目前國內(nèi)已建成4000多座大型市政污水處理廠，對這些污水處理廠如何提效改造進(jìn)行討論是十分必要的。借鑒德國先進(jìn)的污水處理經(jīng)驗，關(guān)注各種產(chǎn)能節(jié)能技術(shù)和資源回收技術(shù)，并進(jìn)行整合，力爭早日實現(xiàn)污水處理廠能源自給的目標(biāo)。
盡管市政污水處理廠的電耗只占整個聯(lián)邦德國的 1%，但對于當(dāng)?shù)卣畞碚f，卻約占整個能耗的 20%, 所以市政污水處理廠是各城市和小鎮(zhèn)內(nèi)最大耗能用戶，遠(yuǎn)高于中小學(xué)和醫(yī)院。同時，由于全球能耗費(fèi)用不斷上漲，為了降低 CO2排放量，當(dāng)?shù)卣畬κ姓鬯幚韽S也都提出了提高能耗效率的要求。
就市政污水處理廠的能耗效率提高而言，即使在德國目前還沒有明確定義標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段和衡量標(biāo)準(zhǔn)。但有一點是肯定的，所采用的節(jié)能措施必須是在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)實用和可操作實施的。
作為污水處理廠，應(yīng)在確保出水水質(zhì)的情況下，盡可能降低整體能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。既可以引入一些新型節(jié)能處理工藝，還可以系統(tǒng)研究和評估各個處理工段的節(jié)能措施，開發(fā)相應(yīng)的評估軟件和提供相應(yīng)的技術(shù)工具，使得整個污水處理廠獲得最佳節(jié)能效果。
從目前的發(fā)展情況來看，以下單一技術(shù)的發(fā)展趨勢十分明顯：
市政污泥的處置逐步趨向于干化焚燒
回收利用污水污泥中的營養(yǎng)物質(zhì) （N, P, 有時甚至是重金屬物質(zhì)）
為了提高出水水質(zhì)和截留微生物，不斷強(qiáng)化使用MBR技術(shù)
為了提高沼氣產(chǎn)量和降低污泥產(chǎn)量，整合使用污泥
熱水解技術(shù)
降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用或能耗
利用現(xiàn)存的消化塔處理能力，對生物垃圾進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵處理
但這些技術(shù)尚未在一個市政污水處理廠內(nèi)整合利用，并顯示明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本文試圖將上述發(fā)展融合成一個整體處理方案， 為已建市政污水處理廠的提效改造提供具體的實施措施和途徑。
1 提高能耗效率的途徑
圖 1 為某市政污水處理廠內(nèi)主要費(fèi)用的分?jǐn)偙壤Ｆ渲?31% 是市政污泥處理處置費(fèi)用。圖 2 舉例說明在一個示范污水處理廠內(nèi)（100000 人口當(dāng)量）電費(fèi)的分布情況。我們基本可以假定，在一般德國市政污水處理廠內(nèi)，這種費(fèi)用和電耗分布比例差異不會很大。
圖 1 德國模型市政污水廠內(nèi)的費(fèi)用分布和能耗分布情況 （100000 人口當(dāng)量）
從這張圖可以看出，為了降低市政污水處理廠的能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，可在以下三個方面進(jìn)行優(yōu)化處理：
1. 降低污泥產(chǎn)量2. 提高沼氣產(chǎn)量
3. 降低能耗
為了達(dá)到降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和能耗這一總體目標(biāo)，首先有必要先回顧一下在污水處理過程中的微生物工作原理：污水生物處理主要是由生物曝氣裝置（好氧污水處理） 和污泥厭氧消化塔（厭氧污泥處理）而大部分組成。
好氧處理需要大量電耗進(jìn)行充氧曝氣，而污泥厭氧消化過程則相反是一個產(chǎn)能過程，在厭氧發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量生物沼氣。因此，從能耗角度來看，厭氧生物處理總是優(yōu)于好氧生物處理。但這里必須指出，在進(jìn)行有機(jī)化合物的生物分解時，厭氧生物處理沒有好氧生物處理來得徹底完全。
