废水氮减排的控制要素研究——“十二五”期间氮减排控制指标分析

中国环境学会  2011年 03月31日


  郑雄, 李媛媛 ,陈红路,何志云 (广西南宁市环境保护科学研究所,广西  南宁  530022)


  摘要:随着城市地表水体富营养化问题的日益突出,氮污染控制越来越受到重视,成为当前及今后一个时期水污染控制工作的重要任务。本文针对目前争论较多的两项氮减排控制指标—氨氮和总氮,探索性地从技术、经济、支撑体系和环境效益上比较分析两者的减排差异。经综合比较分析,认为:实施氨氮减排比总氮减排更切合“十二五”环境保护工作实际。建议“十二五”期间应推进氨氮全面减排,同时做好总氮减排的准备工作,探索推进重点流域、重点行业总氮减排。
  关键词:“十二五” 氨氮  总氮  减排 
   
  近年来我国的城市地表水体富营养化问题日益严重,国内许多湖泊如太湖、滇池、巢湖、洞庭湖等均出现了不同程度的富营养化现象。研究表明,氮是引起水体富营养化的主要元素之一,欲控制水体富营养化,必须严格控制氮污染物的排放。然而,环境中的氮包括多种形态多项要素,究竟以什么指标作为氮减排的控制要素更切合当前环境保护实际呢?目前国内出现两种不同看法:一是建议以氨氮作为指标;二是建议以总氮作为指标。
  针对此问题出现的两种不同看法,本文将就氨氮和总氮的减排差异进行探索性地分析研究,以科学选取出较为切合环境保护工作实际的氮减排指标,为“十二五”污染减排工作提供参考性建议。
   
  1环境中的氮
  1.1氮循环
  自然界中的氮在大气圈、水圈、生物圈和土壤圈之间形成物质循环。大气是庞大的氮储存库,约含78%的氮气,但是绝大多数生物都不能直接利用分子态氮,只有豆科植物和某些蓝绿藻能够将大气中的氮气转变为硝态氮(硝酸盐)。闪电可使N2和O2形成NO后进一步化合,从而被土壤吸附、保留并被植物所吸收利用。植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐,然后将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接利用植物合成的有机氮(蛋白质),经分解为氨基酸后再合成自身的蛋白质。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮在自然界中经微生物分解、氨化、硝化成简单氮化物,重新被植物利用;土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐,并且进一步还原成分子态氮,分子态氮则返回到大气中,形成自然界中的氮循环[1]。
  由氮循环的过程可以看到,动植物的残屑体是人为可控的氮循环入口。广义上来说,工农业活动中的废物、城镇居民和禽畜排泄物均属于动植物残屑体范畴。    

  
  1.2存在关系
       总氮(TN)是指水中有机氮、氨氮(NH3-N)、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的总和[2]。氨氮(NH3-N)是总氮(TN)的重要组成部分,总氮(TN)包含氨氮(NH3-N)。
  废水中氨氮的含量占总氮的比例因水质类别的不同而不同。对于生活废水:在新鲜的生活废水中,氨氮约占总氮的40%;对于工业废水:氨氮与总氮的比例关系较为复杂,不同的行业其氨氮占总氮的比例各有不同,一般在40~70%之间变动。


  1.3主要来源
  氨氮和总氮的主要来源基本一致,主要来自人和动物的排泄物、工业生产(主要为化肥、焦化、石油化工、洗毛、制革、印染、食品与肉类加工、制药等行业)、农业生产(农田使用的肥料通过地表径流进入水体)三大块。


  2脱氮机理


  废水脱氮的方法主要有化学法和生物法两大类,其中生物法最为常用。生物脱氮是在微生物的作用下,将有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程:
  硝化反应:是在好氧条件下,将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。
  反硝化反应:是在无氧条件下,将NO2-和NO3-还原为氮气的过程。
  由生物脱氮的硝化与反硝化反应机理可知:氨氮的去除只要在硝化过程就可以实现,而总氮的去除还需要经过进一步的反硝化才可以实现,硝化过程仅是将氨氮转化为另一种氮形态而已,此过程废水中总氮的含量是不变的。


