目前國(guó)內(nèi)已建成4000多座大型市政污水處理廠，對(duì)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(guó)先進(jìn)的污水處理經(jīng)驗(yàn)，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(zhēng)早日實(shí)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(gè)聯(lián)邦德國(guó)的 1%，但對(duì)于當(dāng)?shù)卣畞碚f，卻約占整個(gè)能耗的 20%, 所以市政污水處理廠是各城市和小鎮(zhèn)內(nèi)zui大耗能用戶，遠(yuǎn)高于中小學(xué)和醫(yī)院。同時(shí)，由于能耗費(fèi)用不斷上漲，為了降低 CO2排放量，當(dāng)?shù)卣畬?duì)市政污水處理廠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(guó)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(diǎn)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(shí)用和可操作實(shí)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(píng)估各個(gè)處理工段的節(jié)能措施，開發(fā)相應(yīng)的評(píng)估軟件和提供相應(yīng)的技術(shù)工具，使得整個(gè)污水處理廠獲得*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(shì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì) (N, P, 有時(shí)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(duì)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(gè)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(gè)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(shí)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?。其?31% 是市政污泥處理處置費(fèi)用。圖 2 舉例說明在一個(gè)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(guó)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(huì)很大。

圖 1 德國(guó)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(gè)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(gè)產(chǎn)能過程，在厭氧發(fā)酵過程中會(huì)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(shí)，厭氧生物處理沒有好氧生物處理來得**。

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zui高達(dá)到總電耗的 80%。出于這個(gè)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(duì)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(shí)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?yàn)橐何徊疃鴮?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?？s短泥齡, 當(dāng)污水中含有高碳濃度時(shí)提高初沉池的停留時(shí)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(duì)污泥脫水液?jiǎn)为?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(shí)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(guó)，多數(shù)市政污水處理廠都能滿足這一條件，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)消化裝置的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷低于設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。

提高沼氣產(chǎn)量的另一個(gè)措施是縮短污泥消化停留時(shí)間。因?yàn)樽?015年開始，德國(guó)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(gè)問題：如果消化后污泥不再農(nóng)用，是否還有必要對(duì)市政污泥進(jìn)行厭氧穩(wěn)定化處理 (一般來說消化時(shí)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(shí)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(gè)德國(guó)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?yàn)橹饕煞质钱惐?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(shí)也降低了曝氣能耗。通過這一實(shí)例顯示，非集中型預(yù)處理措施和市政污水處理廠zui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(xiàng)目中已經(jīng)證實(shí)，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(duì)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zui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?yàn)榧词姑撍幚碇? 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(duì)脫水過濾液進(jìn)行厭氧處理通過對(duì)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(huì)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(shí)污泥濃度只有 2.5~3.5 g/L。當(dāng)進(jìn)水濃度不變時(shí)，污泥處理負(fù)荷很低，因此剩余污泥產(chǎn)量會(huì)相應(yīng)降低。

對(duì)市政污泥進(jìn)行太陽能干化處理目前市場(chǎng)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(shí)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(chǎng)內(nèi)。

污泥干化場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)被連續(xù)不斷地拋翻處理。不管外部氣候如何，此時(shí)總可以利用環(huán)境空氣的干化潛能對(duì)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(duì)污泥進(jìn)行全自動(dòng)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(guó) 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(chǎng) 2000 m² (分成 4 塊干化場(chǎng)，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(duì)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(shí)，還必須考慮到市政污水處理廠整體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶來的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：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(shí)會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)，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(guó)Straubing 市政污水處理廠的氨吹脫裝置。

圖 3 德國(guó) 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(shí)，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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生剩余物質(zhì)。在進(jìn)行催化氧化反應(yīng)時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)*可以達(dá)到德國(guó) 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(shí)會(huì)釋放能量，因此裝置會(huì)自熱運(yùn)轉(zhuǎn), 只是在裝置啟動(dòng)時(shí)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(shí)必須進(jìn)行輔助加熱。這個(gè)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(shí)，還應(yīng)該在此同時(shí)討論磷回收問題。因?yàn)樵诘聡?guó)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(guó)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，目前的磷礦儲(chǔ)存量十分有限，價(jià)格不斷上漲。因此，目前許多歐洲國(guó)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(guó)，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(diǎn)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(diǎn)

但如果考慮到磷回收工藝的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)可實(shí)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(guó)家應(yīng)用的磷回收工藝是在德國(guó)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(duì)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(gè)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?yàn)榻窈笏a(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(shí)間必須重新討論定義。例如，對(duì)于油脂物質(zhì)來說，只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成產(chǎn)沼過程，對(duì)于經(jīng)過熱水解處理的污泥來說，zui長(zhǎng)污泥消化時(shí)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(shí)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(duì)這些營(yíng)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(shí)具有實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并已在歐美國(guó)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(shí)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(shí)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(guó)環(huán)保聯(lián)邦局(UBA) 2008年發(fā)表的報(bào)告 “提高市政污水處理廠的能耗效率(Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen)”內(nèi)指出，根據(jù)目前的技術(shù)水平，德國(guó)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

時(shí)間短

因此相對(duì)于電能和熱能來說，能源自給污水處理廠理論上是可以實(shí)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(shí)現(xiàn)的理想。