區域氮多部門代謝及回收技術應用影響分析

溫宗國，張文婷，韓江雪，陳 晨 （清華大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100084）

區域氮多部門代謝及回收技術應用影響分析

溫宗國*，張文婷，韓江雪，陳 晨 （清華大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100084）

模擬了氮元素在水、能源、食品、林業、廢物管理等多部門的代謝流動，以蘇州為例構建了元素代謝系統分析模型，識別了氮元素代謝的重要部門和關鍵環節，針對性地提出尿源分離、污泥熱解、高溫熱解、藻類凈水等四種氮回收技術及組合，分析技術應用對城市氮元素代謝性能的影響.結果表明:蘇州氮元素從外界輸入160萬t/a，90%來自煤炭和天然氣；能源、食品和水部門是氮回收的關鍵環節；四項氮回收技術組合應用可實現氮元素整體代謝效率提至52%，優化調控效果最好，可促進低氮型社會的構建.

氮元素；多部門系統分析；氮回收技術；跨介質污染控制；蘇州

氮的過量排放可導致水體富營養化，燃煤、汽車尾氣及工業生產排放的NOx是形成霧霾的重要前體物質，也是酸雨的主要組成［1］，氮元素在土壤中的過量殘留，可導致土壤的酸化板結.因此，氮元素代謝涉及水體、大氣和土壤等介質，其跨介質代謝優化調控對于生態系統健康安全具有重要意義.與此同時，氮元素的不合理代謝也造成了極大的資源浪費［2］.氮元素廣泛運用于肥料、飼料、添加劑及洗滌劑的生產.2014年我國氮肥消耗4651.64萬t，氮肥實際利用率僅47.6%～57%［3］，預計2050年氮肥使用量將是現在的2.7倍［4］，氮元素具有較大的回收利用潛力.

通過城市氮元素代謝分析識別流動特征，針對性地提出氮元素高效利用和污染控制的方案，對建設環境友好的低氮型城市具有重要的現實意義.當前，已有學者開展了區域層面氮元素代謝分析研究，例如多倫多市食品代謝過程的氮素平衡問題［5］，美國亞利桑那州鳳凰城的氮元素地區收支平衡［6］，城市區域與農田之間氮元素循環［7］等，國內學者也運用物質流分析方法開展了多項營養元素代謝分析研究［8-9］.但是，現有氮元素代謝分析多將該區域作為黑箱處理，對于含氮物質在城市生態系統內部的流動轉化并無明確分析；多數是針對流域，城市等生態系統內部某一具體過程或子系統，對跨部門氮元素代謝的研究較少；大多研究以評估氮元素代謝現狀為主，無法預計技術改造或措施對區域生態系統氮元素代謝的影響.

本研究開發的多部門系統分析模型（MSA）融合了物質流和元素流分析、低氮控制情景分析及拉丁超立方采樣方法，實現了城市氮元素多部門代謝流動路徑的系統追蹤和模擬分析，避免將城市復合系統視作黑箱處理而帶來的誤差.以蘇州為例的計算結果識別了氮元素代謝的重要部門和關鍵環節，評估了4種關鍵回收技術對氮元素代謝性能的影響，回收潛力及代謝結構的優化效果，為城市氮元素代謝調控提供了理論支撐和系統分析方法.

1 區域氮元素代謝分析方法

1.1 多部門系統分析的代謝框架

MSA模型（圖1）根據代謝的物質類型和經濟社會活動，將城市生態系統劃分為水部門、能源部門、食品部門、林業部門和廢物管理部門.各部門代謝框架涵蓋了物質流動及處理單元，每個處理單元包含著流動的聚集、分離和轉化.各部門之間及部門與外界生態環境（水圈、巖石圈、大氣圈）之間存在物質流動交換.

圖1 多部門代謝系統分析模型框架Fig.1 System analysis framework of multi-sector metabolism

其中，水部門主要包括取水、供水、廢水處理等環節以及降水、蒸發、地表徑流、管網滲透等過程；食品部門主要包括食物和飼料的輸入輸出、當地糧食生產、耕地及林地的肥料使用情況；林業部門主要包括紙制品和木材的生產消費環節；能源部門主要包括燃料輸入、發電環節及各種類型的能源消費（如住宅、商業、工業和交通用能）；廢物管理部門主要包括上述4個部門產生的各種廢物（污泥、糞便、廚余垃圾等）的處置及回收利用環節.本文以水部門為例進一步細化了跨部門間的氮元素代謝框架（圖2）.

