區(qū)域氮多部門代謝及回收技術(shù)應(yīng)用影響分析

溫宗國，張文婷，韓江雪，陳 晨 （清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

區(qū)域氮多部門代謝及回收技術(shù)應(yīng)用影響分析

溫宗國*，張文婷，韓江雪，陳 晨 （清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

模擬了氮元素在水、能源、食品、林業(yè)、廢物管理等多部門的代謝流動(dòng)，以蘇州為例構(gòu)建了元素代謝系統(tǒng)分析模型，識(shí)別了氮元素代謝的重要部門和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)性地提出尿源分離、污泥熱解、高溫?zé)峤狻⒃孱悆羲人姆N氮回收技術(shù)及組合，分析技術(shù)應(yīng)用對(duì)城市氮元素代謝性能的影響.結(jié)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(guān)鍵環(huán)節(jié)；四項(xiàng)氮回收技術(shù)組合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)氮元素整體代謝效率提至52%，優(yōu)化調(diào)控效果最好，可促進(jìn)低氮型社會(huì)的構(gòu)建.

氮元素；多部門系統(tǒng)分析；氮回收技術(shù)；跨介質(zhì)污染控制；蘇州

氮的過量排放可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，燃煤、汽車尾氣及工業(yè)生產(chǎn)排放的NOx是形成霧霾的重要前體物質(zhì)，也是酸雨的主要組成［1］，氮元素在土壤中的過量殘留，可導(dǎo)致土壤的酸化板結(jié).因此，氮元素代謝涉及水體、大氣和土壤等介質(zhì)，其跨介質(zhì)代謝優(yōu)化調(diào)控對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)健康安全具有重要意義.與此同時(shí)，氮元素的不合理代謝也造成了極大的資源浪費(fèi)［2］.氮元素廣泛運(yùn)用于肥料、飼料、添加劑及洗滌劑的生產(chǎn).2014年我國氮肥消耗4651.64萬t，氮肥實(shí)際利用率僅47.6%～57%［3］，預(yù)計(jì)2050年氮肥使用量將是現(xiàn)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(shí)別流動(dòng)特征，針對(duì)性地提出氮元素高效利用和污染控制的方案，對(duì)建設(shè)環(huán)境友好的低氮型城市具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.當(dāng)前，已有學(xué)者開展了區(qū)域?qū)用娴卮x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(qū)收支平衡［6］，城市區(qū)域與農(nóng)田之間氮元素循環(huán)［7］等，國內(nèi)學(xué)者也運(yùn)用物質(zhì)流分析方法開展了多項(xiàng)營養(yǎng)元素代謝分析研究［8-9］.但是，現(xiàn)有氮元素代謝分析多將該區(qū)域作為黑箱處理，對(duì)于含氮物質(zhì)在城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)轉(zhuǎn)化并無明確分析；多數(shù)是針對(duì)流域，城市等生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部某一具體過程或子系統(tǒng)，對(duì)跨部門氮元素代謝的研究較少；大多研究以評(píng)估氮元素代謝現(xiàn)狀為主，無法預(yù)計(jì)技術(shù)改造或措施對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)氮元素代謝的影響.

本研究開發(fā)的多部門系統(tǒng)分析模型（MSA）融合了物質(zhì)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(shí)現(xiàn)了城市氮元素多部門代謝流動(dòng)路徑的系統(tǒng)追蹤和模擬分析，避免將城市復(fù)合系統(tǒng)視作黑箱處理而帶來的誤差.以蘇州為例的計(jì)算結(jié)果識(shí)別了氮元素代謝的重要部門和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評(píng)估了4種關(guān)鍵回收技術(shù)對(duì)氮元素代謝性能的影響，回收潛力及代謝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，為城市氮元素代謝調(diào)控提供了理論支撐和系統(tǒng)分析方法.

