德國污水處理應(yīng)如何更好地去除污染物以及進(jìn)行磷回收？
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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新的挑戰(zhàn)。本文將探討德國在面臨新挑戰(zhàn)時(shí)，如何更好地去除污染物以及進(jìn)行磷回收等。
磷回收
磷元素是污水中最重要的營養(yǎng)物。地球上的磷礦資源非常有限并且不可再生。到本世紀(jì)末，磷礦即將被消耗殆盡。所以，如何利用“二手”磷將變得更為重要，而污水中恰好還有大量的磷元素。在沒有除磷工藝的活性污泥法中，大約40%的磷元素保留在污泥中，60%將隨出水排走。如果通過化學(xué)法或者生物法對(duì)污水進(jìn)行除磷，將有90%的磷元素被儲(chǔ)存在污泥中。如果污泥經(jīng)處理后用于農(nóng)業(yè)，污泥中的磷元素將是很好的肥料。
但是實(shí)際上農(nóng)業(yè)應(yīng)用具有非常嚴(yán)格的限制要求，因?yàn)槲勰嘀袝?huì)含有重金屬與其他有機(jī)物。磷可以從以下物質(zhì)中被提�。�——出水；——消化污泥；——污泥回流液；——脫水污泥；——污泥焚燒后的灰分。
表4闡述了以上四種物質(zhì)中可回收的磷的濃度和回收率。如果污水處理工藝沒有生物或者化學(xué)除磷環(huán)節(jié)，出水中磷的回收率將高達(dá)55%，只有采用了生物或者化學(xué)除磷工藝，才會(huì)在污泥或者污泥回流液中得到較高的磷回收率。在過去的十年里，德國進(jìn)行了大量關(guān)于磷回收的研究。然而，要想從污水中去除磷，就必須對(duì)所有的污水進(jìn)行處理，這也就是為什么迄今為止這項(xiàng)技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用。相比之下，污泥、污泥回流液的體量就會(huì)小很多，而污泥灰分的體量是最小的。這也就是為什么有這么多研究都將重點(diǎn)放在了污泥以及污泥灰分上，因?yàn)樗鼈兪羌夹g(shù)可行性最高的。
從污泥中回收磷
由于費(fèi)用高昂的原因，在德國，截止到2011年只有吉夫霍恩有一座污水處理廠采用了較大規(guī)模的磷回收工藝。該水廠的處理能力是50000PE。在吉夫霍恩，“SeaborneProcess”被用來進(jìn)行消化污泥處理，這個(gè)技術(shù)分為三個(gè)步驟：——酸浸泡；——去除重金屬；——沉淀。
在酸浸泡階段，消化污泥與H2SO4相混合，用以降低pH。此時(shí)，重金屬和磷酸鹽就會(huì)被溶解。在此過程中，可以加入氧化劑。兩小時(shí)以后，離心機(jī)就可以將非溶解態(tài)物質(zhì)分離出來。
被分離出的含有溶解態(tài)磷酸鹽、氮和重金屬的液相將進(jìn)入重金屬去除階段。這個(gè)過程中，需加入Na2S，重金屬便會(huì)以硫化物的形式沉淀析出。
接下來并且是最重要的步驟，就是加入氫氧化鎂，沉淀的磷酸鹽將形成鳥糞石，鳥糞石是一種非常好的肥料。鳥糞石或者硫酸銨鎂(MgNH4PO4×6H2O)中的Mg2+,NH4+和PO43-的含量比例是1:1:1，它也被稱作MAP，形成過程見以下方程式：
HPO42-+NH4++Mg2++OH-+6H2O→MgNH4PO4×6H2O
在吉夫霍恩，該水廠的總投資是700萬歐元，而平時(shí)的產(chǎn)出大約是1.3噸的N-P肥料。至今為止，其成本投入仍然是回報(bào)資金的好幾倍。
從污泥灰分中回收磷