綜上可知，從經(jīng)濟(jì)生態(tài)角度分析，市政污水處理廠只能通過以下措施才能提高能耗效率：
1. 提高熱電聯(lián)產(chǎn)能力
2. 節(jié)省電耗
2 提高能源效率的各種措施
在采用厭氧穩(wěn)定化工藝的市政污水處理廠內(nèi)，生物處理階段消耗大約50%~60%的電能， 而在采用好氧穩(wěn)定化工藝的市政污水處理廠內(nèi)，則生物處理階段所消耗的電能最高達(dá)到總電耗的 80%。出于這個原因，必須特別注意生化曝氣池的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
處于第二位的電耗設(shè)施就是污水廠內(nèi)的各種水泵和攪拌裝置。通過以下措施可以對這些設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理：
通過降低曝氣流量， 降低回流污泥流量， 攪拌器間隙運(yùn)轉(zhuǎn)等，在短時間內(nèi)完成優(yōu)化處理。
部分或整體調(diào)整機(jī)械設(shè)備和電控技術(shù)。采用較高效率的電機(jī)， 更新沼氣發(fā)電機(jī)， 優(yōu)化電控技術(shù)， 更新曝氣頭和管道來降低壓頭損失， 提高泵井內(nèi)液位，從而降低因為液位差而導(dǎo)致的水頭損失等。
改進(jìn)工藝處理技術(shù)： 更改曝氣池的工作方式， 強(qiáng)化和/或定向利用省能的處理工藝 （例如滴濾床工藝）等。
提高沼氣產(chǎn)量。縮短泥齡， 當(dāng)污水中含有高碳濃度時提高初沉池的停留時間， 提高污泥濃縮性能， 優(yōu)化消化塔的操作方式等。
采用新的處理工藝技術(shù)。ORC-裝置， 對污泥脫水液單獨(dú)進(jìn)行處理（全程自養(yǎng)脫氮）等。
為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)能力，必須設(shè)法增加厭氧消化塔的產(chǎn)沼效率和能力，同時采用沼氣發(fā)電機(jī)（BHKW） 進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。通過額外增加產(chǎn)電，理論上可以覆蓋市政污水處理廠內(nèi)所需要的大部分電耗，從而降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。
擴(kuò)大沼氣產(chǎn)量的前提條件是污水廠內(nèi)擁有足夠的污泥消化塔容積。在德國，多數(shù)市政污水處理廠都能滿足這一條件，這是因為大多數(shù)消化裝置的實際運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷低于設(shè)計運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。
提高沼氣產(chǎn)量的另一個措施是縮短污泥消化停留時間。因為自2015年開始，德國逐步限制市政污泥農(nóng)用，至2025年底基本要求所有市政污泥進(jìn)行干化焚燒和磷回收處理。在這一背景情況下，就提出這一個問題：如果消化后污泥不再農(nóng)用，是否還有必要對市政污泥進(jìn)行厭氧穩(wěn)定化處理 （一般來說消化時間是 25 ~30 d）。
一般來說，可以通過采取以下措施來提高消化塔的沼氣產(chǎn)量：
將協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)輸入污泥消化塔。只要后續(xù)污泥是焚燒處置， 則發(fā)酵裝置就可以接受各種類型的餐廚垃圾和其他可生物發(fā)酵物質(zhì)。
將非集中型高濃度污水直接輸入污泥消化塔（例如，來自食品工業(yè)的高濃度污水和非食用油脂）。
有時還將一些工業(yè)廢濃縮液直接輸入污泥消化塔內(nèi)。例如，有一個德國制藥廠原來將其蒸餾塔的冷凝液作為廢水輸入附近市政污水處理廠。因為主要成分是異丙醇（Isopropanol）， 雖然 COD 濃度高達(dá)約 200000 mg/L 但生物降解十分容易。所以現(xiàn)在將此濃縮液直接輸入污泥消化塔之內(nèi)，極大地提高了沼氣產(chǎn)量。
