德国污水处理面临的新挑战及应对措施

中宜环科环保产业研究 2021-09-23 15:20:05
德国污水处理面临的
新挑战及应对措施     下篇
The new challenges and countermeasures in the
wastewater treatment industry in Germany - III
| Michael | Sturm,Prof,Dr                                  张婧怡

编者按

德国的污水处理目前仍以去除有机物和营养物为主要目的。自 21 世纪始,如何高效并可持续利用资源与能源,如何减少温室气体排放、减缓全球变暖等 问题变得越来越重要。随着大环境格局的日益变化,污水处理也将面临着亟待 解决以往问题和适应未来发展的迫切需求。德国的污水处理正在迎来新的挑战。 前两篇文章分别介绍了德国的概况及污水处理历程、现状,如何节能降耗、增加产能等,本文将在此基础上,继续探讨德国在面临新挑战时,如何更好地去除污染物以及进行磷回收等。


磷回收

磷元素是污水中最重要的营养物。地球上的磷矿资源非 常有限并且不可再生。到本世纪末,磷矿即将被消耗殆尽。 所以,如何利用“二手”磷将变得更为重要,而污水中恰好还有大量的磷元素。 在没有除磷工艺的活性污泥法中,大约 40% 的磷元素保留在污泥中,60% 将随出水排走。如果通过化学法或者 生物法对污水进行除磷,将有 90% 的磷元素被储存在污泥 中。如果污泥经处理后用于农业,污泥中的磷元素将是很 好的肥料。


但是实际上农业应用具有非常严格的限制要求,因为 污泥中会含有重金属与其他有机物。磷可以从以下物质中 被提取:
——出水
——消化污泥
——污泥回流液
——脱水污泥

——污泥焚烧后的灰分


表 4 阐述了以上四种物质中可回收的磷的浓度和回收 率。如果污水处理工艺没有生物或者化学除磷环节,出水 中磷的回收率将高达 55%,只有采用了生物或者化学除磷 工艺,才会在污泥或者污泥回流液中得到较高的磷回收率。
在过去的十年里,德国进行了大量关于磷回收的研究。
然而,要想从污水中去除磷,就必须对所有的污水进行处理, 这也就是为什么迄今为止这项技术还没有得到广泛应用。 相比之下,污泥、污泥回流液的体量就会小很多,而污泥 灰分的体量是最小的。这也就是为什么有这么多研究都将 重点放在了污泥以及污泥灰分上,因为它们是技术可行性 最高的。

从污泥中回收磷
由于费用高昂的原因,在德国,截止到 2011 年只有 吉夫霍恩有一座污水处理厂采用了较大规模的磷回收工艺。 该水厂的处理能力是 50000PE。在吉夫霍恩,“Seaborne Process”被用来进行消化污泥处理,这个技术分为三个 步骤:
——酸浸泡;
——去除重金属;
——沉淀。

在酸浸泡阶段,消化污泥与 H2SO4  相混合,用以降低 pH。此时,重金属和磷酸盐就会被溶解。在此过程中,可 以加入氧化剂。两小时以后,离心机就可以将非溶解态物 质分离出来。


被分离出的含有溶解态磷酸盐、氮和重金属的液相将 进入重金属去除阶段。这个过程中,需加入 Na2S,重金属 便会以硫化物的形式沉淀析出。
接下来并且是最重要的步骤,就是加入氢氧化镁,沉淀的磷酸盐将形成鸟粪石,鸟粪石是一种非常好的肥料。鸟粪石或者硫酸铵镁 (MgNH4PO4×6H2O) 中的 Mg2+, NH4+和 PO4 3- 的含量比例是 1:1:1,它也被称作 MAP,形成过程见以下方程式:
HPO42- + NH 4 +  + Mg 2 + + OH - + 6H 2 O →MgNH 4 PO 4 ×6H2O


         在吉夫霍恩,该水厂的总投资是 700 万欧元,而平时的产出大约是 1.3 吨的 N- P 肥料。至今为止,其成本投入 仍然是回报资金的好几倍。


从污泥灰分中回收磷


只有当污泥只经过焚烧一道工序时,磷回收才会有一 定的意义。否则的话,磷的含量会非常低。在德国,大约 有 20% 的污泥将会被用来单独焚烧,焚烧会将污水中的磷 浓缩并转移至污泥灰分中。污泥灰分会分解为有机物,包括一些潜在的毒性有机物。因此,灰分中的磷不再适宜用于植被肥料等。 污泥灰分包括大约 17% 的 P2O5。根 据原水性质不同,污泥灰分将有可能 含有不同的重金属。这也就是为什么 灰分在用于农业生产之前必须经过适 当处理的原因。


迄今为 止,德国只有一座小规 模污水处理试验厂在实验此技 术, 这 座 水 厂 属 于 欧 盟 SUSAN  工 程(Sustainable and Safe  Re-Use of Municipal Sewage  Sludge for Nutrient Recovery)。此技术是将污 泥灰分与含氯物质(e.g., MgCl2)掺 混在一起,放入炉中加热至 850C℃ -1000℃。此时,挥发性重金属氯化物 将会以气态形式挥发至大气,同时, 新的矿物质将会形成,并且磷的生物 利用率将会增加。

