美國水環境治理現狀及對中國脫氮事業的啟示

2019-09-25 10:48:16     來源:JIEI創新實驗室

當下,中美關系與中美發展對比似乎已成為較為敏感的議題。但在政治的紛擾之外,兩個大國之間的互相注視、互相影響與互相交流從未停止。在全球結成命運共同體的環境領域,這種在經驗和方法層面的學習借鑒更是必行之事。在中國水污染治理已進入“深水區”的當下,重新審視和觀察發達國家治水、治污、改善和管理水環境的歷程,或許能為下一個五年,下一個“十條”提供一些參考。


從污染防治到“可游泳、可垂釣”水環境治理政策的轉變對污水廠的影響


美國的水污染治理需求肇始于經濟蓬勃發展帶來的水體污染問題和環境事件。20世紀50年代前后,美國開始嘗試系統性的管理并打下政策基礎(發布聯邦級的綜合性水污染控制法、水質法案),70年代確立以水環境管理的職能主體(EPA)為代表的全國性的環境管理,同時確立了適用于全國范圍的基礎性廢水排放限值以及針對排污主體的排污管理制度(排污許可制度)。20世紀70年代末,清潔水法案出臺,排污許可制度優化為基于國家污染物排放削減制度(NPDES)的排污許可,水污染治理思路也從對常規污染物的控制轉為對“可游泳,可垂釣(waters are safe for fishing and swimming)”水環境的改善與追求。


承接前幾十年確立的大框架,進入2000年以后,美國的水污染防治政策和思路又有所補充和延伸。近年來美國水環境管理的重心主要是城市及鄉村雨水徑流管理、近岸海域海水監測體系建設、特殊污染物的控制、以及脫氮除磷等,后者即本文的論述主題。


2000年以來,EPA發布了一系列與脫氮除磷相關的技術文件(表1),其核心在于進一步推動有水環境質量提升需求區域的污水處理廠在營養物去除方面的低費用升級改造。

美國水環境治理現狀及對中國脫氮事業的啟示

一州之視角看美國脫氮思路


在州一級的視角,美國的水環境營養物控制思路值得一談。


一方面,作為典型的小政府國家,美國各州政府地方自治程度較高。這自然也體現在環境管理方面,如在聯邦層級污水廠污染物排放標準非常粗線條,具體到微觀層面,NPDES體系管理下的排放標準能細化到各個污水處理廠。因此不同地區污水廠氮磷污染物的排放限值也差別極大。


但另一方面,美國同時又是非常強調流域整體化治理的國家。20世紀30年代,羅斯福政府就專門成立了流域委員會對田納西河進行治理,并取得了較大的成功。流域整體化治理的基因也自此開始在美國環境管理體系中傳遞。


以最具代表性的佛羅里達州為例。該州污水廠TN、TP排放標準總體而言在美國各州之中最為嚴格。佛羅里達州是一個水質較為敏感的地區,主要體現在:海岸線長(全美第二、農業發達——美國最主要柑橘類作物產區)、河湖繁密(境內有河流17116條,湖泊3萬多個)、有重要湖泊和生態保護區(美國第二大淡水湖、美國知名的生態濕地大沼澤地‘everglades’)。而該州的水污染控制一直面臨著比較嚴峻的挑戰。早在20世紀60、70年代,就有Jacksonville市因污水處理設施缺乏建設資金而向河流直排5.6萬m3/d市政污水,導致佛羅里達州中西部沿海水域發生短裸甲藻赤潮,致使近1500km2海域生物幾乎全部滅絕的污染事件。根據當時環境管理部門的一份報告,市政污水、工業源(以磷肥工業為典型)、農業源(畜牧業糞便、種植業的化肥使用)等是境內主要河流、湖泊的水生生物數量和種類出現明顯下降的主要原因,居民的飲水安全受到嚴重威脅。


隨后佛羅里達州開始逐漸重視水污染問題,其在前期的摸索和準備期中逐漸形成了兩條治污主線:一條是州政府一級的整體規劃統籌,包括發布治理計劃(州級的水污染防治行動計劃、河流和海港污染防治計劃)、募集資金投入治污(每年花費數億美元主要用于支持建設污水處理設施)、嘗試和創新管理手段和制度(分級管理污水廠)等宏觀舉措;另一條是重點流域開始構建形成專門的治污和水環境保護組織,推動特定水域的污染治理,如持續至今的大沼澤地‘everglades’富營養物去除項目、印第安河潟湖 (Indian River Lagoon)流域富營養化調查和治理項目等。