在直接向消化塔輸入濃縮液之后，不僅獲得能源，同時也降低了曝氣能耗。通過這一實例顯示，非集中型預(yù)處理措施和市政污水處理廠最終處理之間的協(xié)調(diào)十分重要，通過有效的厭氧消化處理，市政污水處理廠和制藥廠雙方都獲益。
采用市政污泥粉碎工藝 （細(xì)胞粉碎工藝， 例如熱水解或超聲波粉碎工藝）。在很多科研項目中已經(jīng)證實，市政污泥粉碎工藝可以提高沼氣產(chǎn)量。為了提高沼氣產(chǎn)量，在大型市政污水處理廠中，已經(jīng)采用各種形式的熱水解工藝對市政污泥進(jìn)行粉碎處理。各種研究結(jié)果顯示，市政污泥經(jīng)過熱水解處理之后沼氣產(chǎn)量提高最大可達(dá) 25% 。
3 降低污泥處理費(fèi)用的各種措施
污泥處理處置費(fèi)用一方面和污泥產(chǎn)量有關(guān)，另一方面和運(yùn)輸費(fèi)用有關(guān)。因為即使脫水處理之后， 脫水污泥中仍然含有 70% 以上的水分。為了降低污泥產(chǎn)量，還必須繼續(xù)采取以下措施：
對脫水過濾液進(jìn)行厭氧處理通過對離心液/脫水過濾液進(jìn)行厭氧處理，可以降低污水好氧曝氣處理過程中會產(chǎn)生剩余污泥產(chǎn)量。
采用污泥熱水解工藝研究顯示，通過采用污泥熱水解技術(shù)，被處置的污泥產(chǎn)量可以下降大約 9.4%。
采用膜分離技術(shù)進(jìn)行生物質(zhì)回收通過膜技術(shù)分離活性污泥，可將曝氣池內(nèi)的DS濃度維持在10~12 g/L 范圍，而采用傳統(tǒng)二沉池技術(shù)時污泥濃度只有 2.5~3.5 g/L。當(dāng)進(jìn)水濃度不變時，污泥處理負(fù)荷很低，因此剩余污泥產(chǎn)量會相應(yīng)降低。
對市政污泥進(jìn)行太陽能干化處理目前市場上已有許多污泥干化系統(tǒng)， 一般都需要采用很高能源，可在占地很小情況下和短時間內(nèi)將市政污泥干化至很高固含量。與此相反，太陽能污泥干化系統(tǒng)所需要的能耗極低， 基本上采用免費(fèi)太陽能進(jìn)行污泥干化處理。這些污泥被鋪設(shè)在干化場內(nèi)。
污泥干化場的外殼是封閉型透明暖房，用于防雨保溫。在通風(fēng)曝氣受到控制的情況下，污泥在干化場內(nèi)被連續(xù)不斷地拋翻處理。不管外部氣候如何，此時總可以利用環(huán)境空氣的干化潛能對市政污泥進(jìn)行干化處理。為了進(jìn)一步提高污泥干化能力，還可以額外在冬季輸入沼氣發(fā)電機(jī)（BHKW）所產(chǎn)生的廢熱。為了防止產(chǎn)生臭氣和提高干化效率，一般必須定期對污泥進(jìn)行全自動翻滾處理。一旦污泥達(dá)到所需要的干化程度， 這些污泥就可排出進(jìn)行相應(yīng)后處置。
太陽能污泥干化技術(shù)已經(jīng)在歐洲得到廣泛應(yīng)用，但一般用于小型市政污水廠內(nèi)，規(guī)模是在 1000 和 300000 人口當(dāng)量之間。舉例來說，在德國 Füssen 市政污水處理廠（70000 人口當(dāng)量） 內(nèi)，已經(jīng)采用含廢熱利用（BHKW） 的太陽能污泥干化裝置。
脫水污泥的固含量大約為 28%DS，被鋪設(shè)在污泥干化場 2000 m? （分成 4 塊干化場，每塊面積 10 x 50 m） 進(jìn)行干化處理，干化后污泥固含量可達(dá)到 75%~95%DS。
對于大型市政污水處理廠來說，則可以采用帶式污泥干化裝置和沼氣發(fā)電機(jī)（BHKW） 所產(chǎn)生的廢熱來進(jìn)行污泥干化處理。
4 污泥厭氧消化處理所產(chǎn)生的問題
在考慮進(jìn)行強(qiáng)化厭氧消化的同時，還必須考慮到市政污水處理廠整體運(yùn)轉(zhuǎn)時會帶來的優(yōu)點和缺點：通過投加協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)和濃縮液可以提高沼氣產(chǎn)量，但同時會大幅低提高發(fā)酵液內(nèi)的氨氮濃度，必須返回生物處理階段進(jìn)行處理。
一般情況下，采用污泥熱水解工藝之后消化液內(nèi)的NH4+濃度也會提高。根據(jù)不同的框架條件，消化液內(nèi)返送回生物處理階段的總體氨氮負(fù)荷會提高 10%~25%。因此，有必要在此返送支流上進(jìn)行脫氨處理。在實際工程上已經(jīng)采用的技術(shù)是：
