德国污水处理面临的新挑战及应对措施

Posted 2023-01-12 污染物

篇首语：花门楼前见秋草，岂能贫贱相看老。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了德国污水处理面临的新挑战及应对措施相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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，“SeaborneProcess”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PO43-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-+NH4++Mg2++OH-+6H2O→MgNH4PO4×6H2O
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（SustainableandSafeRe-UseofMunicipalSewageSludgeforNutrientRecovery）。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活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；
——膜过滤；
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（1000m2/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/m3～2kWh/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1KWh/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SeaborneProcess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。