德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施——概述篇

　德國的污水處理目前仍以去除有機(jī)物和營養(yǎng)物為主要目的。自21世紀(jì)始，如何高效并可持續(xù)利用資源與能源、如何減少溫室氣體排放、減緩全球變暖等問題變得越來越重要。隨著大環(huán)境格局的日益變化，污水處理也將面臨著亟待解決以往問題和適應(yīng)未來發(fā)展的迫切需求。德國的污水處理正在迎來以下幾個(gè)“新挑戰(zhàn)”，而全文將針對(duì)以下問題展開討論。
● 如何減少能源消耗、如何提高能源自給率;
● 如何減少污水處理過程中二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體的排放;
● 如何追求物質(zhì)合理循環(huán)，從污水中回收磷等營養(yǎng)物質(zhì);
● 如何去除污水中的微污染物。
1、綜述
　　在德國，污水處理起源于150年以前。一直以來，污水處理技術(shù)以及處理對(duì)象都在不斷地發(fā)生著改變。19世紀(jì)初期，隨著歐洲工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病也隨之?dāng)U散，而惡劣的城市衛(wèi)生條件則是傳染病迅速擴(kuò)散的重要原因之一。因此，政府迫于外界壓力，便將設(shè)計(jì)建造城市污水處理系統(tǒng)提上了日程。19世紀(jì)末，機(jī)械處理技術(shù)拉開了污水處理技術(shù)的序幕，緊接著，在20世紀(jì)的第一個(gè)十年中，生物處理技術(shù)誕生了。
　　然而在1960年左右，由于水體富營養(yǎng)化的出現(xiàn)，北海和波羅的海的河流、湖泊的水質(zhì)問題開始日漸顯現(xiàn)。為此，政府不得不制定應(yīng)急策略，于是第一批關(guān)于如何治理市政廢水中有機(jī)物的大綱性管理辦法出臺(tái)了。從此，污水處理目的由單一的保護(hù)人類健康逐漸向保護(hù)環(huán)境轉(zhuǎn)變，尤其是保護(hù)作為生態(tài)體系重要組成部分之一的水環(huán)境體系。1980年左右，污水處理的對(duì)象開始向營養(yǎng)物去除轉(zhuǎn)變，尤其是含氮、磷的營養(yǎng)物。
21世紀(jì)初期，如何保持高效并可持續(xù)利用資源，尤其是能量利用，以及如何阻止全球變暖，特別是通過溫室氣體減排等方法，變得越來越重要。德國的污水處理新型研究領(lǐng)域可以大致劃分為以下幾類：
——如何減少能耗，提高能源產(chǎn)率;——如何減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物的排放;
——如何加強(qiáng)能源回收，尤其是磷元素的回收。
　　但是，無論處理工藝發(fā)生什么變革，污水處理仍然要把污染物削減作為主要目的。在此基礎(chǔ)上，近年來產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)之一是如何去除水體中的微污染物，尤其是藥物殘留帶來的微污染物。本文將重點(diǎn)闡述如何應(yīng)對(duì)這些“新型挑戰(zhàn)”的處理方法和工藝。

2、德國概況
　　德國坐落在歐洲中部，是一個(gè)高度工業(yè)化的國家。德國擁有357,000km2的國土面積以及8千萬人口。預(yù)計(jì)直到下個(gè)世紀(jì)，德國大部分地區(qū)的人口都將不再增加，甚至有些地區(qū)人口還將略有縮減。德國北部地區(qū)以低地為主，而南部地區(qū)主要以山脈為主。德國地形圖見圖1。

　　德國境內(nèi)全年平均降水大約為800mm。降水分布圖見圖2，由圖可知，全年降水分布比較不均，從400mm到2500mm均有分布。并且，從德國西部向東部區(qū)域，降水逐漸減少，并且夏季比冬季降水偏多，因此夏季會(huì)更加濕潤?？傮w而言，德國是一個(gè)擁有充足水資源的國家，農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠自然降水，不需再添加其他澆灌措施。