氨吹脫 （蒸汽或空氣）
MAP-沉淀
催化氧化
如果脫水液采用蒸汽進(jìn)行吹脫處理， 在后續(xù)的冷凝液內(nèi)可以獲得氨水， 可以作為肥料或者在焚燒裝置內(nèi)用于降低 NOx 濃度。當(dāng)采用空氣進(jìn)行氨氮吹脫時，則產(chǎn)生的氨氣被吸附在酸液內(nèi) （（H2SO4或者 HNO3）。在圖 3內(nèi)顯示了德國Straubing 市政污水處理廠的氨吹脫裝置。
圖 3 德國 Straubing 市政污水處理廠的氨吹脫 / 酸洗裝置
所產(chǎn)生的硫酸銨溶液可用于各種工業(yè)領(lǐng)域（皮革工業(yè)、木材加工業(yè)、農(nóng)業(yè)）。在進(jìn)行 MAP-沉淀反應(yīng)時，氨氮和磷與鎂離子進(jìn)行沉淀反應(yīng)。上述各種工藝的應(yīng)用情況在很大程度上與產(chǎn)品的銷售渠道和市場有很大關(guān)系。
與其他產(chǎn)生氨氮化合物的處理工藝不同，催化氧化只是消滅氨氮，不會產(chǎn)生剩余物質(zhì)。在進(jìn)行催化氧化反應(yīng)時，過濾液內(nèi)的氨氮首先通過吹脫被轉(zhuǎn)化成氨氣。然后這些含有氨氮的吹脫氣體被預(yù)加熱，在大約400°C時在催化劑作用下按以下方程進(jìn)行反應(yīng)，被氧化成氮?dú)夂退?/p>
2 NH3 + 1.5 O2→ N2 + 3 H2O+ 能量
通過輸入空氣提供氧化時所需要的氧氣。在冷卻之后，水蒸氣和氮?dú)庾鳛閺U氣被排出裝置， 此時完全可以達(dá)到德國 TA Luft 的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。被排出的廢氣流量相當(dāng)于輸入的新鮮空氣質(zhì)流量。而留在系統(tǒng)內(nèi)的支流是進(jìn)入吹脫塔作為吹脫氣體循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 4 顯示了這一處理裝置的工藝流程。
圖 4 催化氧化裝置的工藝流程
當(dāng)氨氮濃度很高情況下，氧化反應(yīng)時會釋放能量，因此裝置會自熱運(yùn)轉(zhuǎn)， 只是在裝置啟動時需要外熱，將裝置提高至所需要的操作溫度。當(dāng)氨氮濃度較低的情況下，則所釋放能量不能維持操作溫度， 此時必須進(jìn)行輔助加熱。這個過程也就意味著將提高運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。
在進(jìn)行支流氨氮回收的同時，還應(yīng)該在此同時討論磷回收問題。因為在德國污泥農(nóng)用受到愈來愈嚴(yán)格的限制， 市政污泥內(nèi)磷肥循環(huán)利用也將變得困難。作為平衡，只能在農(nóng)田內(nèi)采用磷化肥物質(zhì)。與氮肥不同，1913年德國科學(xué)家Haber 和 Bosch 發(fā)現(xiàn)氨氮合成技術(shù)之后，可以毫無限制地大量生產(chǎn)氮肥。但磷肥來自磷礦石，目前全球的磷礦儲存量十分有限，價格不斷上漲。因此，目前許多歐洲國家要求采用技術(shù)措施，從市政污水或市政污泥中抽提磷肥物質(zhì)。
在德國，目前已有不少大型和中試磷回收裝置投入運(yùn)轉(zhuǎn)并獲得初步結(jié)果。所采用的處理工藝主要是和污水廠內(nèi)的除磷方式， 即磷在市政污泥內(nèi)的結(jié)合形式有關(guān)。
就市政污水處理廠內(nèi)的污水和污泥處理過程來看，有很多地點可以整合安裝磷回收裝置，至少理論上可在以下6種物質(zhì)流內(nèi)進(jìn)行磷回收（圖 5）：
1. 市政污水廠出水
2. 回流污泥
3. 污泥脫水液
4. 消化污泥
5. 脫水污泥
6. 污泥灰燼
圖 5 P-回收裝置的安裝地點
但如果考慮到磷回收工藝的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)可實施性能，目前都是在鳥糞石（MAP）沉淀工藝在消化污泥或污泥脫水液水中進(jìn)行磷回收。其中在歐美國家應(yīng)用最為廣泛的磷回收工藝是在德國柏林開發(fā)的AirPrex? 處理工藝，可在消化后污泥液中直接抽提鳥糞石（MAP）。
通過采用AirPrex? 處理工藝，可對消化污泥進(jìn)行定向磷沉淀處理并可為整套污泥處理系統(tǒng)帶來以下益處：
