从污染防治到“可游泳、可垂钓”水环境治理政策的转变对污水厂的影响
美国的水污染治理需求肇始于经济蓬勃发展带来的水体污染问题和环境事件。20世纪50年代前后，美国开始尝试系统性的管理并打下政策基础(发布联邦级的综合性水污染控制法、水质法案)，70年代确立以水环境管理的职能主体(EPA)为代表的全国性的环境管理，同时确立了适用于全国范围的基础性废水排放限值以及针对排污主体的排污管理制度(排污许可制度)。20世纪70年代末，清洁水法案出台，排污许可制度优化为基于国家污染物排放削减制度(NPDES)的排污许可，水污染治理思路也从对常规污染物的控制转为对“可游泳，可垂钓(waters are safe for fishing and swimming)”水环境的改善与追求。
承接前几十年确立的大框架，进入2000年以后，美国的水污染防治政策和思路又有所补充和延伸。近年来美国水环境管理的重心主要是城市及乡村雨水径流管理、近岸海域海水监测体系建设、特殊污染物的控制、以及脱氮除磷等，后者即本文的论述主题。
2000年以来，EPA发布了一系列与脱氮除磷相关的技术文件(表1)，其核心在于进一步推动有水环境质量提升需求区域的污水处理厂在营养物去除方面的低费用升级改造。
一州之视角看美国脱氮思路
在州一级的视角，美国的水环境营养物控制思路值得一谈。
一方面，作为典型的小政府国家，美国各州政府地方自治程度较高。这自然也体现在环境管理方面，如在联邦层级污水厂污染物排放标准非常粗线条，具体到微观层面，NPDES体系管理下的排放标准能细化到各个污水处理厂。因此不同地区污水厂氮磷污染物的排放限值也差别极大。
但另一方面，美国同时又是非常强调流域整体化治理的国家。20世纪30年代，罗斯福政府就专门成立了流域委员会对田纳西河进行治理，并取得了较大的成功。流域整体化治理的基因也自此开始在美国环境管理体系中传递。
以最具代表性的佛罗里达州为例。该州污水厂TN、TP排放标准总体而言在美国各州之中最为严格。佛罗里达州是一个水质较为敏感的地区，主要体现在：海岸线长(全美第二、农业发达——美国最主要柑橘类作物产区)、河湖繁密(境内有河流17116条，湖泊3万多个)、有重要湖泊和生态保护区(美国第二大淡水湖、美国知名的生态湿地大沼泽地‘everglades’)。而该州的水污染控制一直面临着比较严峻的挑战。早在20世纪60、70年代，就有Jacksonville市因污水处理设施缺乏建设资金而向河流直排5.6万m3/d市政污水，导致佛罗里达州中西部沿海水域发生短裸甲藻赤潮，致使近1500km2海域生物几乎全部灭绝的污染事件。根据当时环境管理部门的一份报告，市政污水、工业源(以磷肥工业为典型)、农业源(畜牧业粪便、种植业的化肥使用)等是境内主要河流、湖泊的水生生物数量和种类出现明显下降的主要原因，居民的饮水安全受到严重威胁。
随后佛罗里达州开始逐渐重视水污染问题，其在前期的摸索和准备期中逐渐形成了两条治污主线：一条是州政府一级的整体规划统筹，包括发布治理计划(州级的水污染防治行动计划、河流和海港污染防治计划)、募集资金投入治污(每年花费数亿美元主要用于支持建设污水处理设施)、尝试和创新管理手段和制度(分级管理污水厂)等宏观举措;另一条是重点流域开始构建形成专门的治污和水环境保护组织，推动特定水域的污染治理，如持续至今的大沼泽地‘everglades’富营养物去除项目、印第安河潟湖 (Indian River Lagoon)流域富营养化调查和治理项目等。
这些水污染防治的基础打牢、并且各类举措收到一定成效后，佛罗里达州于1996年发布了较为重要的提标政策 ——“市政污水处理设施Chapter 62-600–Domestic Wastewater Facilities)”。该政策将州内部分重点流域的总氮排放标准规定为I、II类污水处理设施年平均TN浓度≤3mg/L，III类污水处理设施年平均TN浓度≤10mg/L。这一“严约束总量、对日常波动宽容”精神的提标政策开始推动州内污水厂的升级，并逐步向极限脱氮迈进。
美国极限脱氮(LOT)发展及应用现状
中文语境下的“极限脱氮”脱胎于英文术语‘the Limit of Technology (LOT)’。而这一概念则属于美国环境学界较为公认的水体污染物去除之“三层级”：即较为传统的生物去除(BNR)、加强型营养物去除(ENR)和极限营养物去除(LOT)。这三个层级更为细化的内涵如下：
BNR：传统的厌氧-缺氧-好氧的顺序排列组合，通常可实现TN≤10 mg/L，TP≤1 mg/L。
ENR：在应用BNR技术的工艺基础上加入化学沉降及过滤以实现更优的氮磷去除效果，可以实现TN≤6 mg/L，TP≤0.2 mg/L。
LOT：代表“最先进技术”的内涵。这一类技术和工艺虽然非常先进，但在习惯于对公共支出精打细算、同时强调地区个性化的美国此类技术没有过于普及。如果将学界和产业界较为公认的TN≤3 mg/L，TP≤0.1 mg/L作为对LOT类工艺的入门要求，根据EPA网站等官方来源的资料统计，美国全境约有十余座污水厂达到这一标准。在美国，实现极限脱氮的技术工艺主要为在二级处理后加上化学处理+过滤、膜过滤、离子交换/吸收等工艺。
应用极限脱氮技术的污水厂主要分布在美国东部，尤其是接近五大湖区的区域和前文已提到的佛罗里达州。
污水厂脱氮除磷升级案例
近数十年，一些与佛罗里达州类似，有着更高污水/水环境营养物质控制需求的州在各种因素的推动下开始推行污水厂脱氮除磷的提标改造，由BNR提升为ENR甚至LOT。具有代表性的部分案例见表2及表3。
可以看出，综合而言，美国各州污水厂在脱氮除磷升级方面较为精打细算——既不脱离自身实际需求定过高的目标，也不投入过多资金。同时，在美国污泥农用政策较为友好的框架下通过营养物质的产出和出售以及能量的节省等途径追求脱氮处理环境效益之外的经济利益产出。
此外，更让人有些意外的是，美国部分污水厂脱氮除磷改造的个案经济性数据显示，极限脱氮和增强型脱氮实际的吨水花费不但不高于普通的生物脱氮，甚至会低于后者。当然，这样的情况可能由于实施普通生物脱氮升级的污水厂通常较老旧，需要改造的设施较多。而实施更高两个层级标准脱氮除磷升级的污水厂通常较新，需实施改造的设施和工艺较少等因素的影响。个案数据无法给出定性的结论，但也足以对“极限脱氮=高昂费用”的惯性思维等式给出一定的质疑。
对中国脱氮事业的启示
回顾美国的水体富营养化治理路径，不难发现一些值得参考且学习引入的点。比如地方政府统筹和跨区域流域治理的双管齐下;比如对投入产出的精打细算;比如对区域特殊性的强调和从个体实际需求出发的务实……另一方面，从美国一些区域依然持续的治污举措和依然偶有爆发的水污染事件中也可以看出，即使在环保已先行几十年的发达国家，治水和防污依然是不辍的长期事业。
