳排放。氨氮作為減排指標后，能耗將進一步提高，減排與高能耗的矛盾將日益突出。目前，全國污水處理廠出水化學需氧量已經(jīng)普遍低于50mg/L，氨氮平均低于6毫克/升，接近處理極限，如進一步降低，去除單位污染物的能耗將以幾何級數(shù)增加。如何以較小的能耗取得既定的氨氮減排效果是“十二五”減排面臨的重要問題。
3.部分污水處理設施不能滿足氨氮減排的要求
部分早期建設的污水處理廠，包括一些新建的縣級污水處理廠，在建設之初只考慮化學需氧量的去除，沒有硝化功能，出水氨氮較高。這些污水處理廠的曝氣池容積較小，達不到硝化需要的泥齡要求；沉淀池容積偏小，無法適應硝化需要的高污泥濃度；曝氣設備的能力及效率較低，達不到硝化所需的供氧量。如何對這些污水處理廠進行升級改造，使之去除氨氮，發(fā)揮氨氮減排效能，也是“十二五”減排面臨的重要問題。
另外，部分污水處理廠雖有硝化功能，由于自動控制水平較差，加之運行技術人員缺乏，硝化效果的有無很大程度上依賴于自然界春夏秋冬的自然更替，部分污水處理廠提高硝化的效果僅僅是簡單地減少排泥或者增加曝氣量，遠遠沒有達到優(yōu)化運行的效果。這樣的運行現(xiàn)狀不僅使硝化效果無法得到穩(wěn)定的保證，而且會造成極大的能源浪費。
4.進水水質及氣候條件影響氨氮減排
進水水質對城鎮(zhèn)污水處理廠硝化效果有較大的影響。工業(yè)廢水中的一些有毒物質能夠抑制硝化細菌的增殖，降低氨氮去除率。在南方部分地區(qū)，污水堿度不足可能嚴重影響氨氮去除。南方地區(qū)污水處理廠的進水堿度偏低，而硝化是一個消耗堿度的過程，當污水的堿度較低時，則會因其pH值下降而對硝化反應產(chǎn)生抑制作用，同時對活性污泥的絮凝性能產(chǎn)生不良影響。南方某市污水處理廠進水氨氮只有15毫克/升，出水卻高達10毫克/升。在北方寒冷地區(qū)，溫度是影響硝化的重要原因，低溫情況下硝化菌增殖速率會大大降低，導致出水氨氮升高。如何克服低溫對硝化的影響是北方地區(qū)污水處理領域氨氮減排面臨的重要問題。
只有抓好三個關鍵環(huán)節(jié) 才能提高減排效率
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通過加大管網(wǎng)建設力度，加快老舊污水處理廠的升級改造步伐，提高運營調控水平等措施，提高城鎮(zhèn)污水處理領域氨氮減排效率。
1.加大管網(wǎng)建設力度
應按照“廠網(wǎng)并舉、管網(wǎng)適度超前”的原則，采取一切必要措施，加快污水收集系統(tǒng)的建設進度，及時、足量地將污染物收集到污水處理廠予以處理，充分發(fā)揮污水處理設施的污染物減排效益。首先，各級政府應安排專項補助資金，確保污水管網(wǎng)建設資金的足額到位。其次，應加大對現(xiàn)有雨污合流系統(tǒng)的改造力度，有條件的區(qū)域應盡量實現(xiàn)雨污分流，由于客觀困難無法實現(xiàn)分流的區(qū)域應加大截留倍數(shù)，盡量提高污染物收集率，減少直接向水體溢流。另外，應強化對管網(wǎng)的養(yǎng)護管理，及時進行大修維護，防止污水大量外滲或地下水大量滲入。在河網(wǎng)地區(qū)，應在污水管網(wǎng)的安全溢流口設置逆止裝置，防止河水大量倒灌進污水管網(wǎng)，降低污水處理效率。
2.加快老舊污水處理廠的升級改造步伐
應認真分析沒有氨氮去除功能的老舊污水處理廠的具體情況，因地制宜地采取相應的改造措施，加快改造進度，提高氨氮減排效果。
對于池容較為寬裕的老舊污水處理廠，簡單的技術改造就可以實現(xiàn)硝化，達到氨氮減排目的。另外，污水處理廠曝氣系統(tǒng)的升級對于污染物減排和節(jié)能降耗具有顯著意義，老舊污水處理廠往往采用的是曝氣效率低下的設備，供氧量不足，難以實現(xiàn)硝化的效果，更換新型曝氣設備即可解決問題。