1 區(qū)域氮元素代謝分析方法

1.1 多部門系統(tǒng)分析的代謝框架

MSA模型（圖1）根據(jù)代謝的物質(zhì)類型和經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)，將城市生態(tài)系統(tǒng)劃分為水部門、能源部門、食品部門、林業(yè)部門和廢物管理部門.各部門代謝框架涵蓋了物質(zhì)流動(dòng)及處理單元，每個(gè)處理單元包含著流動(dòng)的聚集、分離和轉(zhuǎn)化.各部門之間及部門與外界生態(tài)環(huán)境（水圈、巖石圈、大氣圈）之間存在物質(zhì)流動(dòng)交換.

圖1 多部門代謝系統(tǒng)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(huán)節(jié)以及降水、蒸發(fā)、地表徑流、管網(wǎng)滲透等過程；食品部門主要包括食物和飼料的輸入輸出、當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)、耕地及林地的肥料使用情況；林業(yè)部門主要包括紙制品和木材的生產(chǎn)消費(fèi)環(huán)節(jié)；能源部門主要包括燃料輸入、發(fā)電環(huán)節(jié)及各種類型的能源消費(fèi)（如住宅、商業(yè)、工業(yè)和交通用能）；廢物管理部門主要包括上述4個(gè)部門產(chǎn)生的各種廢物（污泥、糞便、廚余垃圾等）的處置及回收利用環(huán)節(jié).本文以水部門為例進(jìn)一步細(xì)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(zhì)代謝框架Fig.2 Nitrogen metabolism framework of water sector

水是營養(yǎng)元素運(yùn)輸?shù)闹匾d體.分析水的代謝流動(dòng)為追蹤氮磷元素的代謝奠定了基礎(chǔ).在水部門中，降水是整個(gè)水部門的驅(qū)動(dòng)力.雨水落到地面后共有滲透、形成地表經(jīng)流和蒸發(fā)3種去向.不同的地形以及土地滲透能力決定了滲透強(qiáng)度的大小.水供應(yīng)量的改變，不透水地面的改變等均會(huì)影響區(qū)域的水文行為.模型對(duì)于水代謝流動(dòng)框架涵蓋了多種因素，水流動(dòng)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(jīng)過凈化處理的水量及已處理廢水量；Et表示水蒸發(fā)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(guī)定的系統(tǒng)邊界內(nèi)的存水量.

對(duì)于Wi，其通常去向?yàn)樽≌盟?、商業(yè)用水、公共用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及發(fā)電用水.其中，住宅、商業(yè)、公共、工業(yè)、發(fā)電用水均可通過統(tǒng)計(jì)年鑒獲取，而畜牧業(yè)用水是基于蘇州家禽、牲畜的庫存量來計(jì)算的.農(nóng)業(yè)及休閑娛樂區(qū)的灌溉用水是通過灌溉區(qū)域的面積以及灌溉系數(shù)計(jì)算而來，農(nóng)業(yè)地區(qū)灌溉系數(shù)由蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒獲得，為0.6.

對(duì)于Et的計(jì)算，模型主要將其分為不透水區(qū)域和透水區(qū)域進(jìn)行計(jì)算.不透水地區(qū)的比例通過公路、房屋等建設(shè)用地來估算，模型假設(shè)每次降水之后滯留在不透水區(qū)域的水量完全蒸發(fā).可滲透區(qū)域可以劃分為開放水域、草原、農(nóng)田以及森林.對(duì)于開放水域及較為潮濕的可滲透區(qū)域，根據(jù)土壤潮濕程度和修正因子計(jì)算水蒸發(fā)量［11］.D指返回地表河流湖泊中的水量，是已處理過的工業(yè)廢水、發(fā)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(yùn)輸息息相關(guān)，而污水處理廠是城市氮元素集中處理，轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié).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(shí)地調(diào)研，設(shè)定污水處理廠的氮去除率為85%～90%，根據(jù)氮去除率可計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處置.