圖2 德國降水分布圖

3、德國污水處理歷程

　　在德國，污水處理起源于150年以前。在此期間，污水處理技術(shù)及處理對(duì)象在不斷發(fā)生變化。在19世紀(jì)初期，由于工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病開始大規(guī)模爆發(fā)，而造成傳染病爆發(fā)的一個(gè)主要原因就是城市衛(wèi)生條件差。就當(dāng)時(shí)而言，解決衛(wèi)生問題就是解決燃眉之急。首批城市排水系統(tǒng)于19世紀(jì)中期建設(shè)于德國漢堡市，用以收集排走居民區(qū)的生活污水。后來，所有的大型城市都建造了排水系統(tǒng)，法蘭克福市、柏林市和科隆市的排水系統(tǒng)分別建設(shè)于1867年，1873年和1881年。

　　污水處理真正開始于19世紀(jì)末期，最開始的污水處理只是一些簡單的機(jī)械式過濾，比如格柵、沉砂池和沉淀池。同時(shí)，在柏林，“自然”生物處理法也開始逐漸產(chǎn)生。污水首先經(jīng)過機(jī)械式預(yù)處理，然后被泵送入所謂的“Rieselfelder”(污水田)，如圖3所示。這種自然生物處理法是比較節(jié)能的，有機(jī)物和所有的營養(yǎng)物都可以被利用。但是這種方法的占地面積非常大并且會(huì)使土地發(fā)生鹽堿化。

圖3 19世紀(jì)末期柏林的污水處理田

　　在20世紀(jì)初期，隨著滴濾池的發(fā)明，“人工”生物處理法逐漸興起。1930年左右，第一批活性污泥法污水處理廠誕生了，活性污泥法的理念源自于美英國。但是一直到1950年，德國大多數(shù)污水處理廠依然僅使用簡單的機(jī)械式處理工藝，只有在人口密集區(qū)和工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，才會(huì)使用生物處理工藝。

　　1960年，隨著水體富營養(yǎng)化的出現(xiàn)，北海和波羅的海的河流、湖泊水體都相繼發(fā)生了水質(zhì)問題。政府不得不采取應(yīng)對(duì)措施，在1979年，政府制定了第一批污水處理的綱領(lǐng)性管理規(guī)范，這批規(guī)范旨在去除BOD5和COD。污水處理的目的逐漸由保護(hù)人類健康向保護(hù)自然環(huán)境和水體環(huán)境轉(zhuǎn)化。越來越多的采用生物處理法的污水處理廠拔地而起。1980年，污水處理開啟向氮、磷等營養(yǎng)物去除的新篇章。

　　但是有一個(gè)問題從始至終一直存在，就是如何處理污水處理過程中產(chǎn)生的污泥。解決辦法之一是誕生于1906年的英霍夫式沉淀池，它由兩個(gè)位于地下的圓柱形沉淀池和一個(gè)消化池組成。如圖4所示。

圖4 德國哈根市的英霍夫池

　　Imhoff tank(英霍夫池)使用的是在德國最常見的一種污泥處理方法——污泥厭氧消化。在污泥處理過程中，經(jīng)過干化場脫水后的污泥需要先經(jīng)過消化處理，然后被外運(yùn)作為農(nóng)業(yè)肥料。1920年，具有攪拌和加熱功能的獨(dú)立式消化池誕生了，這種消化池開始逐漸替代英霍夫池。消化池產(chǎn)生的沼氣可以被用作燃料。在德國，污泥在這種獨(dú)立消化池中進(jìn)行消化，逐漸形成一種標(biāo)準(zhǔn)工序。二戰(zhàn)以后，城市污水處理量越來越大，這就意味著越來越多的污泥需要處理，也直接導(dǎo)致了污泥干化場的面積需求越來越大。在這種形勢下，人工污泥脫水機(jī)誕生了，它主要具備壓濾和離心功能。后來，污泥作為肥料進(jìn)行農(nóng)田利用越來越困難，于是部分污泥開始在垃圾填埋場被填埋。1980年左右，污泥焚燒技術(shù)誕生了。