  3减排可行性比较


  3.1技术上
  国内外对废水的脱氮研究已有较长的历史(始于上世纪70年代),不少先进高效的脱氮技术已在水污染控制领域得到广泛的实践和应用。从目前的脱氮技术水平来看,要获得较好氨氮和总氮去除效果已不是神话。氨氮的去除率一般可达到80%以上,有些工艺甚至可以达到95%以上;总氮的去除率一般可达到60%以上,某些先进工艺可以达到90%以上。不同的脱氮工艺,其氨氮和总氮的去除效果有所不同。
  但相对来说,由于氨氮的去除工序较总氮简单些,在技术上,不管是从操作性、处理效果,还是从成熟度等方面进行比较,氨氮去除都要比总氮略胜一筹。
  表1 一些常见水处理工艺的氨氮和总氮去除效果比较表[3~7]

  序号

水处理工艺

氨氮去除率

总氮去除率

1

传统活性污泥法

60-70%

10-30%

2

A/O

>80

30-50%

3

A2/O微曝氧化沟

80~95%

40~60%

4

MSBR

>90%

60-70%

5

SBR工艺

85~95%

70~80%

6

人工湿地

60-80%

50-70%

7

立体循环一体式氧化沟

>99%

>90%

8

厌氧氨氧化- UASB 工艺

>99%

>90%

9

短程硝化-反硝化工艺

>95%

>90%

 

  3.2经济上
  由于提高总氮去除率需增加反硝化工序,故总氮减排在工程投资上(占地面积、设备、构筑物增加)要比氨氮减排的高。另外,基于反硝化过程的反应特点,需维持较为充足的碳源和保证合适的碱度,当废水中的碳源不足、PH过低时需要外加碳源和碱液,这样一来将增加整个系统的运行费用。据估算,增加反硝化工序将提高一倍的运行费用,约0.50元/m3(对实施一级B标准排放标准的一般中低浓度城镇污水处理工艺,整个系统的运行费用一般也不会超过0.60元/吨)。
  由此可见,不管是从工程投资上还是运行费用上,总氮减排都要比氨氮减排投资大。资金投入问题将成为制约总氮减排实施的一项重要因素。
 

  3.3支撑体系上
  从目前的环保发展现状来看,实施氨氮减排的支撑体系相对要比实施总氮减排的完善。氨氮减排在支撑体系上有如下几个方面的优势:
  (1)有环境统计和污普调查基础。
  (2)有较全面的环境标准体系。从现行的水污染物排放标准体系来看,现有的35项水污染物排放标准中,有26项都规定了氨氮的排放控制标准值,其余的9项为不产生氨氮污染物的行业[8]。而目前对总氮指标排放限值做出要求的水环境保护标准还较少。目前只有《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)及2008年新修订的几项行业排放标准如《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2008)、《制糖工业水污染物排放标准》(GB21909-2008)、《合成革与人造革工业污染物排放标准》(GB21902-2008)、《化学合成类制药工业水污染物排放标准》(GB21904-2008)等对总氮指标限值做出了要求。
  (3)有一定的氨氮减排经验和相关研究成果。“十一五”期间一些重点流域(如淮河、滇池)已将氨氮列入总量控制目标,积累了一定的氨氮减排经验。国家和一些省市也相继开展了氨氮污染控制相关课题研究,如2009年5月,国家环境保护部科技标准司召开了“水体氨氮污染控制技术研讨会”;广西环境保护厅开展了《氨氮污染现状与控制技术研究》课题研究等。


  3.4 环境效益
  由生物脱氮机理可看出:氨氮的去除过程仅是将其转化为另一种氮形态而已,实质上并未能达到大规模削减氮污染物排放的目的。由此可见,推行总氮减排对于保护水环境更具实际意义,具有较大的环境效益。
  表2  氨氮和总氮减排差异比较一览表

  序号

类别

氨氮

总氮

1

技术

工艺复杂性

较简单

较复杂(需增加反硝化工序)

操作性

较容易

较难(工艺参数较多难调节)

