德国污水处理面临的新挑战及应对措施——降耗增产篇

由于地球上燃料资源的日益消耗殆尽以及温室气体排放带来的影响，污水处理厂如何降低能源消耗变得越来越重要。德国已经决定在未来十年内，关闭所有的核能工厂，这也将意味着德国要面对能耗更加紧缺的局面。德国所有的污水处理厂每年消耗4400GWh的电能，平均每个污水厂每年消耗电能35KWh/PE×y，即每天100Wh/PE×d。

在一个改良活性污泥工艺的污水处理厂内，电能消耗如表3所示：

为了降低能源消耗，污水处理厂内所有的耗能环节都需要进行改良优化。对于耗能大户“曝气系统”而言，大部分污水厂采用的都是鼓风曝气，空气直接压送至曝气池内的曝气头，因此鼓风机是整个水厂里最大的耗能设备。为了减少能源消耗，污水厂应当采用高效能的鼓风机和氧利用率高的曝气头。同时，还应采取“智能化曝气过程控制”。针对水泵、搅拌机这类相对较小的耗能环节，通过设备改进与优化，可使污水厂每年减少20KWh/PE×y的电能消耗。

另外，厌氧氨氧化工艺可以为水厂节省更多的能源。1990年左右，专门针对处理高氨氮废水提出了厌氧氨氧化工艺，该工艺也被称为部分亚硝化工艺与厌氧氨氧化工艺的结合。该工艺包括以下两个步骤：

(1)部分亚硝化反应，大约有50%的氨氮被氧化为亚硝酸盐。NH4+ + 1.5 O2 → NO2– + H2O + 2 H+

(2)厌氧氨氧化反应，在厌氧氨氧化菌的作用下，第一环节中未参与反应的50%的氨氮和第一环节中产生的亚硝酸盐直接被氧化生成N2。NH4+ + NO2– → N2 + 2 H2O

跟传统硝化/反硝化脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺中脱氮过程对氧的需求量可以减少50%，整体工艺对氧的需求量可以减少10%。目前该工艺仅被用作处理几百ppm的高氨氮废水。

10年以前，在德国的Hattingen建造了第一座采用厌氧氨氧化工艺的污水处理厂，该厂的消化污泥脱水液采用厌氧氨氧化工艺进行处理，并成功得以应用。但是直到今天，相比处理消化污泥脱水液而言，由于污水本身的氨氮含量较低，所以厌氧氨氧化工艺一直没有得到直接处理污水的主流应用。如果主流应用可以实现，传统工艺中反硝化过程需要额外补充碳源的问题将被彻底解决。同时，传统工艺中反硝化反应是异养反应，要想维持异养反应的正常运行，BOD/N不能低于4，正因为如此，预处理工艺中挥发性悬浮固体(VSS)的去除率就受到了一定限制，大约只有50%的VSS可以被去除。如果不是因为这个局限，预处理工艺可以就去除更多的有机物，这样以来，消化污泥脱水液中的有机物含量就会越高，也意味着产生的可利用沼气就越多。另外，还有一个关键问题依然处在研究阶段：部分亚硝化工艺需要在低氧浓度条件下进行，以避免氧浓度较高发生全程硝化，全程硝化会产生大量硝酸盐，但是在这种条件下，如果控制不好，氧浓度过低，又会产生反硝化脱氮，直接导致N2O大量产生，而N2O本身也是一种温室气体，所以如何稳定控制低氧浓度依然是个关键问题。

如何增加产能

废水中含有两种能源：有机物和氨氮。在厌氧条件下，有机物可以被降解形成沼气、二氧化碳和氨等终极产物，其中沼气则可以用来发电、产热。污水处理过程去除污染物的同时，也意味着将这两种能源去除掉，并且曝气和硝化过程还需要消耗大量的能量，比如耗电。

相比好氧反应而言，厌氧反应耗能更少而产能更多。但是迄今为止，仍然没有主流厌氧工艺进行污水脱氮的技术实例。这就是为什么好氧工艺在污水处理厂中依然处于主导位置，而目前也只有预处理和二沉池的污泥可以被用来产生沼气和发电。

以下增加电能产量的方法可以供参考：——增加污泥产量，尤其是有机污泥产量;

——增加消化池的沼气产量;