德國污水處理面臨的新挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施——降耗增產(chǎn)篇

由于地球上燃料資源的日益消耗殆盡以及溫室氣體排放帶來的影響，污水處理廠如何降低能源消耗變得越來越重要。德國已經(jīng)決定在未來十年內(nèi)，關(guān)閉所有的核能工廠，這也將意味著德國要面對(duì)能耗更加緊缺的局面。德國所有的污水處理廠每年消耗4400GWh的電能，平均每個(gè)污水廠每年消耗電能35KWh/PE×y，即每天100Wh/PE×d。

在一個(gè)改良活性污泥工藝的污水處理廠內(nèi)，電能消耗如表3所示：

為了降低能源消耗，污水處理廠內(nèi)所有的耗能環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行改良優(yōu)化。對(duì)于耗能大戶“曝氣系統(tǒng)”而言，大部分污水廠采用的都是鼓風(fēng)曝氣，空氣直接壓送至曝氣池內(nèi)的曝氣頭，因此鼓風(fēng)機(jī)是整個(gè)水廠里最大的耗能設(shè)備。為了減少能源消耗，污水廠應(yīng)當(dāng)采用高效能的鼓風(fēng)機(jī)和氧利用率高的曝氣頭。同時(shí)，還應(yīng)采取“智能化曝氣過程控制”。針對(duì)水泵、攪拌機(jī)這類相對(duì)較小的耗能環(huán)節(jié)，通過設(shè)備改進(jìn)與優(yōu)化，可使污水廠每年減少20KWh/PE×y的電能消耗。

另外，厭氧氨氧化工藝可以為水廠節(jié)省更多的能源。1990年左右，專門針對(duì)處理高氨氮廢水提出了厭氧氨氧化工藝，該工藝也被稱為部分亞硝化工藝與厭氧氨氧化工藝的結(jié)合。該工藝包括以下兩個(gè)步驟：

(1)部分亞硝化反應(yīng)，大約有50%的氨氮被氧化為亞硝酸鹽。NH4 1.5 O2 → NO2– H2O 2 H

(2)厭氧氨氧化反應(yīng)，在厭氧氨氧化菌的作用下，第一環(huán)節(jié)中未參與反應(yīng)的50%的氨氮和第一環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的亞硝酸鹽直接被氧化生成N2。NH4 NO2– → N2 2 H2O

跟傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝中脫氮過程對(duì)氧的需求量可以減少50%，整體工藝對(duì)氧的需求量可以減少10%。目前該工藝僅被用作處理幾百ppm的高氨氮廢水。

10年以前，在德國的Hattingen建造了第一座采用厭氧氨氧化工藝的污水處理廠，該廠的消化污泥脫水液采用厭氧氨氧化工藝進(jìn)行處理，并成功得以應(yīng)用。但是直到今天，相比處理消化污泥脫水液而言，由于污水本身的氨氮含量較低，所以厭氧氨氧化工藝一直沒有得到直接處理污水的主流應(yīng)用。如果主流應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝中反硝化過程需要額外補(bǔ)充碳源的問題將被徹底解決。同時(shí)，傳統(tǒng)工藝中反硝化反應(yīng)是異養(yǎng)反應(yīng)，要想維持異養(yǎng)反應(yīng)的正常運(yùn)行，BOD/N不能低于4，正因?yàn)槿绱?，預(yù)處理工藝中揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的去除率就受到了一定限制，大約只有50%的VSS可以被去除。如果不是因?yàn)檫@個(gè)局限，預(yù)處理工藝可以就去除更多的有機(jī)物，這樣以來，消化污泥脫水液中的有機(jī)物含量就會(huì)越高，也意味著產(chǎn)生的可利用沼氣就越多。另外，還有一個(gè)關(guān)鍵問題依然處在研究階段：部分亞硝化工藝需要在低氧濃度條件下進(jìn)行，以避免氧濃度較高發(fā)生全程硝化，全程硝化會(huì)產(chǎn)生大量硝酸鹽，但是在這種條件下，如果控制不好，氧濃度過低，又會(huì)產(chǎn)生反硝化脫氮，直接導(dǎo)致N2O大量產(chǎn)生，而N2O本身也是一種溫室氣體，所以如何穩(wěn)定控制低氧濃度依然是個(gè)關(guān)鍵問題。

