温宗国，张文婷，韩江雪，陈 晨 （清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084）

区域氮多部门代谢及回收技术应用影响分析

温宗国*，张文婷，韩江雪，陈 晨 （清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084）

模拟了氮元素在水、能源、食品、林业、废物管理等多部门的代谢流动，以苏州为例构建了元素代谢系统分析模型，识别了氮元素代谢的重要部门和关键环节，针对性地提出尿源分离、污泥热解、高温热解、藻类净水等四种氮回收技术及组合，分析技术应用对城市氮元素代谢性能的影响.结果表明:苏州氮元素从外界输入160万t/a，90%来自煤炭和天然气；能源、食品和水部门是氮回收的关键环节；四项氮回收技术组合应用可实现氮元素整体代谢效率提至52%，优化调控效果最好，可促进低氮型社会的构建.

氮元素；多部门系统分析；氮回收技术；跨介质污染控制；苏州

氮的过量排放可导致水体富营养化，燃煤、汽车尾气及工业生产排放的NOx是形成雾霾的重要前体物质，也是酸雨的主要组成［1］，氮元素在土壤中的过量残留，可导致土壤的酸化板结.因此，氮元素代谢涉及水体、大气和土壤等介质，其跨介质代谢优化调控对于生态系统健康安全具有重要意义.与此同时，氮元素的不合理代谢也造成了极大的资源浪费［2］.氮元素广泛运用于肥料、饲料、添加剂及洗涤剂的生产.2014年我国氮肥消耗4651.64万t，氮肥实际利用率仅47.6%～57%［3］，预计2050年氮肥使用量将是现在的2.7倍［4］，氮元素具有较大的回收利用潜力.

通过城市氮元素代谢分析识别流动特征，针对性地提出氮元素高效利用和污染控制的方案，对建设环境友好的低氮型城市具有重要的现实意义.当前，已有学者开展了区域层面氮元素代谢分析研究，例如多伦多市食品代谢过程的氮素平衡问题［5］，美国亚利桑那州凤凰城的氮元素地区收支平衡［6］，城市区域与农田之间氮元素循环［7］等，国内学者也运用物质流分析方法开展了多项营养元素代谢分析研究［8-9］.但是，现有氮元素代谢分析多将该区域作为黑箱处理，对于含氮物质在城市生态系统内部的流动转化并无明确分析；多数是针对流域，城市等生态系统内部某一具体过程或子系统，对跨部门氮元素代谢的研究较少；大多研究以评估氮元素代谢现状为主，无法预计技术改造或措施对区域生态系统氮元素代谢的影响.

本研究开发的多部门系统分析模型（MSA）融合了物质流和元素流分析、低氮控制情景分析及拉丁超立方采样方法，实现了城市氮元素多部门代谢流动路径的系统追踪和模拟分析，避免将城市复合系统视作黑箱处理而带来的误差.以苏州为例的计算结果识别了氮元素代谢的重要部门和关键环节，评估了4种关键回收技术对氮元素代谢性能的影响，回收潜力及代谢结构的优化效果，为城市氮元素代谢调控提供了理论支撑和系统分析方法.

1 区域氮元素代谢分析方法

1.1 多部门系统分析的代谢框架

MSA模型（图1）根据代谢的物质类型和经济社会活动，将城市生态系统划分为水部门、能源部门、食品部门、林业部门和废物管理部门.各部门代谢框架涵盖了物质流动及处理单元，每个处理单元包含着流动的聚集、分离和转化.各部门之间及部门与外界生态环境（水圈、岩石圈、大气圈）之间存在物质流动交换.

图1 多部门代谢系统分析模型框架Fig.1 System analysis framework of multi-sector metabolism

其中，水部门主要包括取水、供水、废水处理等环节以及降水、蒸发、地表径流、管网渗透等过程；食品部门主要包括食物和饲料的输入输出、当地粮食生产、耕地及林地的肥料使用情况；林业部门主要包括纸制品和木材的生产消费环节；能源部门主要包括燃料输入、发电环节及各种类型的能源消费（如住宅、商业、工业和交通用能）；废物管理部门主要包括上述4个部门产生的各种废物（污泥、粪便、厨余垃圾等）的处置及回收利用环节.本文以水部门为例进一步细化了跨部门间的氮元素代谢框架（图2）.

