美國的水污染治理需求肇始于經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展帶來的水體污染問題和環(huán)境事件。20世紀(jì)50年代前后，美國開始嘗試系統(tǒng)性的管理并打下政策基礎(chǔ)（發(fā)布聯(lián)邦級的綜合性水污染控制法、水質(zhì)法案），70年代確立以水環(huán)境管理的職能主體（EPA）為代表的全國性的環(huán)境管理，同時確立了適用于全國范圍的基礎(chǔ)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(jì)70年代末，清潔水法案出臺，排污許可制度優(yōu)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(guī)污染物的控制轉(zhuǎn)為對“可游泳，可垂釣（waters are safe for fishing and swimming）”水環(huán)境的改善與追求。

承接前幾十年確立的大框架，進(jìn)入2000年以后，美國的水污染防治政策和思路又有所補(bǔ)充和延伸。近年來美國水環(huán)境管理的重心主要是城市及鄉(xiāng)村雨水徑流管理、近岸海域海水監(jiān)測體系建設(shè)、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(fā)布了一系列與脫氮除磷相關(guān)的技術(shù)文件（表1），其核心在于進(jìn)一步推動有水環(huán)境質(zhì)量提升需求區(qū)域的污水處理廠在營養(yǎng)物去除方面的低費(fèi)用升級改造。

表1 2000年后美國發(fā)布的污水脫氮除磷方面的政策文件

在州一級的視角，美國的水環(huán)境營養(yǎng)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(xiàn)在環(huán)境管理方面，如在聯(lián)邦層級污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)非常粗線條，具體到微觀層面，NPDES體系管理下的排放標(biāo)準(zhǔn)能細(xì)化到各個污水處理廠。因此不同地區(qū)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(qiáng)調(diào)流域整體化治理的國家。20世紀(jì)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(jìn)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(huán)境管理體系中傳遞。

以最具代表性的佛羅里達(dá)州為例。該州污水廠TN、TP排放標(biāo)準(zhǔn)總體而言在美國各州之中最為嚴(yán)格。佛羅里達(dá)州是一個水質(zhì)較為敏感的地區(qū)，主要體現(xiàn)在：海岸線長（全美第二、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)——美國最主要柑橘類作物產(chǎn)區(qū)）、河湖繁密（境內(nèi)有河流17116條，湖泊3萬多個）、有重要湖泊和生態(tài)保護(hù)區(qū)（美國第二大淡水湖、美國知名的生態(tài)濕地大沼澤地'everglades’）。而該州的水污染控制一直面臨著比較嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。早在20世紀(jì)60、70年代，就有Jacksonville市因污水處理設(shè)施缺乏建設(shè)資金而向河流直排5.6萬m³/d市政污水，導(dǎo)致佛羅里達(dá)州中西部沿海水域發(fā)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(jù)當(dāng)時環(huán)境管理部門的一份報告，市政污水、工業(yè)源（以磷肥工業(yè)為典型）、農(nóng)業(yè)源（畜牧業(yè)糞便、種植業(yè)的化肥使用）等是境內(nèi)主要河流、湖泊的水生生物數(shù)量和種類出現(xiàn)明顯下降的主要原因，居民的飲水安全受到嚴(yán)重威脅。

隨后佛羅里達(dá)州開始逐漸重視水污染問題，其在前期的摸索和準(zhǔn)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(guī)劃統(tǒng)籌，包括發(fā)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(fèi)數(shù)億美元主要用于支持建設(shè)污水處理設(shè)施）、嘗試和創(chuàng)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(diǎn)流域開始構(gòu)建形成專門的治污和水環(huán)境保護(hù)組織，推動特定水域的污染治理，如持續(xù)至今的大沼澤地'everglades’富營養(yǎng)物去除項(xiàng)目、印第安河潟湖 (Indian River Lagoon)流域富營養(yǎng)化調(diào)查和治理項(xiàng)目等。