圖2 水部門氮元素物質代謝框架Fig.2 Nitrogen metabolism framework of water sector

水是營養元素運輸的重要載體.分析水的代謝流動為追蹤氮磷元素的代謝奠定了基礎.在水部門中，降水是整個水部門的驅動力.雨水落到地面后共有滲透、形成地表經流和蒸發3種去向.不同的地形以及土地滲透能力決定了滲透強度的大小.水供應量的改變，不透水地面的改變等均會影響區域的水文行為.模型對于水代謝流動框架涵蓋了多種因素，水流動的平衡方程［10］可如下所示：

式中：Wprecip表示降水量；Wi表示地表和地下水源取水量；Iw，Iww指經過凈化處理的水量及已處理廢水量；Et表示水蒸發量；D表示流入地表河流湖泊中的水量；Ro表示地表徑流；Si表示通過地表的滲透水量；ⅠSw表示規定的系統邊界內的存水量.

對于Wi，其通常去向為住宅用水、商業用水、公共用水、工業、農業以及發電用水.其中，住宅、商業、公共、工業、發電用水均可通過統計年鑒獲取，而畜牧業用水是基于蘇州家禽、牲畜的庫存量來計算的.農業及休閑娛樂區的灌溉用水是通過灌溉區域的面積以及灌溉系數計算而來，農業地區灌溉系數由蘇州統計年鑒獲得，為0.6.

對于Et的計算，模型主要將其分為不透水區域和透水區域進行計算.不透水地區的比例通過公路、房屋等建設用地來估算，模型假設每次降水之后滯留在不透水區域的水量完全蒸發.可滲透區域可以劃分為開放水域、草原、農田以及森林.對于開放水域及較為潮濕的可滲透區域，根據土壤潮濕程度和修正因子計算水蒸發量［11］.D指返回地表河流湖泊中的水量，是已處理過的工業廢水、發電用水以及污水處理廠廢水的總和.

土壤滲透Si和地表徑流Ro均與氮的運輸息息相關，而污水處理廠是城市氮元素集中處理，轉化的重要環節.研究表明：通過生物除氮釋放到大氣中的含量與流入污水處理廠中的總氮量成比例［12］.通過實地調研，設定污水處理廠的氮去除率為85%～90%，根據氮去除率可計算殘留在污水處理廠污泥中的氮流量.處理的污泥直接流入廢物管理部門中的下一個環節進行處置.

在多部門氮代謝核算過程中，全市總用水量、農業灌溉系數等數據主要通過市統計年鑒或參照全國統計年鑒；對于某些無法通過統計年鑒獲取的數據（如，水蒸發量），主要參照已有研究［13-23］獲取或根據間接數據估算；污水處理廠含氮污染物去除率等運行數據主要通過實地調研測試.其他四個部門核算數據的獲取渠道類似.

1.2 多部門氮代謝的計算方法

多部門物質代謝框架可實現氮元素代謝路徑的追蹤計算.假定物質代謝框架中某一條流動中氮流量以MN表示，包含F（1），F（2），……F（i）共i種物質的流動，則MN按照下式計算：

式中：FN（i）為第i種物質流動中氮元素的含量；m表示這一物質的流通量，通常由直接調研獲取或根據物料守恒計算；CN表示物質流中氮元素的含量，通常是濃度，質量分數.

為解決數據來源不確定性的問題，本研究參照2001年Danius等［24］提出的不確定級別判定和不確定采樣空間的計算方法，對間接獲取的數據設置了不確定采樣空間，在此空間內進行拉丁超立方采樣，模型運行1000次，采用輸出結果的中位數進行氮元素代謝分析研究.

1.3 代謝性能指標的構建及算法

為了把握城市氮元素代謝的總體結構和代謝性能，本研究將系統邊界上的氮元素流動分為5類：外界輸入流（R）、輸出流（P）、大氣排放流（E）、水體排放流（A）及固廢流（W），分別核算了多部門流動的各類物質，分布及所占比例，識別氮元素代謝的總體特征.設置PRⅠ指標（氮元素的輸出與輸入比例——資源產出比）表征城市氮元素的代謝性能.其中，RN是氮元素從外界輸入到城市生態系統的流量，PN是輸出系統的氮元素流量總和.