——增加电能的产率。

1、增加污泥产量

图9展示了传统硝化/反硝化活性污泥工艺中沼气的产生过程。进水中总挥发固体TVS含量为90g/PE，其中40g是挥发性悬浮固体(VSS)，50g是挥发性溶解固体(VDS)。为了保证反硝化过程有足够的有机物，预处理工艺中初沉池的停留时间只有0.5~1小时，在这个工况下，大约有20g的TVS将会被沉淀并作为初沉污泥排至消化池，而剩余的70gTVS将会送往活性污泥反应器。假设70gTVS中有50%将被矿化，而剩余50%将留在水中，被矿化的TVS中包括30g的VSS和5g的VDS。在二级生物反应器中，30g的VSS经过3小时的沉淀将全部得以去除，并作为二沉污泥送往中温厌氧消化罐。这样一来，消化罐将接收50gVSS，其中20g来自初沉污泥，30g来自二沉污泥。消化罐的反应时间设置为20~30天，消化率大约为50%。25g有机物将产生25L沼气，而其中甲烷含量是60%左右，也就是说甲烷产量是15L。15L甲烷将产生150Wh的热值。

图9 传统活性污泥工艺与厌氧氨氧化工艺中污泥和沼气的产量分布比对

如果用厌氧氨氧化工艺替代传统的硝化/反硝化工艺来脱氮，就不存在反硝化过程对有机物的最低需求，那么初沉污泥中有机物含量将会更多，也就会产生更多的沼气。如果初沉阶段加以絮凝工艺并适当延长停留时间，基本上所有的悬浮固体在此阶段都将被去除，储存在初沉污泥中。这个过程在图9中用绿色路线表示。工艺替代之后，将会有60g的VSS产生(其中40g来自初沉污泥，20g来自二沉污泥)并送往消化罐。在相同的消化率下，将会有30L沼气产生，这些沼气将产生180Wh的热值。活性污泥阶段需要被降解的有机物将从70g降至50g，也就意味着可以节省降解20%有机物所需要的曝气耗电量。然而，消化污泥总量将从25g升至30g，意味着污泥处理的费用将会增加，当然从能量回收利用的角度分析，如果可以将污泥回用至农田利用，那么污泥处理费增加的问题也不再是什么缺陷。

2、增加消化池的沼气产量：

一般情况下，消化池的消化率是50%左右。在污泥进入消化罐以前，可以通过对污泥进行破碎，来提高污泥消化率。

破碎污泥有以下四种方法：——热处理;

——利用超声波、碾磨以及均质器进行机械粉碎;

——利用酸、臭氧以及过氧化氢进行化学处理;

——用生物酶进行生物分解;

以上这些方法都是生物降解之前的预处理方法，预处理的目的是通过对污泥固体进行破碎而将污泥及有机物中的细胞成分释放出来，这样会使得消化速度和消化率都有所提高。热处理和机械粉碎都会耗能，所以能量平衡将会是负值。化学处理和利用生物酶的生物处理相对要好一些，研究发现只需要使用很少剂量的生物酶就可以将污泥降解率提高10~15%。

3、增加电能产率：

内燃机、蒸汽涡轮机、微型燃气轮机以及燃料电池都可以利用沼气进行发电。在大多数工程实例中，改良后的柴油机使用效率大概是30%左右，而新型发动机的使用效率可以达到40%，并且该发电机可以适用于不同处理规模的水厂。对于人口当量大于1000000的大水厂而言，效率可达40%的蒸汽涡轮机是一个比较合适的选择。微型燃气轮机的产能相对低一点，最大产能为300KW，并且效率也略低，只有30%，但是它的优点是可以使用未经处理的沼气以及甲烷含量较低的沼气作为原料。燃料电池的产能效率高达50%以上，但是其费用也是最高的。

产电和耗电的平衡：

一台效率为30%的新型内燃机以每天25L沼气为原料，可以产能50 Wh/PE×d。如之前所述，一个污水厂每天的电能消耗是100Wh，所以沼气利用将可以节省50%的电能。

如果对传统硝化/反硝化工艺进行优化，水厂的单日耗电量可以降低至60 Wh/PE×d(方法如前所述)，同时，通过对污泥消化过程的优化以及高效发电机或者涡轮机的使用，可以使水厂的单日产电量达到60 Wh/PE×d，这就意味着水厂的产能与耗能可以达到平衡状态，即实现100%能量自给。

如果可以用其他工艺替代传统硝化/反硝化工艺，那么将会有更多的污泥用来产生沼气，其产能甚至可以达到80 Wh/PE×d，也就是说污水厂将彻底由耗能大户转换为产能大户。

编辑：任萌萌