在多部門氮代謝核算過程中，全市總用水量、農(nóng)業(yè)灌溉系數(shù)等數(shù)據(jù)主要通過市統(tǒng)計(jì)年鑒或參照全國統(tǒng)計(jì)年鑒；對(duì)于某些無法通過統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的數(shù)據(jù)（如，水蒸發(fā)量），主要參照已有研究［13-23］獲取或根據(jù)間接數(shù)據(jù)估算；污水處理廠含氮污染物去除率等運(yùn)行數(shù)據(jù)主要通過實(shí)地調(diào)研測試.其他四個(gè)部門核算數(shù)據(jù)的獲取渠道類似.

1.2 多部門氮代謝的計(jì)算方法

多部門物質(zhì)代謝框架可實(shí)現(xiàn)氮元素代謝路徑的追蹤計(jì)算.假定物質(zhì)代謝框架中某一條流動(dòng)中氮流量以MN表示，包含F(xiàn)（1），F(xiàn)（2），……F（i）共i種物質(zhì)的流動(dòng)，則MN按照下式計(jì)算：

式中：FN（i）為第i種物質(zhì)流動(dòng)中氮元素的含量；m表示這一物質(zhì)的流通量，通常由直接調(diào)研獲取或根據(jù)物料守恒計(jì)算；CN表示物質(zhì)流中氮元素的含量，通常是濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù).

為解決數(shù)據(jù)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(jí)別判定和不確定采樣空間的計(jì)算方法，對(duì)間接獲取的數(shù)據(jù)設(shè)置了不確定采樣空間，在此空間內(nèi)進(jìn)行拉丁超立方采樣，模型運(yùn)行1000次，采用輸出結(jié)果的中位數(shù)進(jìn)行氮元素代謝分析研究.

1.3 代謝性能指標(biāo)的構(gòu)建及算法

為了把握城市氮元素代謝的總體結(jié)構(gòu)和代謝性能，本研究將系統(tǒng)邊界上的氮元素流動(dòng)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(dòng)的各類物質(zhì)，分布及所占比例，識(shí)別氮元素代謝的總體特征.設(shè)置PRⅠ指標(biāo)（氮元素的輸出與輸入比例——資源產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)的流量，PN是輸出系統(tǒng)的氮元素流量總和.

另外，設(shè)置EEⅠ指標(biāo)（排放到大氣和水體中的氮元素流量相對(duì)于輸出系統(tǒng)的氮元素流量總和的比例），反映代謝過程對(duì)不同自然圈層（水圈、大氣圈等）帶來的環(huán)境負(fù)荷.設(shè)置PWⅠ指標(biāo)（排放到土壤中的氮元素流量相對(duì)于輸出系統(tǒng)的氮元素流量總和的比例），反映系統(tǒng)的物質(zhì)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(tǒng)的氮元素流量總和.代謝性能指標(biāo)被用于定量評(píng)價(jià)回收技術(shù)及組合對(duì)城市氮元素代謝的影響.

2 結(jié)果分析

2.1 氮元素代謝特征分析

以城市多部門物質(zhì)代謝框架和系統(tǒng)分析模型為基礎(chǔ)，本研究計(jì)算了氮元素在蘇州水部門、能源部門、食品部門、林業(yè)部門和廢物管理部門的代謝流動(dòng)通量，識(shí)別出了流通量最大的10個(gè)流動(dòng)途徑（表1）.其中，燃料使用、食品消耗和污水處理環(huán)節(jié)是蘇州氮元素代謝調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

表1 蘇州市氮元素代謝的關(guān)鍵流動(dòng)環(huán)節(jié)Table 1 Crucial flows of nitrogen metabolism in Suzhou

燃料使用對(duì)蘇州市氮代謝流動(dòng)影響巨大.煤炭的外界輸入為127.1萬t/a，在所有流動(dòng)中的氮流通量最大.經(jīng)過發(fā)電和燃料燃燒環(huán)節(jié)后，氮流動(dòng)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(shí)現(xiàn)了回收利用.發(fā)電產(chǎn)生的廢氣流中，煤炭發(fā)電的貢獻(xiàn)率為90%，在燃料消耗（不包括發(fā)電）產(chǎn)生的廢氣流中，工業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為80%.