另外，設置EEⅠ指標（排放到大氣和水體中的氮元素流量相對于輸出系統的氮元素流量總和的比例），反映代謝過程對不同自然圈層（水圈、大氣圈等）帶來的環境負荷.設置PWⅠ指標（排放到土壤中的氮元素流量相對于輸出系統的氮元素流量總和的比例），反映系統的物質代謝效率.其中，EN，AN，WN分別是排放到大氣、水體、土壤中的氮元素流量，PN是輸出系統的氮元素流量總和.代謝性能指標被用于定量評價回收技術及組合對城市氮元素代謝的影響.

2 結果分析

2.1 氮元素代謝特征分析

以城市多部門物質代謝框架和系統分析模型為基礎，本研究計算了氮元素在蘇州水部門、能源部門、食品部門、林業部門和廢物管理部門的代謝流動通量，識別出了流通量最大的10個流動途徑（表1）.其中，燃料使用、食品消耗和污水處理環節是蘇州氮元素代謝調控的關鍵環節.

表1 蘇州市氮元素代謝的關鍵流動環節Table 1 Crucial flows of nitrogen metabolism in Suzhou

燃料使用對蘇州市氮代謝流動影響巨大.煤炭的外界輸入為127.1萬t/a，在所有流動中的氮流通量最大.經過發電和燃料燃燒環節后，氮流動主要有兩大去向：75%以NOx廢氣流的形式釋放于大氣圈，僅有33%實現了回收利用.發電產生的廢氣流中，煤炭發電的貢獻率為90%，在燃料消耗（不包括發電）產生的廢氣流中，工業生產的貢獻率為80%.

食品部門是與氮代謝調控較為緊密的另一個部門.全市食物消費排泄物中的氮流為6.8萬t/a，主要有3大去向：產生尿液中氮流量4萬t/a，產生糞便中氮流量1.1萬t/a，產生食物殘渣中氮流量1.4萬t/a.食品部門產生的氮流最終進入污水處理廠或廢物管理部門，發生了氮元素的跨部門流動.

畜牧業也包含巨大的氮流量.但是，飼料中的氮流在經過牲畜養殖，糞便堆積及處理后，高達52%的氮流以氣態形式損失，僅剩余48%被土地利用.

廢水流也具有較高的氮流量.每年流入污水處理廠的氮流量高達10.6萬t/a，其中42%源于工業廢水，55%源于當地住宅，商業以及公共用水部門.經過污水處理脫氮作用后，60%的氮以氣體形式損失，30%依舊殘留于地表水體，僅有10%存在于污泥中被回收利用.

從蘇州市氮代謝的總體結構分析看，氮的外界流入為162萬t/a，90%來自煤炭和天然氣，7%來自食品和飼料.氮流輸入系統后，76%通過燃料燃燒和污水處理廠脫氮環節后以NOX或N2的形態釋放到大氣圈，20%以煤渣的形式輸出系統，約1.34萬t/a進入填埋場，約1.45萬t/a以滲濾液形式排入水體.生活廢水，污水處理廠出水的氮流量分別為氮流外界輸入的37.4%和20%.

綜上，蘇州市氮元素代謝特征主要包括：能源、食品部門是氮流外界輸入的兩大主要部門，食品、水部門的代謝產物是氮回收的關鍵環節.燃料需求、居民消費和畜牧業發展是城市氮代謝的主要驅動因素.這些部門氮流通量大，是氮的污染控制和高效利用的關鍵.蘇州市氮的代謝流動也體現了典型的跨介質污染轉移.例如，以NOX等大氣污染物排入大氣圈，以滲濾液形式排入水體，以煤渣等固體形式進入填埋場或廢物管理部門.因此，當前采取單介質、單部門的氮元素污染控制和回收利用模式是低效率的，迫切需要綜合考慮能源、食品、水部門等多個氮流動的關鍵環節，實現向大氣、水體、土壤等多環境介質協同的氮元素污染控制與回收利用，才能保證城市生態系統的健康安全.

2.2 氮元素回收利用技術應用的調控分析

2.2.1 氮回收技術情景設置 氮元素的代謝優化與控制需要同時考慮能源、食品、水等多個部門，選擇合適的回收技術實現大氣、水體、土壤等多環境介質的氮元素協同控制.其中，氮元素在能源部門燃料中的流通量最大，遠超過其他部門，但短時期內以煤炭為主的能源結構不會改變，且燃料燃燒產物95%已被回收用于建材和水泥制造，故本研究暫不考慮氮元素在能源部門的回收.