图2 水部门氮元素物质代谢框架Fig.2 Nitrogen metabolism framework of water sector

水是营养元素运输的重要载体.分析水的代谢流动为追踪氮磷元素的代谢奠定了基础.在水部门中，降水是整个水部门的驱动力.雨水落到地面后共有渗透、形成地表经流和蒸发3种去向.不同的地形以及土地渗透能力决定了渗透强度的大小.水供应量的改变，不透水地面的改变等均会影响区域的水文行为.模型对于水代谢流动框架涵盖了多种因素，水流动的平衡方程［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指经过净化处理的水量及已处理废水量；Et表示水蒸发量；D表示流入地表河流湖泊中的水量；Ro表示地表径流；Si表示通过地表的渗透水量；ⅠSw表示规定的系统边界内的存水量.

对于Wi，其通常去向为住宅用水、商业用水、公共用水、工业、农业以及发电用水.其中，住宅、商业、公共、工业、发电用水均可通过统计年鉴获取，而畜牧业用水是基于苏州家禽、牲畜的库存量来计算的.农业及休闲娱乐区的灌溉用水是通过灌溉区域的面积以及灌溉系数计算而来，农业地区灌溉系数由苏州统计年鉴获得，为0.6.

对于Et的计算，模型主要将其分为不透水区域和透水区域进行计算.不透水地区的比例通过公路、房屋等建设用地来估算，模型假设每次降水之后滞留在不透水区域的水量完全蒸发.可渗透区域可以划分为开放水域、草原、农田以及森林.对于开放水域及较为潮湿的可渗透区域，根据土壤潮湿程度和修正因子计算水蒸发量［11］.D指返回地表河流湖泊中的水量，是已处理过的工业废水、发电用水以及污水处理厂废水的总和.

土壤渗透Si和地表径流Ro均与氮的运输息息相关，而污水处理厂是城市氮元素集中处理，转化的重要环节.研究表明：通过生物除氮释放到大气中的含量与流入污水处理厂中的总氮量成比例［12］.通过实地调研，设定污水处理厂的氮去除率为85%～90%，根据氮去除率可计算残留在污水处理厂污泥中的氮流量.处理的污泥直接流入废物管理部门中的下一个环节进行处置.

在多部门氮代谢核算过程中，全市总用水量、农业灌溉系数等数据主要通过市统计年鉴或参照全国统计年鉴；对于某些无法通过统计年鉴获取的数据（如，水蒸发量），主要参照已有研究［13-23］获取或根据间接数据估算；污水处理厂含氮污染物去除率等运行数据主要通过实地调研测试.其他四个部门核算数据的获取渠道类似.

1.2 多部门氮代谢的计算方法

多部门物质代谢框架可实现氮元素代谢路径的追踪计算.假定物质代谢框架中某一条流动中氮流量以MN表示，包含F（1），F（2），……F（i）共i种物质的流动，则MN按照下式计算：

式中：FN（i）为第i种物质流动中氮元素的含量；m表示这一物质的流通量，通常由直接调研获取或根据物料守恒计算；CN表示物质流中氮元素的含量，通常是浓度，质量分数.

为解决数据来源不确定性的问题，本研究参照2001年Danius等［24］提出的不确定级别判定和不确定采样空间的计算方法，对间接获取的数据设置了不确定采样空间，在此空间内进行拉丁超立方采样，模型运行1000次，采用输出结果的中位数进行氮元素代谢分析研究.

