“十二五”氨氮减排关键点及对策

2011-5-10 08:39 来源: 人民网
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  “十二五”国民经济和社会发展规划纲要中,明确提出氨氮减排10%的目标。作为新增约束性指标,氨氮减排的制度和措施急需在实践中探索。众所周知,生活污染是氨氮的主要排放源,因此城镇污水处理作为氨氮削减的主要手段,将成为氨氮减排的最主要领域。我们想知道,城镇污水处理领域氨氮减排面临哪些问题,如何提高这一领域氨氮的减排效率,怎样推进城镇污水处理领域氨氮减排工作?对此,本版特邀中国人民大学环境学院副院长、教授王洪臣撰文,针对城镇污水处理领域怎样推进氨氮减排,分析形势,摆出问题,提出建议,以飨读者。

  城镇污水处理是氨氮减排最主要领域

  阅读提示

  生活污染是氨氮的主要排放源,城镇污水处理是氨氮削减的主要手段,将成为氨氮减排的最主要领域。按照规划,“十二五”新建污水处理厂的总处理能力将超过3000万立方米/日。这些污水处理厂的陆续投入运营,将为氨氮减排发挥关键作用。

  目前,我国水环境污染状况依然较重,高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮仍为主要污染指标。根据全国水环境污染物主要特征,“十二五”规划明确了主要水污染物的减排目标,提出2015年化学需氧量排放要在“十一五”基础上减少8%,氨氮排放减少10%。“十一五”期间,化学需氧量减排绩效明显,已形成了较为成熟的系列减排制度及相应的技术对策。氨氮是新增加的约束性指标,减排的制度和措施尚需在实践中探索。

  根据第一次全国污染源普查结果,2007年全国氨氮总排放量172.91万吨。其中,工业企业产生氨氮201.67万吨,实际排放出厂30.4万吨,经城镇污水处理厂及工业废水集中处理设施削减后,实际排入环境水体20.76万吨;农业源氨氮排放量约31.4万吨,93%来自于种植业和规模化畜禽养殖业;各类生活污染源排放量达到148.93万吨,占全部总排放量的86%,是氨氮的主要排放源。2007年,全国总污水处理量210.31亿吨,削减氨氮37.62万吨,通过城镇污水处理厂出水排放氨氮18万吨。综合以上数据,生活污染是氨氮的主要排放源,城镇污水处理是氨氮削减的主要手段,将成为氨氮减排的最主要领域。

  截至2010年底,设市城市、县累计建成城镇污水处理厂2832座,污水处理能力达到1.25亿立方米/日,与“十五”末相比分别增长了2.1倍和 1.2倍,这也是到目前为止世界上所有国家污水处理能力增长的最快速度。全国已有1034个县城建成了污水处理厂,约占县城总数的63.2%,较2009 年底翻了一番,有16个省、自治区、直辖市实现了“每个县(市)建有污水处理厂”的目标。2010年全国城镇污水处理厂全年累计处理污水343.33亿立方米,平均运行负荷率达到78.95%,全年累计削减化学需氧量总量920万吨,削减氨氮70万吨。

  上述数据表明,目前我国在建的和“十一五”期间已经投入运行的污水处理厂的处理能力已经与美国相当,但美国已经完成了城镇化进程,而我国人口基数是美国的5倍,还处在城镇化快速发展过程中。“十二五”的城镇化率目标要达到51.5%,意味着我国的城镇化将迎来一个拐点,城镇人口数将首次超过农村人口数,城镇污水量会持续增加,污水处理厂的建设也将持续高速发展。按照规划,“十二五”新建污水处理厂的总处理能力将超过3000万立方米/日。这些污水处理厂的陆续投入运营,将为氨氮减排发挥关键作用。

  减排面临制约因素 管网、能耗、设计和气候

  阅读提示

  城镇污水处理领域氨氮减排面临着污水收集系统建设滞后、高能耗问题突出、部分污水处理设施不能满足氨氮减排要求、进水水质及气候条件影响氨氮减排等问题。

  1.污水收集系统建设滞后

  由于污水管网建设长期滞后于污水处理厂建设,污水收集效率总体较低,这一状况已经成为进一步提高城镇污水处理减排效率的瓶颈。西方发达国家污水处理厂的进水化学需氧量在400毫克/升以上,最高的超过600毫克/升,而我国污水处理厂进水化学需氧量平均仅约300毫克/升,很多城市不足200毫克/升,进水氨氮也相应较低。2010年,虽然全国城镇污水处理厂平均负荷率已接近80%,但污染物负荷率仍低于60%,污水处理厂“吃不饱”现象突出,严重影响了污染物减排的效率。