如何增加產(chǎn)能

廢水中含有兩種能源：有機(jī)物和氨氮。在厭氧條件下，有機(jī)物可以被降解形成沼氣、二氧化碳和氨等終極產(chǎn)物，其中沼氣則可以用來發(fā)電、產(chǎn)熱。污水處理過程去除污染物的同時(shí)，也意味著將這兩種能源去除掉，并且曝氣和硝化過程還需要消耗大量的能量，比如耗電。

相比好氧反應(yīng)而言，厭氧反應(yīng)耗能更少而產(chǎn)能更多。但是迄今為止，仍然沒有主流厭氧工藝進(jìn)行污水脫氮的技術(shù)實(shí)例。這就是為什么好氧工藝在污水處理廠中依然處于主導(dǎo)位置，而目前也只有預(yù)處理和二沉池的污泥可以被用來產(chǎn)生沼氣和發(fā)電。

以下增加電能產(chǎn)量的方法可以供參考：——增加污泥產(chǎn)量，尤其是有機(jī)污泥產(chǎn)量;

——增加消化池的沼氣產(chǎn)量;

——增加電能的產(chǎn)率。

1、增加污泥產(chǎn)量

圖9展示了傳統(tǒng)硝化/反硝化活性污泥工藝中沼氣的產(chǎn)生過程。進(jìn)水中總揮發(fā)固體TVS含量為90g/PE，其中40g是揮發(fā)性懸浮固體(VSS)，50g是揮發(fā)性溶解固體(VDS)。為了保證反硝化過程有足夠的有機(jī)物，預(yù)處理工藝中初沉池的停留時(shí)間只有0.5~1小時(shí)，在這個(gè)工況下，大約有20g的TVS將會(huì)被沉淀并作為初沉污泥排至消化池，而剩余的70gTVS將會(huì)送往活性污泥反應(yīng)器。假設(shè)70gTVS中有50%將被礦化，而剩余50%將留在水中，被礦化的TVS中包括30g的VSS和5g的VDS。在二級(jí)生物反應(yīng)器中，30g的VSS經(jīng)過3小時(shí)的沉淀將全部得以去除，并作為二沉污泥送往中溫厭氧消化罐。這樣一來，消化罐將接收50gVSS，其中20g來自初沉污泥，30g來自二沉污泥。消化罐的反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為20~30天，消化率大約為50%。25g有機(jī)物將產(chǎn)生25L沼氣，而其中甲烷含量是60%左右，也就是說甲烷產(chǎn)量是15L。15L甲烷將產(chǎn)生150Wh的熱值。

如果用厭氧氨氧化工藝替代傳統(tǒng)的硝化/反硝化工藝來脫氮，就不存在反硝化過程對(duì)有機(jī)物的最低需求，那么初沉污泥中有機(jī)物含量將會(huì)更多，也就會(huì)產(chǎn)生更多的沼氣。如果初沉階段加以絮凝工藝并適當(dāng)延長停留時(shí)間，基本上所有的懸浮固體在此階段都將被去除，儲(chǔ)存在初沉污泥中。這個(gè)過程在圖9中用綠色路線表示。工藝替代之后，將會(huì)有60g的VSS產(chǎn)生(其中40g來自初沉污泥，20g來自二沉污泥)并送往消化罐。在相同的消化率下，將會(huì)有30L沼氣產(chǎn)生，這些沼氣將產(chǎn)生180Wh的熱值。活性污泥階段需要被降解的有機(jī)物將從70g降至50g，也就意味著可以節(jié)省降解20%有機(jī)物所需要的曝氣耗電量。然而，消化污泥總量將從25g升至30g，意味著污泥處理的費(fèi)用將會(huì)增加，當(dāng)然從能量回收利用的角度分析，如果可以將污泥回用至農(nóng)田利用，那么污泥處理費(fèi)增加的問題也不再是什么缺陷。