1.3 代谢性能指标的构建及算法

为了把握城市氮元素代谢的总体结构和代谢性能，本研究将系统边界上的氮元素流动分为5类：外界输入流（R）、输出流（P）、大气排放流（E）、水体排放流（A）及固废流（W），分别核算了多部门流动的各类物质，分布及所占比例，识别氮元素代谢的总体特征.设置PRⅠ指标（氮元素的输出与输入比例——资源产出比）表征城市氮元素的代谢性能.其中，RN是氮元素从外界输入到城市生态系统的流量，PN是输出系统的氮元素流量总和.

另外，设置EEⅠ指标（排放到大气和水体中的氮元素流量相对于输出系统的氮元素流量总和的比例），反映代谢过程对不同自然圈层（水圈、大气圈等）带来的环境负荷.设置PWⅠ指标（排放到土壤中的氮元素流量相对于输出系统的氮元素流量总和的比例），反映系统的物质代谢效率.其中，EN，AN，WN分别是排放到大气、水体、土壤中的氮元素流量，PN是输出系统的氮元素流量总和.代谢性能指标被用于定量评价回收技术及组合对城市氮元素代谢的影响.

2 结果分析

2.1 氮元素代谢特征分析

以城市多部门物质代谢框架和系统分析模型为基础，本研究计算了氮元素在苏州水部门、能源部门、食品部门、林业部门和废物管理部门的代谢流动通量，识别出了流通量最大的10个流动途径（表1）.其中，燃料使用、食品消耗和污水处理环节是苏州氮元素代谢调控的关键环节.

表1 苏州市氮元素代谢的关键流动环节Table 1 Crucial flows of nitrogen metabolism in Suzhou

燃料使用对苏州市氮代谢流动影响巨大.煤炭的外界输入为127.1万t/a，在所有流动中的氮流通量最大.经过发电和燃料燃烧环节后，氮流动主要有两大去向：75%以NOx废气流的形式释放于大气圈，仅有33%实现了回收利用.发电产生的废气流中，煤炭发电的贡献率为90%，在燃料消耗（不包括发电）产生的废气流中，工业生产的贡献率为80%.

食品部门是与氮代谢调控较为紧密的另一个部门.全市食物消费排泄物中的氮流为6.8万t/a，主要有3大去向：产生尿液中氮流量4万t/a，产生粪便中氮流量1.1万t/a，产生食物残渣中氮流量1.4万t/a.食品部门产生的氮流最终进入污水处理厂或废物管理部门，发生了氮元素的跨部门流动.

畜牧业也包含巨大的氮流量.但是，饲料中的氮流在经过牲畜养殖，粪便堆积及处理后，高达52%的氮流以气态形式损失，仅剩余48%被土地利用.

废水流也具有较高的氮流量.每年流入污水处理厂的氮流量高达10.6万t/a，其中42%源于工业废水，55%源于当地住宅，商业以及公共用水部门.经过污水处理脱氮作用后，60%的氮以气体形式损失，30%依旧残留于地表水体，仅有10%存在于污泥中被回收利用.

从苏州市氮代谢的总体结构分析看，氮的外界流入为162万t/a，90%来自煤炭和天然气，7%来自食品和饲料.氮流输入系统后，76%通过燃料燃烧和污水处理厂脱氮环节后以NOX或N2的形态释放到大气圈，20%以煤渣的形式输出系统，约1.34万t/a进入填埋场，约1.45万t/a以渗滤液形式排入水体.生活废水，污水处理厂出水的氮流量分别为氮流外界输入的37.4%和20%.

综上，苏州市氮元素代谢特征主要包括：能源、食品部门是氮流外界输入的两大主要部门，食品、水部门的代谢产物是氮回收的关键环节.燃料需求、居民消费和畜牧业发展是城市氮代谢的主要驱动因素.这些部门氮流通量大，是氮的污染控制和高效利用的关键.苏州市氮的代谢流动也体现了典型的跨介质污染转移.例如，以NOX等大气污染物排入大气圈，以渗滤液形式排入水体，以煤渣等固体形式进入填埋场或废物管理部门.因此，当前采取单介质、单部门的氮元素污染控制和回收利用模式是低效率的，迫切需要综合考虑能源、食品、水部门等多个氮流动的关键环节，实现向大气、水体、土壤等多环境介质协同的氮元素污染控制与回收利用，才能保证城市生态系统的健康安全.