只有當(dāng)污泥只經(jīng)過焚燒一道工序時(shí)，磷回收才會(huì)有一定的意義。否則的話，磷的含量會(huì)非常低。在德國，大約有20%的污泥將會(huì)被用來單獨(dú)焚燒，焚燒會(huì)將污水中的磷濃縮并轉(zhuǎn)移至污泥灰分中。污泥灰分會(huì)分解為有機(jī)物，包括一些潛在的毒性有機(jī)物。因此，灰分中的磷不再適宜用于植被肥料等。污泥灰分包括大約17%的P2O5。根據(jù)原水性質(zhì)不同，污泥灰分將有可能含有不同的重金屬。這也就是為什么灰分在用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前必須經(jīng)過適當(dāng)處理的原因。
迄今為止，德國只有一座小規(guī)模污水處理試驗(yàn)廠在實(shí)驗(yàn)此技術(shù)，這座水廠屬于歐盟SUSAN工程（SustainableandSafeRe-UseofMunicipalSewageSludgeforNutrientRecovery）。此技術(shù)是將污泥灰分與含氯物質(zhì)（e.g.,MgCl2）摻混在一起，放入爐中加熱至850C℃-1000℃。此時(shí)，揮發(fā)性重金屬氯化物將會(huì)以氣態(tài)形式揮發(fā)至大氣，同時(shí)，新的礦物質(zhì)將會(huì)形成，并且磷的生物利用率將會(huì)增加。
微污染物去除
越來越多的有機(jī)微污染物在河流、湖泊，甚至地下水中，都已經(jīng)被檢出，這些微污染物包括農(nóng)藥殘留、激素等。污水處理廠的出水中含有這些物質(zhì)，是因?yàn)楝F(xiàn)在的污水廠工藝中，都還沒有涉及處理此類物質(zhì)的去除工藝。即便如此，現(xiàn)在的污水處理廠通過活性污泥的吸附以及生物降解或者生物轉(zhuǎn)移作用，也能去除相當(dāng)一部分的微污染物。然而，殘留的污染物包括農(nóng)藥、激素及其他有機(jī)微污染物，雖然濃度不高，但也有可能引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)的問題，甚至影響到供水系統(tǒng)。
在原水中，這些微污染物的濃度可達(dá)幾百ug/L，在處理后的出水中，其濃度為10ug/L-100ug/L。目前，還沒有一部法律法規(guī)對(duì)出水中農(nóng)藥殘留物的濃度有明確的規(guī)定。
降低地表水中有機(jī)微污染物含量的方法之一是在污水處理廠整體工藝中加入處理微污染物的技術(shù)與工藝，這些技術(shù)包括：——臭氧氧化；——活性炭吸附；——膜過濾；
正常情況下，這些工藝應(yīng)當(dāng)放在污水廠整體工藝流程的最末端，比如，置于二沉池之后。
臭氧氧化：臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，許多有機(jī)物都可以被臭氧氧化。但是，使用臭氧的一個(gè)問題是有機(jī)物有時(shí)不能被臭氧完全礦化，而只是發(fā)生了一些形態(tài)轉(zhuǎn)化，結(jié)果是有可能產(chǎn)生更為有害的物質(zhì)。
活性炭吸附：活性炭具有巨大的內(nèi)表面積（1000m2/g），并且可以吸附大量的溶解態(tài)物質(zhì)�；钚蕴课綄�(duì)于去除微污染物而言，是一種非常行之有效的方法，對(duì)于大部分微污染物，活性炭吸附去除比例甚至可以高達(dá)80%以上。在工藝上，活性炭可以以粉末的形式投加到水中（顆粒直徑是10um~15um），或者單獨(dú)設(shè)置一個(gè)填充有顆粒活性炭的活性炭柱（顆粒直徑是1mm~3mm）。