  管网建设滞后的原因很多。首先,观念落后是最重要的原因,很多地方“重厂轻网”,尤其是在一些经济发展迅速、城镇化进程快速推进的地区,城市规划建设之初并没有对污水管网予以足够的关注,现在着手建设难度较大。其次,管网的投资较大,建设资金缺乏是重要的客观原因。管网投资一般为污水处理厂投资的2~4倍,需要有足够的资金投入。另外,一些城市征地难、拆迁难,严重影响了管网建设进程。对于已建成的管网,雨污混接也是突出的问题。雨污分流系统改造不到位,雨污混流、地下水渗入以及河水倒灌等问题导致污水处理厂进水污染物浓度降低,影响了减排效果。

  2.高能耗问题突出

  污水处理是高能耗行业,2010年全国污水处理能耗超过80亿千瓦时。污水处理高能耗增加了运营成本,更重要的是由于化石燃料的消耗间接增加了碳排放。氨氮作为减排指标后,能耗将进一步提高,减排与高能耗的矛盾将日益突出。目前,全国污水处理厂出水化学需氧量已经普遍低于50mg/L,氨氮平均低于6毫克/升,接近处理极限,如进一步降低,去除单位污染物的能耗将以几何级数增加。如何以较小的能耗取得既定的氨氮减排效果是“十二五”减排面临的重要问题。

  3.部分污水处理设施不能满足氨氮减排的要求

  部分早期建设的污水处理厂,包括一些新建的县级污水处理厂,在建设之初只考虑化学需氧量的去除,没有硝化功能,出水氨氮较高。这些污水处理厂的曝气池容积较小,达不到硝化需要的泥龄要求;沉淀池容积偏小,无法适应硝化需要的高污泥浓度;曝气设备的能力及效率较低,达不到硝化所需的供氧量。如何对这些污水处理厂进行升级改造,使之去除氨氮,发挥氨氮减排效能,也是“十二五”减排面临的重要问题。

  另外,部分污水处理厂虽有硝化功能,由于自动控制水平较差,加之运行技术人员缺乏,硝化效果的有无很大程度上依赖于自然界春夏秋冬的自然更替,部分污水处理厂提高硝化的效果仅仅是简单地减少排泥或者增加曝气量,远远没有达到优化运行的效果。这样的运行现状不仅使硝化效果无法得到稳定的保证,而且会造成极大的能源浪费。

  4.进水水质及气候条件影响氨氮减排

  进水水质对城镇污水处理厂硝化效果有较大的影响。工业废水中的一些有毒物质能够抑制硝化细菌的增殖,降低氨氮去除率。在南方部分地区,污水碱度不足可能严重影响氨氮去除。南方地区污水处理厂的进水碱度偏低,而硝化是一个消耗碱度的过程,当污水的碱度较低时,则会因其pH值下降而对硝化反应产生抑制作用,同时对活性污泥的絮凝性能产生不良影响。南方某市污水处理厂进水氨氮只有15毫克/升,出水却高达10毫克/升。在北方寒冷地区,温度是影响硝化的重要原因,低温情况下硝化菌增殖速率会大大降低,导致出水氨氮升高。如何克服低温对硝化的影响是北方地区污水处理领域氨氮减排面临的重要问题。

  只有抓好三个关键环节 才能提高减排效率

  阅读提示

  通过加大管网建设力度,加快老旧污水处理厂的升级改造步伐,提高运营调控水平等措施,提高城镇污水处理领域氨氮减排效率。

  1.加大管网建设力度

  应按照“厂网并举、管网适度超前”的原则,采取一切必要措施,加快污水收集系统的建设进度,及时、足量地将污染物收集到污水处理厂予以处理,充分发挥污水处理设施的污染物减排效益。首先,各级政府应安排专项补助资金,确保污水管网建设资金的足额到位。其次,应加大对现有雨污合流系统的改造力度,有条件的区域应尽量实现雨污分流,由于客观困难无法实现分流的区域应加大截留倍数,尽量提高污染物收集率,减少直接向水体溢流。另外,应强化对管网的养护管理,及时进行大修维护,防止污水大量外渗或地下水大量渗入。在河网地区,应在污水管网的安全溢流口设置逆止装置,防止河水大量倒灌进污水管网,降低污水处理效率。