2.2 氮元素回收利用技术应用的调控分析

2.2.1 氮回收技术情景设置 氮元素的代谢优化与控制需要同时考虑能源、食品、水等多个部门，选择合适的回收技术实现大气、水体、土壤等多环境介质的氮元素协同控制.其中，氮元素在能源部门燃料中的流通量最大，远超过其他部门，但短时期内以煤炭为主的能源结构不会改变，且燃料燃烧产物95%已被回收用于建材和水泥制造，故本研究暂不考虑氮元素在能源部门的回收.

前文分析表明，食品、水部门的代谢产物是氮回收的关键，而生活废水、污水处理厂出水氮流量分别占据氮总输入流的37.4%和20%，回收潜力巨大，可在这些关键流动环节应用氮回收技术.

生活废水中的氮处理主要选择尿源分离技术（UST）.UST能从源头上将粪尿分离，从尿液中回收氮，从而将部分废物流转化为产品流［25］.已有研究表明，尿源分离技术将尿液完全分离，可使污水处理厂出水氮浓度降低80%～85%，与末端处理技术相比，UST具有明显的优越性，可以改善污水处理厂的营养物去除性能并降低能耗，有助于缓解水体富营养化现象，实现水、营养物和能量原位闭合循环［26］.

针对污水处理厂污泥，可选择污泥热解技术（PSS）.PSS可以在高温和厌氧环境下将有机物分解成固、液、气三相产物，气态和液态中的热解产物可作为燃料使用，氮则留在生物炭中用于生产肥料［27］，从而减少了进入填埋场的氮量，也间接减少了氮的渗滤.PSS的优势在于其不产生二?等污染物和较高的能源利用率.与此类似，牲畜粪便也可用作高温热解处理（LMP），将氮回收用于生产肥料.

对于污水处理厂残留的氮回收，可选择藻类净水技术（AWP）.AWP的优势在于，在净化污水的同时能够实现对残留营养物质的能源回收.藻类生长需要氮元素［28-29］，藻类去油后可经热解生产燃料和肥料，可视作氮元素的回收技术.

可见，这些技术在物质循环利用，节能环保等方面均具有明显优势，应用于城市氮代谢的关键环节，将改变氮元素在水部门和废物管理部门的代谢流动结构，实现氮元素更大比例的回收利用，减少向其他部门和环境介质的排放量.基于这4类回收处理技术的推广潜力，本研究选择这4类技术进行情景分析，设置了单一推广、两两组合、三项组合、四项组合及基准情景等16种技术应用情景（表2），以分析不同技术措施对城市氮元素代谢的影响.

表2 氮元素回收技术应用情景设置Table 2 Scenarios of different nitrogen recycle technologies

2.2.2 氮元素代谢关键技术影响分析 16种技术及组合的不同情景下，城市氮元素代谢指标计算结果如图3所示.基准情景下，氮元素的代谢效率PRⅠ为24%，外界环境负荷指标PWⅠ为62，EEⅠ为0.29，分析表明：

（1）单一技术情景下，尿源分离技术（U）对于城市氮元素的代谢效率提升最大，从24%提高至32%，对水体和大气造成的环境负荷最小；污泥热解单一技术（P）可将含氮固体的资源利用效率提升近50%，优于尿源分离与藻类净水技术组合推广情景（UA），畜粪热解与藻类净水技术组合推广情景（LA）.

（2）2项技术组合对城市氮元素代谢效率的提升均大于单一技术，表明不同技术作用于氮代谢的多部门、多环节，在共同控制多种环境介质的氮污染，在氮元素代谢效率提高上具有协同效应.不同组合情景可将氮元素的代谢效率提高37%～41%.其中，尿源分离与畜粪热解技术组合推广情景（UL）最优.