前文分析表明，食品、水部門的代謝產物是氮回收的關鍵，而生活廢水、污水處理廠出水氮流量分別占據氮總輸入流的37.4%和20%，回收潛力巨大，可在這些關鍵流動環節應用氮回收技術.

生活廢水中的氮處理主要選擇尿源分離技術（UST）.UST能從源頭上將糞尿分離，從尿液中回收氮，從而將部分廢物流轉化為產品流［25］.已有研究表明，尿源分離技術將尿液完全分離，可使污水處理廠出水氮濃度降低80%～85%，與末端處理技術相比，UST具有明顯的優越性，可以改善污水處理廠的營養物去除性能并降低能耗，有助于緩解水體富營養化現象，實現水、營養物和能量原位閉合循環［26］.

針對污水處理廠污泥，可選擇污泥熱解技術（PSS）.PSS可以在高溫和厭氧環境下將有機物分解成固、液、氣三相產物，氣態和液態中的熱解產物可作為燃料使用，氮則留在生物炭中用于生產肥料［27］，從而減少了進入填埋場的氮量，也間接減少了氮的滲濾.PSS的優勢在于其不產生二?等污染物和較高的能源利用率.與此類似，牲畜糞便也可用作高溫熱解處理（LMP），將氮回收用于生產肥料.

對于污水處理廠殘留的氮回收，可選擇藻類凈水技術（AWP）.AWP的優勢在于，在凈化污水的同時能夠實現對殘留營養物質的能源回收.藻類生長需要氮元素［28-29］，藻類去油后可經熱解生產燃料和肥料，可視作氮元素的回收技術.

可見，這些技術在物質循環利用，節能環保等方面均具有明顯優勢，應用于城市氮代謝的關鍵環節，將改變氮元素在水部門和廢物管理部門的代謝流動結構，實現氮元素更大比例的回收利用，減少向其他部門和環境介質的排放量.基于這4類回收處理技術的推廣潛力，本研究選擇這4類技術進行情景分析，設置了單一推廣、兩兩組合、三項組合、四項組合及基準情景等16種技術應用情景（表2），以分析不同技術措施對城市氮元素代謝的影響.

表2 氮元素回收技術應用情景設置Table 2 Scenarios of different nitrogen recycle technologies

2.2.2 氮元素代謝關鍵技術影響分析 16種技術及組合的不同情景下，城市氮元素代謝指標計算結果如圖3所示.基準情景下，氮元素的代謝效率PRⅠ為24%，外界環境負荷指標PWⅠ為62，EEⅠ為0.29，分析表明：

（1）單一技術情景下，尿源分離技術（U）對于城市氮元素的代謝效率提升最大，從24%提高至32%，對水體和大氣造成的環境負荷最?。晃勰酂峤鈫我患夹g（P）可將含氮固體的資源利用效率提升近50%，優于尿源分離與藻類凈水技術組合推廣情景（UA），畜糞熱解與藻類凈水技術組合推廣情景（LA）.

（2）2項技術組合對城市氮元素代謝效率的提升均大于單一技術，表明不同技術作用于氮代謝的多部門、多環節，在共同控制多種環境介質的氮污染，在氮元素代謝效率提高上具有協同效應.不同組合情景可將氮元素的代謝效率提高37%～41%.其中，尿源分離與畜糞熱解技術組合推廣情景（UL）最優.

（3）3項技術組合情景下，尿源分離，畜糞與污泥熱解三項技術組合（ULP）對氮元素代謝效率提升最大，不同組合情景可將氮元素的代謝效率提高43%～47%.

（4）在所有技術及組合應用情景中，4項技術組合（ALL）對城市氮元素代謝效率的提升最大，可達到52%.

總體來看，技術組合情景相對于單一技術情景具有更優的調控效果，整體呈現出技術組合數量越多，氮代謝性能越優的趨勢；4項技術組合推廣可使城市氮元素的代謝效率提高至基準情景的2倍以上.主要原因：一是不同技術的氮控制重點不同，若多項技術組合作用于氮代謝的多部門、多環節，所選技術之間會產生協同效應，可共同控制多環境介質的氮污染；二是4項技術均采用回收利用方式，提高了氮資源利用率和不同環節的污染控制水平.