食品部門是與氮代謝調(diào)控較為緊密的另一個(gè)部門.全市食物消費(fèi)排泄物中的氮流為6.8萬t/a，主要有3大去向：產(chǎn)生尿液中氮流量4萬t/a，產(chǎn)生糞便中氮流量1.1萬t/a，產(chǎn)生食物殘?jiān)械髁?.4萬t/a.食品部門產(chǎn)生的氮流最終進(jìn)入污水處理廠或廢物管理部門，發(fā)生了氮元素的跨部門流動(dòng).

畜牧業(yè)也包含巨大的氮流量.但是，飼料中的氮流在經(jīng)過牲畜養(yǎng)殖，糞便堆積及處理后，高達(dá)52%的氮流以氣態(tài)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(dá)10.6萬t/a，其中42%源于工業(yè)廢水，55%源于當(dāng)?shù)刈≌?，商業(yè)以及公共用水部門.經(jīng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)后，76%通過燃料燃燒和污水處理廠脫氮環(huán)節(jié)后以NOX或N2的形態(tài)釋放到大氣圈，20%以煤渣的形式輸出系統(tǒng)，約1.34萬t/a進(jìn)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(chǎn)物是氮回收的關(guān)鍵環(huán)節(jié).燃料需求、居民消費(fèi)和畜牧業(yè)發(fā)展是城市氮代謝的主要驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵.蘇州市氮的代謝流動(dòng)也體現(xiàn)了典型的跨介質(zhì)污染轉(zhuǎn)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(jìn)入填埋場或廢物管理部門.因此，當(dāng)前采取單介質(zhì)、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(gè)氮流動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)向大氣、水體、土壤等多環(huán)境介質(zhì)協(xié)同的氮元素污染控制與回收利用，才能保證城市生態(tài)系統(tǒng)的健康安全.

2.2 氮元素回收利用技術(shù)應(yīng)用的調(diào)控分析

2.2.1 氮回收技術(shù)情景設(shè)置 氮元素的代謝優(yōu)化與控制需要同時(shí)考慮能源、食品、水等多個(gè)部門，選擇合適的回收技術(shù)實(shí)現(xiàn)大氣、水體、土壤等多環(huán)境介質(zhì)的氮元素協(xié)同控制.其中，氮元素在能源部門燃料中的流通量最大，遠(yuǎn)超過其他部門，但短時(shí)期內(nèi)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，且燃料燃燒產(chǎn)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(chǎn)物是氮回收的關(guān)鍵，而生活廢水、污水處理廠出水氮流量分別占據(jù)氮總輸入流的37.4%和20%，回收潛力巨大，可在這些關(guān)鍵流動(dòng)環(huán)節(jié)應(yīng)用氮回收技術(shù).

生活廢水中的氮處理主要選擇尿源分離技術(shù)（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(zhuǎn)化為產(chǎn)品流［25］.已有研究表明，尿源分離技術(shù)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(shù)相比，UST具有明顯的優(yōu)越性，可以改善污水處理廠的營養(yǎng)物去除性能并降低能耗，有助于緩解水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)水、營養(yǎng)物和能量原位閉合循環(huán)［26］.

針對(duì)污水處理廠污泥，可選擇污泥熱解技術(shù)（PSS）.PSS可以在高溫和厭氧環(huán)境下將有機(jī)物分解成固、液、氣三相產(chǎn)物，氣態(tài)和液態(tài)中的熱解產(chǎn)物可作為燃料使用，氮?jiǎng)t留在生物炭中用于生產(chǎn)肥料［27］，從而減少了進(jìn)入填埋場的氮量，也間接減少了氮的滲濾.PSS的優(yōu)勢(shì)在于其不產(chǎn)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?zé)峤馓幚恚↙MP），將氮回收用于生產(chǎn)肥料.