如果采用投加粉末活性炭的方式，在整體工藝末端要將粉末活性炭與水體進(jìn)行分離。分離的方法可以通過沉淀（輔以絮凝）、砂濾或者膜過濾，其中膜過濾需要更多的能量消耗。使用過的活性炭需要被焚燒，吸附在其上的有機(jī)物將被完全礦化。如果采用的顆粒活性炭柱的方式，污水在進(jìn)入活性炭柱之前必須進(jìn)行充分的預(yù)處理，尤其是懸浮顆粒和鐵必須被完全去除。活性炭柱里的顆�；钚蕴靠梢栽偕⒅貜�(fù)使用。
膜過濾：納濾和反滲透膜對(duì)于去除藥物殘留都非常有效。操作壓力在5bars~40bars時(shí)，就可以從廢水中提純出純水。在生物處理之后，出水通常要進(jìn)行預(yù)過濾（微濾）以防污染。膜元件需要進(jìn)行化學(xué)清洗。產(chǎn)水/廢水的比例通常在75%~80%之間。也就是說，將有20%~25%的含有殘留物的水需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。由于操作壓力較高，能耗基本在1kWh/m3~2kWh/m3。
由于以上的這些問題，膜過濾還不太適宜大規(guī)模使用。膜元件也可以在MBR中使用，MBR可以替代傳統(tǒng)活性污泥法中的曝氣反應(yīng)池和二沉池。通常情況下，超濾膜的工作壓力是1bar以下。為了防止膜污染，必須采用更高壓力的空氣流對(duì)膜進(jìn)行“沖洗”，這也就是為什么膜過濾的能耗會(huì)高達(dá)1KWh/m3的原因。在這種工藝中，藥物殘留的去除率會(huì)高于傳統(tǒng)工藝的污水處理廠，但是并沒有高很多。
通過以上附加的工藝段，水中的微污染物可以得到一定程度的削減，但是不能完全消除。只有找到產(chǎn)生這些微污染物的化學(xué)品的替代品或者減少對(duì)這些化學(xué)品的消耗才是徹底解決問題的方法。
結(jié)語
我們可以通過工藝的優(yōu)化來降低能量消耗。比如優(yōu)化曝氣、水泵等。能量產(chǎn)生同樣可以通過工藝優(yōu)化得以提升，如污泥厭氧消化以及熱電聯(lián)產(chǎn)等。通過以上這些方法，污水處理廠完全可以實(shí)現(xiàn)能量自給。如果脫氮采用厭氧氨氧化工藝，將會(huì)節(jié)省更多的能量。如果將厭氧氨氧化工藝應(yīng)用在主流污水處理工藝中，用其取代傳統(tǒng)厭氧消化脫氮工藝，將會(huì)產(chǎn)生更多的可揮發(fā)性懸浮固體，從而增加厭氧污泥消化罐的產(chǎn)能，即產(chǎn)生更多的沼氣。
減少二氧化碳等溫室氣體的排放可以通過優(yōu)化能量平衡來得以實(shí)現(xiàn)。在活性污泥工藝中，溫室氣體甲烷并不是最主要的。關(guān)于N2O的排放問題只有少量數(shù)據(jù)可供參考，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)該領(lǐng)域的研究。關(guān)于磷回收方面，截止到2011年只有德國的吉夫霍恩有較大的工程案例，它采用的是改良SeaborneProcess工藝來處理消化污泥。
德國的一個(gè)小型污水試驗(yàn)場在進(jìn)行從污泥灰分中分離磷元素的試驗(yàn)。從污水中可以回收大量的磷元素，但是其成本也要高出回報(bào)好幾倍�？梢圆扇∑渌鬯幚砉に噥砣コw中的微污染物，但是只能削減，不能根除。只有找到產(chǎn)生這些微污染物的化學(xué)品的替代品或者減少對(duì)這些化學(xué)品的消耗才是徹底解決問題的方法。今天的德國依然走在解決污水處理新問題與新挑戰(zhàn)的路上。