处理效果

较高

较低

成熟度

较成熟

还不够成熟(还需不断改进)

2

经济

工程投资

较低

较高(需增加占地、设备和构筑物)

运行费用

较低

较高(需外加碳源和碱液;费用多出一倍)

3

支撑体系

统计体系

有环境统计和污普调查基础

环境标准体系

较全面。

现有的35项水污染物排放标准中,有26项都规定了氨氮的排放控制标准值,其余的9项为不产生氨氮污染物的行业

刚开始起步。

只有《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)及2008年新修订的几项行业排放标准对总氮指标限值做出了要求。

相关研究成果

“十一五”一些重点流域(如淮河、滇池)已推行氨氮减排,具有一定的经验;国家和地方一些省市开展了氨氮污染控制研究

4

环境效益

较小

较大

 

  4结论与建议


  由表2可看到:总氮减排虽然在环境效益上优于氨氮减排,但在技术、经济和支撑体系上却逊于氨氮减排。综合比较分析,得出:当前实施氨氮减排要比总氮减排更具可行性。 
  建议“十二五”期间应以氨氮作为污染物排放总量控制指标,全面推进氨氮减排。与此同时,应充分认识总氮控制的紧迫性和必要性,认清氮污染控制的发展形势,做好总氮减排的准备工作,探索重点流域、重点行业总氮减排。


  (1)推进氨氮全面减排
  ①以城镇居民生活源为氨氮减排重点,加快推进市、县污水处理设施及配套污水管网建设,推进农村分散式污水处理,提高污水处理设施的运行负荷率。加强推进污水再生水厂和管网建设,进一步减少氨氮排放量。强化新建污水处理设施脱氮除磷工艺的选取,优化升级老污水处理厂的脱氮工艺,可增设生物填料,提高其脱氮能力。
   ②积极推动面源污染防治,建立示范工程,试点实施面源削减与点源削减的抵扣政策。大力发展生态农业,推广测土施肥的方法,减少农业生产中化肥、农药施用量。进一步推进集中式规模化禽畜养殖污染治理。
  ③加大工业污染源监管力度,狠抓工业废水达标排放,着力提高工业废水排放达标率。
  ④逐步健全完善氨氮的管控体系,强化氨氮排放标准的引导作用,适当提高重点行业(如石化、化工、造纸、食品加工、纺织)的氨氮排放标准。


  (2)做好总氮减排准备工作
  ①完善氮污染物排放统计和监测体系,开展总氮污染源普查,启动总氮排污数据统计工作。
  ②健全总氮环保标准管理体系,为推进重点行业、重点流域的总氮减排提供法制政策保障。尽快完成合成氨等行业排放标准的修订工作,严格重点行业排放标准。将总氮纳入重点流域(如“三湖”和淮河流域)的水污染防治规划总量控制体系。
  ③强化重点行业排污督察,狠抓污水达标排放。按照已颁布的总氮相关行业排放标准,对相关行业(制药、造纸、制革、制糖等)开展排污督查,对达不到相应排放标准的行业,督促其对污水处理设施进行脱氮升级改造。
  ④推广应用一批适合国内实际的先进高效的脱氮工艺,开展示范工程建设。


  参考文献
  [1]刘全凤.浅谈氮循环及氮污染[J].现代农业科技,2007,(12):
  [2]高廷耀、顾国维.水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,1999.
  [3]沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术(第二版) [M].北京:中国环境科学出版社,2006.
  [4]肖社明,张永祥,丰锴斌.A/O工艺生物脱氮效果研究[J].山西科学,2008,34(16):20~21.
  [5]何文远,杨海真.城市污水脱氮除磷工艺的比较分析[J].华中科技大学学报(城市科学版).2003,20(1):85-87.
  [6]朱明石等.高浓度含氮废水生物脱氮新工艺研究[J].环境保护科学,2008,34(1):4~8.
  [7]陈旭.生物膜法短程硝化反硝化脱氮的研究[D].南京:南京理工大学,2008.
  [8]国家环境保护厅科技标准司.水体氨氮污染控制技术研讨会总结报告[R].北京:国家环境保护部2009.

 
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