對(duì)于污水處理廠殘留的氮回收，可選擇藻類凈水技術(shù)（AWP）.AWP的優(yōu)勢(shì)在于，在凈化污水的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)殘留營養(yǎng)物質(zhì)的能源回收.藻類生長需要氮元素［28-29］，藻類去油后可經(jīng)熱解生產(chǎn)燃料和肥料，可視作氮元素的回收技術(shù).

可見，這些技術(shù)在物質(zhì)循環(huán)利用，節(jié)能環(huán)保等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于城市氮代謝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將改變氮元素在水部門和廢物管理部門的代謝流動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氮元素更大比例的回收利用，減少向其他部門和環(huán)境介質(zhì)的排放量.基于這4類回收處理技術(shù)的推廣潛力，本研究選擇這4類技術(shù)進(jìn)行情景分析，設(shè)置了單一推廣、兩兩組合、三項(xiàng)組合、四項(xiàng)組合及基準(zhǔn)情景等16種技術(shù)應(yīng)用情景（表2），以分析不同技術(shù)措施對(duì)城市氮元素代謝的影響.

表2 氮元素回收技術(shù)應(yīng)用情景設(shè)置Table 2 Scenarios of different nitrogen recycle technologies

2.2.2 氮元素代謝關(guān)鍵技術(shù)影響分析 16種技術(shù)及組合的不同情景下，城市氮元素代謝指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖3所示.基準(zhǔn)情景下，氮元素的代謝效率PRⅠ為24%，外界環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)PWⅠ為62，EEⅠ為0.29，分析表明：

（1）單一技術(shù)情景下，尿源分離技術(shù)（U）對(duì)于城市氮元素的代謝效率提升最大，從24%提高至32%，對(duì)水體和大氣造成的環(huán)境負(fù)荷最??；污泥熱解單一技術(shù)（P）可將含氮固體的資源利用效率提升近50%，優(yōu)于尿源分離與藻類凈水技術(shù)組合推廣情景（UA），畜糞熱解與藻類凈水技術(shù)組合推廣情景（LA）.

（2）2項(xiàng)技術(shù)組合對(duì)城市氮元素代謝效率的提升均大于單一技術(shù)，表明不同技術(shù)作用于氮代謝的多部門、多環(huán)節(jié)，在共同控制多種環(huán)境介質(zhì)的氮污染，在氮元素代謝效率提高上具有協(xié)同效應(yīng).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(shù)組合推廣情景（UL）最優(yōu).

（3）3項(xiàng)技術(shù)組合情景下，尿源分離，畜糞與污泥熱解三項(xiàng)技術(shù)組合（ULP）對(duì)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(shù)及組合應(yīng)用情景中，4項(xiàng)技術(shù)組合（ALL）對(duì)城市氮元素代謝效率的提升最大，可達(dá)到52%.

總體來看，技術(shù)組合情景相對(duì)于單一技術(shù)情景具有更優(yōu)的調(diào)控效果，整體呈現(xiàn)出技術(shù)組合數(shù)量越多，氮代謝性能越優(yōu)的趨勢(shì)；4項(xiàng)技術(shù)組合推廣可使城市氮元素的代謝效率提高至基準(zhǔn)情景的2倍以上.主要原因：一是不同技術(shù)的氮控制重點(diǎn)不同，若多項(xiàng)技術(shù)組合作用于氮代謝的多部門、多環(huán)節(jié)，所選技術(shù)之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，可共同控制多環(huán)境介質(zhì)的氮污染；二是4項(xiàng)技術(shù)均采用回收利用方式，提高了氮資源利用率和不同環(huán)節(jié)的污染控制水平.