  2.加快老旧污水处理厂的升级改造步伐

  应认真分析没有氨氮去除功能的老旧污水处理厂的具体情况,因地制宜地采取相应的改造措施,加快改造进度,提高氨氮减排效果。

  对于池容较为宽裕的老旧污水处理厂,简单的技术改造就可以实现硝化,达到氨氮减排目的。另外,污水处理厂曝气系统的升级对于污染物减排和节能降耗具有显著意义,老旧污水处理厂往往采用的是曝气效率低下的设备,供氧量不足,难以实现硝化的效果,更换新型曝气设备即可解决问题。

  对于池容不足的老旧污水处理厂,提高硝化能力的一个重要技术手段是在曝气池中增设生物填料。这种技术手段无论在国内、国外都有不少成功的案例,典型的应用工艺包括IFAS、MBBR以及BAF等。对于出水水质要求较高、污水要求回用的地区,如果老旧污水处理厂的占地非常有限,还可考虑MBR工艺。

  3.提高运营调控水平

  “十二五”期间,氨氮的控制应与节能挂钩,即削减单位氨氮的电能应成为一个控制指标,否则将会出现以高能耗换取氨氮减排的尴尬局面。将氨氮控制与节能指标并举,可以鼓励企业采取技术措施降低污水处理过程中的能耗,淘汰落后技术,提高综合运营水平。

  通过运营优化调控,提高控制水平,可在满足氨氮减排要求的前提下尽量降低能耗。首先,应按照氨氮减排的要求,合理控制污泥浓度和污泥龄,既防止由于污泥龄太短导致出水氨氮超标,又避免运行不必要的超大污泥龄工况,增大能耗。其次,应设置精确曝气系统,提高曝气水平,使供氧既满足氨氮去除要求又不过度曝气增加能耗。事实上,曝气控制技术不仅能在很大程度上降低污水处理厂的能耗,而且有利于出水水质的稳定达标。

  重视挖掘处理设施潜力 协同减排事半功倍

  阅读提示

  为做好城镇污水处理领域氨氮减排工作,建议氨氮减排宜尽量与脱氮除磷相结合;通过技术进步提高氨氮减排效率。

  1.氨氮减排宜尽量与脱氮除磷相结合

  氨氮减排不应孤立地围绕着氨氮一个指标进行,氨氮减排与总氮、总磷的控制相结合可以达到事半功倍的效果。事实上,即使没有对总氮有要求,在硝化工艺中增设一段缺氧区(20%左右的容积)也是有益的。这样的做法只是略微地提高了泥龄,增加了少量的投资,但会降低供氧需求、回收碱度,降低出水总氮,减少沉淀池反硝化引起的出水水质变差的风险,从而进一步确保氨氮的减排效果。

  对于进水碳源丰富的污水,在工艺中采用生物除磷,无论现在还是未来都是必要的选择,生物除磷实际上对工艺的要求更为简单,只需要在进水端设置厌氧区,其所需的投资比脱氮的投资要节省得多。只要进水水质满足生物除磷所需要的碳源,生物除磷的效率往往非常好,而投资增加却很少。

  2.通过技术进步提高氨氮减排效率

  减少污染物排放重在技术创新。污水处理领域氨氮控制的有效技术根据实际需要一般分为以下两类:新建污水处理厂的氨氮控制技术、老的污水处理厂的氨氮控制技术。新建污水处理厂的氨氮控制技术研究主要围绕低能耗与低占地方面,传统的污水处理技术具有能耗高、占地大的特点,开发能耗低、占地小的技术是氨氮控制技术的重点。

  老的污水处理厂氨氮控制技术一般包括在反应池中增设生物填料,提高反应池内的生物量或者在沉淀池之后增设曝气生物滤池,无论采用何种技术,填料是技术的核心。因此,生物填料的研究将是氨氮控制研究的一个重要课题。

  此外,曝气生物滤池(BAF)、流动床生物膜工艺(MBBR)等附着生物工艺的核心技术仍然由国外少数几个国家掌握,开发具有自主知识产权的生物膜工艺对于我国污水处理厂氨氮控制无疑是有益的。曝气生物滤池(BAF)、流动床生物膜工艺(MBBR)等技术的研究内容主要集中在曝气方式、填料的比例、硝化及反硝化的效果及技术经济等方面。

  作者系中国人民大学环境学院副院长、教授