破解污水脫氮難題 守護(hù)碧水清流

◎?qū)嵙?xí)生 劉暢

11月28日，由中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)組織的“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)及應(yīng)用”成果鑒定會(huì)在清華大學(xué)舉行。

水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)含量過(guò)多所造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化，會(huì)對(duì)河湖生態(tài)帶來(lái)嚴(yán)重影響。目前，國(guó)內(nèi)多家污水處理廠排放的尾水中還是富含硝酸鹽氮（含氮有機(jī)物經(jīng)過(guò)分解的最終產(chǎn)物），直接排入湖泊、河流中，會(huì)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。研發(fā)脫除水中硝酸鹽氮的技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)和水資源利用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)主辦的“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)及應(yīng)用”成果鑒定會(huì)近日在北京舉行，來(lái)自多家科研機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家一致認(rèn)為該技術(shù)能有效去除水體中的硝酸鹽氮，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2019年11月28日，由中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)組織召開(kāi)的“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)及應(yīng)用”成果鑒定會(huì)在北京舉行。該鑒定會(huì)主要對(duì)清華大學(xué)、北京大學(xué)和寧波水思清環(huán)境科技有限公司等單位共同完成的一種固相脫氮技術(shù)做鑒定。由中國(guó)工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師張杰；中國(guó)工程院院士、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院副總工程師吳豐昌、北京科技大學(xué)教授汪群慧；中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員王愛(ài)杰等多位業(yè)內(nèi)知名專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì)，聽(tīng)取了項(xiàng)目組的情況匯報(bào)，審閱了相關(guān)資料，并經(jīng)過(guò)質(zhì)詢(xún)、討論，最后一致通過(guò)了項(xiàng)目完成單位的研究成果鑒定。

把污水中的氮元素轉(zhuǎn)化為氮?dú)?/h2>

鑒定會(huì)由中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)助理姜艷萍主持。項(xiàng)目單位代表、清華大學(xué)核能與能源技術(shù)研究院王建龍教授介紹了“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)”的研究成果。

王建龍教授介紹，“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)”是利用生物降解材料脫氮凈水原理，讓生物降解材料與專(zhuān)用高效微生物有效匹配，通過(guò)生物降解材料的組分優(yōu)化、表面改性，開(kāi)發(fā)低成本、環(huán)境友好、高效率、高選擇性的系列固體碳源凈水產(chǎn)品；研發(fā)專(zhuān)用高效的脫氮微生物菌劑，有效調(diào)控微生物優(yōu)勢(shì)菌的群落結(jié)構(gòu)，發(fā)揮水處理單元的高效脫氮效率。項(xiàng)目組研發(fā)了3種固體碳源材料，選育不同反硝化微生物并對(duì)其脫氮性能進(jìn)行了測(cè)試，最終在對(duì)固體碳源深度脫氮機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型固相反硝化碳源與配套工藝及裝置，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

項(xiàng)目單位代表、清華大學(xué)核能與能源技術(shù)研究院王建龍教授匯報(bào)了“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)”的研究成果

這些固相反硝化水體脫氮產(chǎn)品是如何實(shí)現(xiàn)高效脫氮的呢？據(jù)項(xiàng)目組成員北京大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室博士生導(dǎo)師吳為中副教授解釋?zhuān)@些產(chǎn)品是利用不溶于水的固相碳源，作為反硝化微生物的碳源及生物膜的載體，通過(guò)微生物自身釋放的胞外酶將固體碳源按需水解為溶解性的小分子有機(jī)物，反硝化微生物利用這部分有機(jī)物進(jìn)行生物反硝化過(guò)程。簡(jiǎn)言之，就是利用產(chǎn)品的電子將污水中的氮元素轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，?shí)現(xiàn)無(wú)污染脫氮。

固體碳源脫氮有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在本次鑒定會(huì)上，王建龍教授展示了固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)和常規(guī)異養(yǎng)反硝化技術(shù)，在凈水過(guò)程中的碳源、載體、進(jìn)水要求和出水總有機(jī)碳（TOC）、亞硝酸鹽氮等的差別。在對(duì)比中，固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)展示了卓越的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）固體碳源只能在微生物酶的作用下分解，避免了傳統(tǒng)碳源投加量不容易調(diào)控的弊端，比如液體碳源的投加量就很難精確把控。

（2）針對(duì)特種固體碳源，選育了高效脫氮微生物，附著在固體碳源表面生長(zhǎng)，形成致密的生物膜，可以顯著降低溶解性化學(xué)需氧量（COD），該技術(shù)能大幅提高碳源利用率和反硝化速度。

（3）脫氮過(guò)程在生物膜與固體碳源界面進(jìn)行，因此對(duì)溶氧量、溫度、酸堿度等環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力大大增強(qiáng)，特別適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水體脫氮。