參考上述計(jì)算結(jié)果的啟示，我國現(xiàn)有氮元素污染控制技術(shù)或政策主要有兩方面的不足：一是多數(shù)污染物防治技術(shù)只關(guān)注于某種形態(tài)的含氮污染物，在治理氮污染的過程中缺少整體性和協(xié)同性，污染物容易發(fā)生轉(zhuǎn)移（從某種環(huán)境介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種環(huán)境介質(zhì)；從某部門轉(zhuǎn)移到另一部門；從氮元素代謝的某環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到其他環(huán)節(jié)）；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(shí)現(xiàn)氮元素的回收.煙氣脫硝技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了含氮污染物向大氣圈的達(dá)標(biāo)排放，但大量氮元素通過廢煙氣脫硝催化劑轉(zhuǎn)移，再生和利用過程，以液態(tài)和固態(tài)形式轉(zhuǎn)移到廢酸、廢水、污泥和廢渣中，若不經(jīng)處理直接排入水體和土壤，將會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染.目前，很多污水處理廠實(shí)現(xiàn)了含氮污染物向水體的達(dá)標(biāo)排放，但大量氮元素以固體形態(tài)轉(zhuǎn)移到污泥中，如果忽視了這部分污泥處理，將會(huì)對(duì)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(huì)隨著未經(jīng)處理的污泥再次進(jìn)入環(huán)境中.氮元素污染防治技術(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)向以提高其整體代謝效率為目標(biāo)，避免跨部門，跨介質(zhì)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象.因此，加強(qiáng)上述4項(xiàng)技術(shù)及組合的推廣應(yīng)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(shù)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(jié)論

區(qū)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(gè)部門和環(huán)節(jié)，城市氮元素污染具有跨環(huán)境介質(zhì)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(yè)發(fā)展、居民消費(fèi)和燃料需求是蘇州氮元素代謝的主要驅(qū)動(dòng)因素；食品部門，水部門的代謝產(chǎn)物是氮回收的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

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(huán)節(jié)和污水處理廠脫氮環(huán)節(jié)；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(jù)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(jù)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在關(guān)鍵流動(dòng)部門中的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有效提升氮元素的資源回收利用效率.其中，4項(xiàng)技術(shù)組合對(duì)城市氮代謝的優(yōu)化效果最好，可將代謝效率提至52%.

［1］ 賴 敏，王偉力.社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)氮素流動(dòng)及其環(huán)境負(fù)荷——以長江中下游城市群為例 ［J］. 中國人口·資源與環(huán)境， 2015，25（12）:15-24.

［2］ Wang K， Yu S， Zhang W. China's regional energy and environmental efficiency: a DEA window analysis based dynamic evaluation ［J］. Mathematical and Computer Modelling， 2013，58（5）:1117-1127.

［3］ 史天昊，段英華，王小利，等.我國典型農(nóng)田長期施肥的氮肥真實(shí)利用率及其演變特征 ［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)， 2015，21（6）:1496-1505.

［4］ 武娟妮.工業(yè)園區(qū)碳，氮，磷代謝分析［碩士學(xué)位論文］.北京:清華大學(xué)， 2010.

［5］ Forkes J， Forkes J. Nitrogen balance for the urban food metabolism of Toronto， Canada ［J］. Resources， conservation and recycling， 2007，52（1）:74-94.

［6］ University of Technology: Vienna. Baker L A， Hope D， Xu Y， et al. Nitrogen Balance for the Central Arizona—Phoenix （CAP）Ecosystem ［J］. Ecosystems， 2001，4（6）:582-602.

［7］ F?rge J， Magid J， Vries F. Urban nutrient balance for Bangkok ［J］. Ecological modelling， 2001，139（1）:63-74.

［8］ 劉 毅，陳吉寧.中國磷循環(huán)系統(tǒng)的物質(zhì)流分析 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2006，26（2）:238-242.

［9］ 武慧君，袁增偉，畢 軍.巢湖流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷代謝分析 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2010，30（12）:1658-1663.