微污染物去除

越来越多的有机微污染物在河流、 湖泊,甚至地下水中,都已经被检出, 这些微污染物包括农药残留、激素等。 污水处理厂的出水中含有这些物质, 是因为现在的污水厂工艺中,都还没 有涉及处理此类物质的去除工艺。即便如此,现在的污水处理厂通过性污泥的吸附以及生物降解或者生物转移作用,也能去除相当一部分的微污 染物。然而,残留的污染物包括农药、 激素及其他有机微污染物,虽然浓度 不高,但也有可能引发水生态系统的 问题,甚至影响到供水系统。


在原水中,这些微污染物的浓度 可达几百 ug/L,在处理后的出水中, 其浓度为 10ug/L-100ug/L。目前,还 没有一部法律法规对出水中农药残留 物的浓度有明确的规定。


降低地表水中有机微污染物含量的方法之一是在污水处理厂整体工艺中加入处理微污染物的技术与工艺,这些 技术包括:
——臭氧氧化
——活性炭吸附

——膜过; 

正常情况下,这些工艺应当放在污水厂整体工艺流程的最末端,比如,置 于二沉池之后。


臭氧氧化:臭氧是一种强氧化剂, 许多有机物都可以被臭氧氧化。但是, 使用臭氧的一个问题是有机物有时不能 被臭氧完全矿化,而只是发生了一些形 态转化,结果是有可能产生更为有害的 物质。


活性炭吸附:活性炭具有巨大的内 表面积(1000 m2/g),并且可以吸附 大量的溶解态物质。活性炭吸附对于去 除微污染物而言,是一种非常行之有效 的方法,对于大部分微污染物,活性炭 吸附去除比例甚至可以高达 80% 以上。 在工艺 上,活性炭可以以粉末的形式投加到水 中(颗粒直径是10um~15um),或者单独设置一个填充有颗粒活性炭的活性炭柱(颗粒直径是 1mm~3mm)。 如果采用投加粉末活性炭的方式,在整体工艺末端要将粉末活性炭与水 体进行分离。分离的方法可以通过沉 淀(辅以絮凝)、砂滤或者膜过滤, 其中膜过滤需要更多的能量消耗。使 用过的活性炭需要被焚烧,吸附在其 上的有机物将被完全矿化。如果采用 的颗粒活性炭柱的方式,污水在进入 活性炭柱之前必须进行充分的预处理, 尤其是悬浮颗粒和铁必须被完全去除。 活性炭柱里的颗粒活性炭可以再生并 重复使用。


膜过滤:纳滤和反渗透膜对于去 除药物残留都非常有效。操作压力在5bars~40bars 时,就可以从废水中提 纯出纯水。在生物处理之后,出水通常 要进行预过滤(微滤)以防污染。膜元 件需要进行化学清洗。产水 / 废水的比 例通常在 75%~80% 之间。也就是说, 将有 20%~25% 的含有残留物的水需要 进行进一步的处理。由于操作压力较高, 能耗基本在 1kWh/m3  ~2 kWh/m3。

由于以上的这些问题,膜过滤还不太适宜大规模使用。膜元件也可以在MBR中使用,MBR 可以替代传统活性污泥法中的曝气反应池和二沉池。通常情况下,超滤膜的工作压力是 1bar 以下。为了防止膜污染,必须采用更高压力的空气流对膜进行“冲 洗”,这也就是为什么膜过滤的能耗会高达 1 KWh/m3 的原因。在这种工艺中,药物残留的去除率会高于传统 工艺的污水处理厂,但是并没有高很多。


通过以上附加的工艺段,水中的微污染物可以得到一定程度的削减, 但是不能完全消除。只有找到产生这 些微污染物的化学品的替代品或者减 少对这些化学品的消耗才是彻底解决 问题的方法。
结语
我们可以通过工艺的优化来降 低能量消耗。比如优化曝气、水泵等。 能量产生同样可以通过工艺优化得 以提升,如污泥厌氧消化以及热电 联产等。通过以上这些方法,污水 处理厂完全可以实现能量自给。
如果脱氮采用厌氧氨氧化工艺, 将会节省更多的能量。如果将厌氧 氨氧化工艺应用在主流污水处理工 艺中,用其取代传统厌氧消化脱氮 工艺,将会产生更多的可挥发性悬 浮固体,从而增加厌氧污泥消化罐 的产能,即产生更多的沼气。
减少二氧化碳等温室气体的排 放可以通过优化能量平衡来得以实 现。在活性污泥工艺中,温室气体 甲烷并不是最主要的。关于 N2O 的 排放问题只有少量数据可供参考,应当加强对该领域的研究。
关 于 磷 回 收 方 面, 截 止 到2011 年 只 有 德 国 的 吉 夫 霍 恩 有 较 大的工程案 例,它采用的是改良 Seaborne  Process 工 艺 来 处 理 消 化污泥。德国的一个小型污水试验 场在进行从污泥灰分中分离磷元素 的试验。从污水中可以回收大量的 磷元素,但是其成本也要高出回报 好几倍。
可以采取其他污水处理工艺来 去除水体中的微污染物,但是只能 削减,不能根除。只有找到产生这 些微污染物的化学品的替代品或者 减少对这些化学品的消耗才是彻底 解决问题的方法。
今天的德国依然走在解决污水 处理新问题与新挑战的路上。


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