（3）3项技术组合情景下，尿源分离，畜粪与污泥热解三项技术组合（ULP）对氮元素代谢效率提升最大，不同组合情景可将氮元素的代谢效率提高43%～47%.

（4）在所有技术及组合应用情景中，4项技术组合（ALL）对城市氮元素代谢效率的提升最大，可达到52%.

总体来看，技术组合情景相对于单一技术情景具有更优的调控效果，整体呈现出技术组合数量越多，氮代谢性能越优的趋势；4项技术组合推广可使城市氮元素的代谢效率提高至基准情景的2倍以上.主要原因：一是不同技术的氮控制重点不同，若多项技术组合作用于氮代谢的多部门、多环节，所选技术之间会产生协同效应，可共同控制多环境介质的氮污染；二是4项技术均采用回收利用方式，提高了氮资源利用率和不同环节的污染控制水平.

参考上述计算结果的启示，我国现有氮元素污染控制技术或政策主要有两方面的不足：一是多数污染物防治技术只关注于某种形态的含氮污染物，在治理氮污染的过程中缺少整体性和协同性，污染物容易发生转移（从某种环境介质转移到另一种环境介质；从某部门转移到另一部门；从氮元素代谢的某环节转移到其他环节）；二是仍以污染物防治为主，例如烟气脱硝、活性污泥法处理污水中的氨氮等，并未实现氮元素的回收.烟气脱硝技术虽然实现了含氮污染物向大气圈的达标排放，但大量氮元素通过废烟气脱硝催化剂转移，再生和利用过程，以液态和固态形式转移到废酸、废水、污泥和废渣中，若不经处理直接排入水体和土壤，将会造成严重的二次污染.目前，很多污水处理厂实现了含氮污染物向水体的达标排放，但大量氮元素以固体形态转移到污泥中，如果忽视了这部分污泥处理，将会对土壤造成污染.研究表明，污水处理过程中去除的污染物，有50%会随着未经处理的污泥再次进入环境中.氮元素污染防治技术应转向以提高其整体代谢效率为目标，避免跨部门，跨介质转移的现象.因此，加强上述4项技术及组合的推广应用，可以从根本上提高氮元素的代谢效率，提高氮元素污染控制和回收利用水平.

图3 技术及组合情景下城市氮代谢性能比较Fig.3 Comparison of nitrogen metabolism efficiencies in different scenarios of recycle technologies

3 结论

区域氮元素代谢主要涉及能源、食品、水部门和废物管理等多个部门和环节，城市氮元素污染具有跨环境介质的代谢特征：

3.1 能源和食品部门是苏州氮元素输入的主要部门；畜牧业发展、居民消费和燃料需求是苏州氮元素代谢的主要驱动因素；食品部门，水部门的代谢产物是氮回收的关键环节.

3.2 苏州市氮的外界流入量160万t/a，90%来自煤炭和天然气的输入，7%来自食品和饲料输入；76%的外氮输入以NOX或N2释放到大气圈，主要是燃料燃烧环节和污水处理厂脱氮环节；20%以煤渣形式输出；约1.34万t/a以固废形式被填埋；约1.45万t/a排入水体.氮元素净累积量1.66万t/a，占据氮流输入的1%，集中在食品部门.生活废水、污水处理厂出水氮流量分别占据氮元素输入的37.4%和20%，回收潜力巨大.

3.3 尿源分离、畜粪热解、污泥热解、藻类净水等4项关键技术，在关键流动部门中的应用会产生协同效应，有效提升氮元素的资源回收利用效率.其中，4项技术组合对城市氮代谢的优化效果最好，可将代谢效率提至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

温宗国（1978-），男，福建安溪人，研究员，博士，主要从事行业节能减排系统分析研究.

2016-02-20

环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项（15L02ESPC）；国家自然科学基金优秀青年科学基金（71522011）

* 责任作者， 研究员， wenzg@mail.tsinghua.edu.cn