參考上述計算結果的啟示，我國現有氮元素污染控制技術或政策主要有兩方面的不足：一是多數污染物防治技術只關注于某種形態的含氮污染物，在治理氮污染的過程中缺少整體性和協同性，污染物容易發生轉移（從某種環境介質轉移到另一種環境介質；從某部門轉移到另一部門；從氮元素代謝的某環節轉移到其他環節）；二是仍以污染物防治為主，例如煙氣脫硝、活性污泥法處理污水中的氨氮等，并未實現氮元素的回收.煙氣脫硝技術雖然實現了含氮污染物向大氣圈的達標排放，但大量氮元素通過廢煙氣脫硝催化劑轉移，再生和利用過程，以液態和固態形式轉移到廢酸、廢水、污泥和廢渣中，若不經處理直接排入水體和土壤，將會造成嚴重的二次污染.目前，很多污水處理廠實現了含氮污染物向水體的達標排放，但大量氮元素以固體形態轉移到污泥中，如果忽視了這部分污泥處理，將會對土壤造成污染.研究表明，污水處理過程中去除的污染物，有50%會隨著未經處理的污泥再次進入環境中.氮元素污染防治技術應轉向以提高其整體代謝效率為目標，避免跨部門，跨介質轉移的現象.因此，加強上述4項技術及組合的推廣應用，可以從根本上提高氮元素的代謝效率，提高氮元素污染控制和回收利用水平.

圖3 技術及組合情景下城市氮代謝性能比較Fig.3 Comparison of nitrogen metabolism efficiencies in different scenarios of recycle technologies

3 結論

區域氮元素代謝主要涉及能源、食品、水部門和廢物管理等多個部門和環節，城市氮元素污染具有跨環境介質的代謝特征：

3.1 能源和食品部門是蘇州氮元素輸入的主要部門；畜牧業發展、居民消費和燃料需求是蘇州氮元素代謝的主要驅動因素；食品部門，水部門的代謝產物是氮回收的關鍵環節.

3.2 蘇州市氮的外界流入量160萬t/a，90%來自煤炭和天然氣的輸入，7%來自食品和飼料輸入；76%的外氮輸入以NOX或N2釋放到大氣圈，主要是燃料燃燒環節和污水處理廠脫氮環節；20%以煤渣形式輸出；約1.34萬t/a以固廢形式被填埋；約1.45萬t/a排入水體.氮元素凈累積量1.66萬t/a，占據氮流輸入的1%，集中在食品部門.生活廢水、污水處理廠出水氮流量分別占據氮元素輸入的37.4%和20%，回收潛力巨大.

3.3 尿源分離、畜糞熱解、污泥熱解、藻類凈水等4項關鍵技術，在關鍵流動部門中的應用會產生協同效應，有效提升氮元素的資源回收利用效率.其中，4項技術組合對城市氮代謝的優化效果最好，可將代謝效率提至52%.

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Multi-sectoral analysis of urban nitrogen metabolism and study on impacts of recycling technologies.

WEN Zong-guo*， ZHANG Wen-ting， HAN Jiang-xue， CHEN Chen （State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control， School of Environment， Tsinghua University， Beijing 100084， China）. China Environmental Science，2016，36（10）：3175～3182

Based on the multi-sectoral system analysis （MSA） model， the present study firstly simulated the nitrogen metabolism flows involving the water sector， the food sector， the forestry department， the energy sector and the waste management department in Suzhou. Secondly， the key sectors and steps of urban nitrogen metabolism were recognized. Thirdly， four targeted recycle technologies of nitrogen were selected: Urine Source Separation Technology， Pyrolysis of Separated Sludge Technology， Livestock Manure Pyrolysis Technology and Algal Water Purification. The impacts of these technologies together with their combined scenarios on the urban nitrogen metabolism were discussed. The intention of this analysis is to provide decision support for the optimization control of urban nitrogen. The main conclusions are as follows: The nitrogen input of Suzhou was 1.6×106t/y， 90% of which was from coal and natural gas. The energy sector，food sector and water sector contained steps which were crucial to the recycling of nitrogen. Better effects for the optimization of nitrogen metabolism can be produced by increasing the number of combination circumstance. This could potentially lead to a 52% increase of nitrogen metabolic efficiency at most. Such an increase would be a great contribution to the construction of a low nitrogen society.

nitrogen；multi-sectoral system analysis；recycle technologies of nitrogen；cross-media pollution control；Suzhou

X321

A

1000-6923（2016）10-3175-08

溫宗國（1978-），男，福建安溪人，研究員，博士，主要從事行業節能減排系統分析研究.

2016-02-20

環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室專項（15L02ESPC）；國家自然科學基金優秀青年科學基金（71522011）

* 責任作者， 研究員， wenzg@mail.tsinghua.edu.cn