這些水污染防治的基礎打牢、并且各類舉措收到一定成效后,佛羅里達州于1996年發布了較為重要的提標政策 ——“市政污水處理設施Chapter 62-600–Domestic Wastewater Facilities)”。該政策將州內部分重點流域的總氮排放標準規定為I、II類污水處理設施年平均TN濃度≤3mg/L,III類污水處理設施年平均TN濃度≤10mg/L。這一“嚴約束總量、對日常波動寬容”精神的提標政策開始推動州內污水廠的升級,并逐步向極限脫氮邁進。


美國極限脫氮(LOT)發展及應用現狀


中文語境下的“極限脫氮”脫胎于英文術語‘the Limit of Technology (LOT)’。而這一概念則屬于美國環境學界較為公認的水體污染物去除之“三層級”:即較為傳統的生物去除(BNR)、加強型營養物去除(ENR)和極限營養物去除(LOT)。這三個層級更為細化的內涵如下:


BNR:傳統的厭氧-缺氧-好氧的順序排列組合,通常可實現TN≤10 mg/L,TP≤1 mg/L。


ENR:在應用BNR技術的工藝基礎上加入化學沉降及過濾以實現更優的氮磷去除效果,可以實現TN≤6 mg/L,TP≤0.2 mg/L。


LOT:代表“最先進技術”的內涵。這一類技術和工藝雖然非常先進,但在習慣于對公共支出精打細算、同時強調地區個性化的美國此類技術沒有過于普及。如果將學界和產業界較為公認的TN≤3 mg/L,TP≤0.1 mg/L作為對LOT類工藝的入門要求,根據EPA網站等官方來源的資料統計,美國全境約有十余座污水廠達到這一標準。在美國,實現極限脫氮的技術工藝主要為在二級處理后加上化學處理+過濾、膜過濾、離子交換/吸收等工藝。


應用極限脫氮技術的污水廠主要分布在美國東部,尤其是接近五大湖區的區域和前文已提到的佛羅里達州。

美國水環境治理現狀及對中國脫氮事業的啟示

污水廠脫氮除磷升級案例


近數十年,一些與佛羅里達州類似,有著更高污水/水環境營養物質控制需求的州在各種因素的推動下開始推行污水廠脫氮除磷的提標改造,由BNR提升為ENR甚至LOT。具有代表性的部分案例見表2及表3。


可以看出,綜合而言,美國各州污水廠在脫氮除磷升級方面較為精打細算——既不脫離自身實際需求定過高的目標,也不投入過多資金。同時,在美國污泥農用政策較為友好的框架下通過營養物質的產出和出售以及能量的節省等途徑追求脫氮處理環境效益之外的經濟利益產出。


此外,更讓人有些意外的是,美國部分污水廠脫氮除磷改造的個案經濟性數據顯示,極限脫氮和增強型脫氮實際的噸水花費不但不高于普通的生物脫氮,甚至會低于后者。當然,這樣的情況可能由于實施普通生物脫氮升級的污水廠通常較老舊,需要改造的設施較多。而實施更高兩個層級標準脫氮除磷升級的污水廠通常較新,需實施改造的設施和工藝較少等因素的影響。個案數據無法給出定性的結論,但也足以對“極限脫氮=高昂費用”的慣性思維等式給出一定的質疑。

美國水環境治理現狀及對中國脫氮事業的啟示

美國水環境治理現狀及對中國脫氮事業的啟示

對中國脫氮事業的啟示


回顧美國的水體富營養化治理路徑,不難發現一些值得參考且學習引入的點。比如地方政府統籌和跨區域流域治理的雙管齊下;比如對投入產出的精打細算;比如對區域特殊性的強調和從個體實際需求出發的務實……另一方面,從美國一些區域依然持續的治污舉措和依然偶有爆發的水污染事件中也可以看出,即使在環保已先行幾十年的發達國家,治水和防污依然是不輟的長期事業。

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