明顯提高污泥機(jī)械性脫水性能： 降低絮凝劑消耗量和明顯提高脫水污泥的固含量
在污泥處理工段內(nèi)不再產(chǎn)生鳥糞石沉淀結(jié)晶現(xiàn)象
進(jìn)入生化系統(tǒng)的磷返回負(fù)荷降低大約 80%~90%
回收利用 MAP-肥料
6 總結(jié)
在一個污水廠內(nèi)可能應(yīng)用的各種產(chǎn)能節(jié)能技術(shù)和資源回收技術(shù)都列在圖 6 ，并作為整體方案顯示列出。此處理方案的核心部件是通過協(xié)同發(fā)酵高濃度污水和生物垃圾來提高厭氧消化塔的產(chǎn)沼能力。此外為了進(jìn)一步提高產(chǎn)沼能力，還可以采用污泥熱水解技術(shù)。
因為今后所產(chǎn)生的市政污泥都將被焚燒處置，沒有必要進(jìn)行污泥穩(wěn)定化和消毒處理，因此所需要的污泥消化時間必須重新討論定義。例如，對于油脂物質(zhì)來說，只需要幾個小時就能完成產(chǎn)沼過程，對于經(jīng)過熱水解處理的污泥來說，最長污泥消化時間可設(shè)置在 10d。如果污泥事先通過熱水解處理之后，則污泥消化時間可以進(jìn)一步縮短。
圖 6 市政污水處理廠的可能模式結(jié)構(gòu)
隨著厭氧消化能力的提高，消化污泥中的氮磷濃度也不斷上升。因此，有可能對這些營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地抽提回收。其中AIRPREX磷回收技術(shù)已經(jīng)被證實具有實用經(jīng)濟(jì)價值，并已在歐美國家獲得廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
本文所提及的各種技術(shù)在許多專業(yè)文獻(xiàn)都已被介紹，并在市政污水處理廠獲得工程應(yīng)用。在此只是設(shè)法將各種技術(shù)進(jìn)行整合， 并形成整體處理方案。通過這一整體處理方案， 還希望可以就今后制定規(guī)范或法律時進(jìn)行問題討論， 例如：
1.根據(jù)市政污泥的后處置情況，如何確定所需要的污泥消化停留時間？
2.市政污水處理廠規(guī)模達(dá)到一定規(guī)模之后（例如 30000 人口當(dāng)量）， 是否必須標(biāo)準(zhǔn)安裝配置污泥消化塔和熱電聯(lián)產(chǎn)裝置（BHKW）？
3.只要后續(xù)污泥處置是焚燒，則應(yīng)該允許生物餐廚垃圾和其他可發(fā)酵垃圾都進(jìn)入污泥消化塔進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵。
4.要求污泥減量化作為污泥處理的基本處理要求（例如，可以通過污泥熱水解，超聲波粉碎處理，太陽能污泥干化等技術(shù)進(jìn)行污泥減量）
5. 引入能耗特征參數(shù)， 例如 KWh/m3 或者 KWh/COD可分解。
德國環(huán)保聯(lián)邦局（UBA） 2008年發(fā)表的報告 “提高市政污水處理廠的能耗效率（Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kl?ranlagen）”內(nèi)指出，根據(jù)目前的技術(shù)水平，德國市政污水處理廠通過以下基本思路來挖掘優(yōu)化潛能是合理的：
通過操作運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化可以節(jié)省30% 電耗
通過協(xié)同發(fā)酵和污泥熱水解等措施可以提高90% 沼氣產(chǎn)電能力
投資回報時間短
因此相對于電能和熱能來說，能源自給污水處理廠理論上是可以實現(xiàn)的。在輸入外來基質(zhì)進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵情況下，甚至還可以出現(xiàn)產(chǎn)電剩余的情況。
總之，只要強(qiáng)化市政污水處理廠內(nèi)的消化塔的功能，通過熱電聯(lián)產(chǎn)來覆蓋污水處理所需要的電耗和污泥干化所需要的熱能需要，則污水處理廠的能源自給就不是幻想，而是我們這一代工程師可以實現(xiàn)的理想。
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