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

中文語境下的“極限脫氮”脫胎于英文術(shù)語'the Limit of Technology (LOT)’。而這一概念則屬于美國環(huán)境學(xué)界較為公認(rèn)的水體污染物去除之“三層級”：即較為傳統(tǒng)的生物去除（BNR）、加強(qiáng)型營養(yǎng)物去除（ENR）和極限營養(yǎng)物去除（LOT）。這三個層級更為細(xì)化的內(nèi)涵如下：

BNR：傳統(tǒng)的厭氧-缺氧-好氧的順序排列組合，通?？蓪?shí)現(xiàn)TN≤10 mg/L，TP≤1 mg/L。

ENR：在應(yīng)用BNR技術(shù)的工藝基礎(chǔ)上加入化學(xué)沉降及過濾以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的氮磷去除效果，可以實(shí)現(xiàn)TN≤6 mg/L，TP≤0.2 mg/L。

LOT：代表“最先進(jìn)技術(shù)”的內(nèi)涵。這一類技術(shù)和工藝雖然非常先進(jìn)，但在習(xí)慣于對公共支出精打細(xì)算、同時強(qiáng)調(diào)地區(qū)個性化的美國此類技術(shù)沒有過于普及。如果將學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界較為公認(rèn)的TN≤3 mg/L，TP≤0.1 mg/L作為對LOT類工藝的入門要求，根據(jù)EPA網(wǎng)站等官方來源的資料統(tǒng)計，美國全境約有十余座污水廠達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。在美國，實(shí)現(xiàn)極限脫氮的技術(shù)工藝主要為在二級處理后加上化學(xué)處理+過濾、膜過濾、離子交換/吸收等工藝。

應(yīng)用極限脫氮技術(shù)的污水廠主要分布在美國東部，尤其是接近五大湖區(qū)的區(qū)域和前文已提到的佛羅里達(dá)州。

圖1 美國部分極限脫氮污水廠示例

近數(shù)十年，一些與佛羅里達(dá)州類似，有著更高污水/水環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)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(biāo)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(xì)算——既不脫離自身實(shí)際需求定過高的目標(biāo)，也不投入過多資金。同時，在美國污泥農(nóng)用政策較為友好的框架下通過營養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)出和出售以及能量的節(jié)省等途徑追求脫氮處理環(huán)境效益之外的經(jīng)濟(jì)利益產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)顯示，極限脫氮和增強(qiáng)型脫氮實(shí)際的噸水花費(fèi)不但不高于普通的生物脫氮，甚至?xí)陀诤笳?。?dāng)然，這樣的情況可能由于實(shí)施普通生物脫氮升級的污水廠通常較老舊，需要改造的設(shè)施較多。而實(shí)施更高兩個層級標(biāo)準(zhǔn)脫氮除磷升級的污水廠通常較新，需實(shí)施改造的設(shè)施和工藝較少等因素的影響。個案數(shù)據(jù)無法給出定性的結(jié)論，但也足以對“極限脫氮=高昂費(fèi)用”的慣性思維等式給出一定的質(zhì)疑。

表2 美國部分污水廠脫氮除磷升級案例數(shù)據(jù)

表3 美國各量級污水廠脫氮除磷升級經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)

說明：BNR技術(shù)的改造費(fèi)用統(tǒng)計項(xiàng)除直接的建造費(fèi)用之外還涵蓋了設(shè)計、試驗(yàn)和試運(yùn)行費(fèi)用，ENR與LOT的改造費(fèi)用統(tǒng)計項(xiàng)僅為直接的建造費(fèi)用。

回顧美國的水體富營養(yǎng)化治理路徑，不難發(fā)現(xiàn)一些值得參考且學(xué)習(xí)引入的點(diǎn)。比如地方政府統(tǒng)籌和跨區(qū)域流域治理的雙管齊下；比如對投入產(chǎn)出的精打細(xì)算；比如對區(qū)域特殊性的強(qiáng)調(diào)和從個體實(shí)際需求出發(fā)的務(wù)實(shí)……另一方面，從美國一些區(qū)域依然持續(xù)的治污舉措和依然偶有爆發(fā)的水污染事件中也可以看出，即使在環(huán)保已先行幾十年的發(fā)達(dá)國家，治水和防污依然是不輟的長期事業(yè)。