（4）能同時(shí)去除水體中的硝酸鹽及其他有機(jī)污染物（如農(nóng)藥）。

處理污水成本減少約30%

中國(guó)工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師張杰

中國(guó)工程院院士、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院副總工程師吳豐昌

這是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的元兇——大量的藍(lán)藻看起來(lái)像綠色的淤泥。

項(xiàng)目方代表介紹，根據(jù)該項(xiàng)技術(shù)研制出的固相反硝化碳源與配套工藝及裝置，已經(jīng)在云南省昆明市新寶象河面源污染治理工程、浙江省寧波市首創(chuàng)餐廚垃圾廢水處理示范工程等多個(gè)項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

在此次鑒定會(huì)上，王建龍教授展示了該產(chǎn)品在上述工程中的應(yīng)用情況。在新寶象河面源污染治理工程現(xiàn)場(chǎng)，由第三方專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)經(jīng)過(guò)相關(guān)產(chǎn)品處理后的水體進(jìn)行了采樣，對(duì)產(chǎn)品的脫氮效能進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果均優(yōu)于預(yù)期。

該產(chǎn)品還在寧波市南區(qū)污水處理廠的尾水處理中得到了示范性應(yīng)用。在尾水處理過(guò)程中，該項(xiàng)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)水體中的硝酸鹽濃度從300毫克/升降低到40毫克/升至50毫克/升，使用醋酸鈉和葡萄糖的成本約為每立方米15至18元，而使用固相碳源的成本僅約為每立方米9至11元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

能有效解決農(nóng)村飲用水污染問(wèn)題

固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)讓生物降解材料與高效反硝化微生物有機(jī)結(jié)合，對(duì)廢水進(jìn)行深度脫氮，有效去除水體中氮元素及其他微量污染物，是水處理技術(shù)的一次重大突破。這項(xiàng)技術(shù)解決了廢水深度脫氮、防治水體富營(yíng)養(yǎng)化的難題，推動(dòng)我國(guó)水處理技術(shù)的升級(jí)進(jìn)步，促進(jìn)我國(guó)可生物降解材料向環(huán)保產(chǎn)業(yè)拓展，開(kāi)辟了我國(guó)生物降解材料凈水技術(shù)的新途徑，對(duì)整個(gè)水處理行業(yè)具有顯著的帶動(dòng)作用。與此同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)還具有廣闊的社會(huì)效益和應(yīng)用前景，項(xiàng)目的實(shí)施還能促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，解決農(nóng)藥過(guò)量使用引起的農(nóng)村飲用水污染問(wèn)題。

鑒定委員會(huì)就項(xiàng)目組的關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用效益等問(wèn)題向項(xiàng)目組詢(xún)問(wèn)了詳細(xì)情況，最終認(rèn)定項(xiàng)目組在固相碳源深度脫氮機(jī)理研究基礎(chǔ)上，通過(guò)研發(fā)新型固相反硝化碳源與配套工藝及裝置，實(shí)現(xiàn)了固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)的自主創(chuàng)新，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。由清華大學(xué)、北京大學(xué)和寧波水思清環(huán)境科技有限公司等單位共同完成的“固體碳源深度脫氮凈水技術(shù)”，讓固相反硝化碳源與高效脫氮微生物精確匹配，顯著提高了碳源的利用效率及反硝化速率。

鑒定委員會(huì)認(rèn)為，項(xiàng)目組的研究揭示了固體碳源表面反硝化生物膜的形成特性及規(guī)律，確定了溶解氧、溫度、酸堿度等環(huán)境條件變化對(duì)反硝化速度的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中硝酸鹽和微量污染物的去除，拓寬了生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用范圍。在該項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)的、適用于不同水體的固體碳源深度脫氮的工藝及裝置已在寧波市首創(chuàng)餐廚垃圾廢水處理示范工程、昆明市新寶象河面源污染治理工程、寧波市南區(qū)污水處理廠、寧波海綿城市建設(shè)江北區(qū)河道治理等工程應(yīng)用。結(jié)果表明，處理后的水質(zhì)均滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，將有廣闊的推廣前景，并可帶來(lái)顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【環(huán)境百科】

反硝化作用

反硝化作用也稱(chēng)脫氮作用，是細(xì)菌將硝酸鹽中的氮通過(guò)一系列中間產(chǎn)物（如二氧化氮、一氧化氮等）還原為氮?dú)獾纳锘瘜W(xué)過(guò)程，參與這一過(guò)程的細(xì)菌統(tǒng)稱(chēng)為反硝化菌。反硝化菌在無(wú)氧條件下，通過(guò)將硝酸鹽作為電子受體完成呼吸作用來(lái)獲得能量。這一過(guò)程是硝酸鹽呼吸（nitrate respiration）的兩種途徑之一，另一種途徑是是硝酸異化還原成銨鹽（DNRA）。

許多污水處理廠排出的尾水仍含有大量氮元素，匯入江河湖泊后會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。