［10］ Mitchell V G， Cleugh H A， Grimmond C S B， et al. Linking urban water balance and energy balance models to analyse urban design options ［J］. Hydrological Processes， 2008，22（16）:2891-2900.

［11］ Doyle P. Modelling catchment evaporation: An objective comparison of the penman and morton approaches ［J］. Hydrology，1990，121（1-4）:257—276.

［12］ Sonesson U， J?nsson H， Mattsson B. Postconsumption sewage Treatment in Environmental Systems Analysis of Foods ［J］.Ⅰndustrial Ecology， 2004，8（3）:51-64.

［13］ Dunne T， Leopold L B. Water in Environmental Planning ［M］. W. H. Freeman & Co Ltd， 1978.

［14］ Sonesson U， J?nsson H， Mattsson B. Postconsumption sewage treatment in environmental systems analysis of foods ［J］. Journal of Ⅰndustrial Ecology， 2004，8（3）:51-64.

［15］ Es G， Dm S， Cg C， et al. Estimating plant-available nitrogen release from manures， composts， and specialty products ［J］. Journal of Environmental Quality， 2006，35（6）:2321-2332.

［16］ Turan N G. Nitrogen availability in composted poultry litter using natural amendments ［J］. Waste Management & Research， 2009，27（1）:19-24.

［17］ Sullivan D M， Nartea T J， Bary A Ⅰ， et al. Nitrogen availability and decomposition of urban yard trimmings in soil ［J］. Soil. Science， 2004，169（10）:697-707.

［18］ Lundin M， Bengtsson M， Molander S. Life cycle assessment of wastewater systems: influence of system boundaries and scale on calculated environmental loads ［J］. Environmental Science & Technology， 2000，34（1）:180-186.

［19］ Eggleston H S， Buendia L， Miwa K， et al. ⅠPCC guidelines for national greenhouse gas inventories ［J］. Ⅰnstitute for Global Environmental Strategies， Hayama， Japan， 2006，2:48-56.

［20］ Baxter L， Mitchell R E， Fletcher T H， et al. Nitrogen release during coal combustion ［J］. Energy & Fuels， 1996，10（1）:188-196.

［21］ Eghball B， Wienhold B J， Woodbury B L， et al. Plant availability of phosphorus in swine slurry and cattle feedlot manure. ［J］. Agronomy Journal， 2005，97（2）:542-548.

［22］ Scott J， Beydoun D， Amal R， et al. Landfill management， leachate generation， and leach testing of solid wastes in australia and overseas ［J］. Critical Reviews in Environmental Science and Technology， 2007，35（3）:239-332.

［23］ 劉金棟，任利明.基于LandGEM模型的垃圾填埋氣預(yù)測及參數(shù)設(shè)定的初探 ［J］. 城市， 2012，（8）:68-70.

［24］ Danius L A B O. Regional material flow analysis and data uncertainties: Can the results be trusted ［M］. 2001，10-12.

［25］ Shu L， Schneider P， Jegatheesan， V， et al. An economic evaluation of phosphorus recovery as struvite from digester supernatant. ［J］. Bioresource Technology， 2006，97（17）:2211—2216.

［26］ 郝曉地，衣蘭凱，仇付國.源分離技術(shù)的國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 ［J］. 中國給水排水， 2010，（12）:1-7.

［27］ Furness D T， Hoggett L A， Judd S J. Thermochemical treatment of sewage sludge ［J］. Water and Environment Journal， 2000，14（1）:57-65.

［28］ Srinath E G， Pillai S C. Phosphorus in wastewater effluents and algal growth ［J］. Journal （Water Pollution Control Federation），1972:303-308.

［29］ Lamer B S M S. An energy evaluation of coupling nutrient removal from wastewater with algal biomass production ［J］. Applied Energy， 2011，10:3499-3506.

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(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)分析研究.

2016-02-20

環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)（15L02ESPC）；國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（71522011）

* 責(zé)任作者， 研究員， wenzg@mail.tsinghua.edu.cn