對于池容不足的老舊污水處理廠，提高硝化能力的一個重要技術手段是在曝氣池中增設生物填料。這種技術手段無論在國內(nèi)、國外都有不少成功的案例，典型的應用工藝包括IFAS、MBBR以及BAF等。對于出水水質要求較高、污水要求回用的地區(qū)，如果老舊污水處理廠的占地非常有限，還可考慮MBR工藝。
3.提高運營調控水平
“十二五”期間，氨氮的控制應與節(jié)能掛鉤，即削減單位氨氮的電能應成為一個控制指標，否則將會出現(xiàn)以高能耗換取氨氮減排的尷尬局面。將氨氮控制與節(jié)能指標并舉，可以鼓勵企業(yè)采取技術措施降低污水處理過程中的能耗，淘汰落后技術，提高綜合運營水平。
通過運營優(yōu)化調控，提高控制水平，可在滿足氨氮減排要求的前提下盡量降低能耗。首先，應按照氨氮減排的要求，合理控制污泥濃度和污泥齡，既防止由于污泥齡太短導致出水氨氮超標，又避免運行不必要的超大污泥齡工況，增大能耗。其次，應設置精確曝氣系統(tǒng)，提高曝氣水平，使供氧既滿足氨氮去除要求又不過度曝氣增加能耗。事實上，曝氣控制技術不僅能在很大程度上降低污水處理廠的能耗，而且有利于出水水質的穩(wěn)定達標。
重視挖掘處理設施潛力 協(xié)同減排事半功倍
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為做好城鎮(zhèn)污水處理領域氨氮減排工作，建議氨氮減排宜盡量與脫氮除磷相結合；通過技術進步提高氨氮減排效率。
1.氨氮減排宜盡量與脫氮除磷相結合
氨氮減排不應孤立地圍繞著氨氮一個指標進行，氨氮減排與總氮、總磷的控制相結合可以達到事半功倍的效果。事實上，即使沒有對總氮有要求，在硝化工藝中增設一段缺氧區(qū)(20％左右的容積)也是有益的。這樣的做法只是略微地提高了泥齡，增加了少量的投資，但會降低供氧需求、回收堿度，降低出水總氮，減少沉淀池反硝化引起的出水水質變差的風險，從而進一步確保氨氮的減排效果。
對于進水碳源豐富的污水，在工藝中采用生物除磷，無論現(xiàn)在還是未來都是必要的選擇，生物除磷實際上對工藝的要求更為簡單，只需要在進水端設置厭氧區(qū)，其所需的投資比脫氮的投資要節(jié)省得多。只要進水水質滿足生物除磷所需要的碳源，生物除磷的效率往往非常好，而投資增加卻很少。
2.通過技術進步提高氨氮減排效率
減少污染物排放重在技術創(chuàng)新。污水處理領域氨氮控制的有效技術根據(jù)實際需要一般分為以下兩類:新建污水處理廠的氨氮控制技術、老的污水處理廠的氨氮控制技術。新建污水處理廠的氨氮控制技術研究主要圍繞低能耗與低占地方面，傳統(tǒng)的污水處理技術具有能耗高、占地大的特點，開發(fā)能耗低、占地小的技術是氨氮控制技術的重點。
老的污水處理廠氨氮控制技術一般包括在反應池中增設生物填料，提高反應池內(nèi)的生物量或者在沉淀池之后增設曝氣生物濾池，無論采用何種技術，填料是技術的核心。因此，生物填料的研究將是氨氮控制研究的一個重要課題。
此外，曝氣生物濾池(BAF)、流動床生物膜工藝(MBBR)等附著生物工藝的核心技術仍然由國外少數(shù)幾個國家掌握，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的生物膜工藝對于我國污水處理廠氨氮控制無疑是有益的。曝氣生物濾池(BAF)、流動床生物膜工藝(MBBR)等技術的研究內(nèi)容主要集中在曝氣方式、填料的比例、硝化及反硝化的效果及技術經(jīng)濟等方面。
作者系中國人民大學環(huán)境學院副院長、教授
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