圖9 傳統(tǒng)活性污泥工藝與厭氧氨氧化工藝中污泥和沼氣的產(chǎn)量分布比對(duì)

2、增加消化池的沼氣產(chǎn)量：

一般情況下，消化池的消化率是50%左右。在污泥進(jìn)入消化罐以前，可以通過對(duì)污泥進(jìn)行破碎，來提高污泥消化率。

破碎污泥有以下四種方法：——熱處理;

——利用超聲波、碾磨以及均質(zhì)器進(jìn)行機(jī)械粉碎;

——利用酸、臭氧以及過氧化氫進(jìn)行化學(xué)處理;

——用生物酶進(jìn)行生物分解;

以上這些方法都是生物降解之前的預(yù)處理方法，預(yù)處理的目的是通過對(duì)污泥固體進(jìn)行破碎而將污泥及有機(jī)物中的細(xì)胞成分釋放出來，這樣會(huì)使得消化速度和消化率都有所提高。熱處理和機(jī)械粉碎都會(huì)耗能，所以能量平衡將會(huì)是負(fù)值?；瘜W(xué)處理和利用生物酶的生物處理相對(duì)要好一些，研究發(fā)現(xiàn)只需要使用很少劑量的生物酶就可以將污泥降解率提高10~15%。

3、增加電能產(chǎn)率：

內(nèi)燃機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃料電池都可以利用沼氣進(jìn)行發(fā)電。在大多數(shù)工程實(shí)例中，改良后的柴油機(jī)使用效率大概是30%左右，而新型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率可以達(dá)到40%，并且該發(fā)電機(jī)可以適用于不同處理規(guī)模的水廠。對(duì)于人口當(dāng)量大于1000000的大水廠而言，效率可達(dá)40%的蒸汽渦輪機(jī)是一個(gè)比較合適的選擇。微型燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)能相對(duì)低一點(diǎn)，最大產(chǎn)能為300KW，并且效率也略低，只有30%，但是它的優(yōu)點(diǎn)是可以使用未經(jīng)處理的沼氣以及甲烷含量較低的沼氣作為原料。燃料電池的產(chǎn)能效率高達(dá)50%以上，但是其費(fèi)用也是最高的。

產(chǎn)電和耗電的平衡：

一臺(tái)效率為30%的新型內(nèi)燃機(jī)以每天25L沼氣為原料，可以產(chǎn)能50 Wh/PE×d。如之前所述，一個(gè)污水廠每天的電能消耗是100Wh，所以沼氣利用將可以節(jié)省50%的電能。

如果對(duì)傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝進(jìn)行優(yōu)化，水廠的單日耗電量可以降低至60 Wh/PE×d(方法如前所述)，同時(shí)，通過對(duì)污泥消化過程的優(yōu)化以及高效發(fā)電機(jī)或者渦輪機(jī)的使用，可以使水廠的單日產(chǎn)電量達(dá)到60 Wh/PE×d，這就意味著水廠的產(chǎn)能與耗能可以達(dá)到平衡狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)100%能量自給。

如果可以用其他工藝替代傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝，那么將會(huì)有更多的污泥用來產(chǎn)生沼氣，其產(chǎn)能甚至可以達(dá)到80Wh/PE×d，也就是說污水廠將徹底由耗能大戶轉(zhuǎn)換為產(chǎn)能大戶。

來源： 中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究