目前國內已建成4000多座大型市政污水處理廠(chǎng)，對這些污水處理廠(chǎng)如何提效改造進(jìn)行討論是十分必要的。借鑒德國先進(jìn)的污水處理經(jīng)驗，關(guān)注各種產(chǎn)能節能技術(shù)和資源回收技術(shù)，并進(jìn)行整合，力爭早日實(shí)現污水處理廠(chǎng)能源自給的目標。
盡管市政污水處理廠(chǎng)的電耗只占整個(gè)聯(lián)邦德國的 1%，但對于當地政府來(lái)說(shuō)，卻約占整個(gè)能耗的 20%, 所以市政污水處理廠(chǎng)是各城市和小鎮內最大耗能用戶(hù)，遠高于中小學(xué)和醫院。同時(shí)，由于全球能耗費用不斷上漲，為了降低 CO2排放量，當地政府對市政污水處理廠(chǎng)也都提出了提高能耗效率的要求。
就市政污水處理廠(chǎng)的能耗效率提高而言，即使在德國目前還沒(méi)有明確定義標準的技術(shù)手段和衡量標準。但有一點(diǎn)是肯定的，所采用的節能措施必須是在當地經(jīng)濟實(shí)用和可操作實(shí)施的。
作為污水處理廠(chǎng)，應在確保出水水質(zhì)的情況下，盡可能降低整體能耗和運轉費用。既可以引入一些新型節能處理工藝，還可以系統研究和評估各個(gè)處理工段的節能措施，開(kāi)發(fā)相應的評估軟件和提供相應的技術(shù)工具，使得整個(gè)污水處理廠(chǎng)獲得最佳節能效果。
從目前的發(fā)展情況來(lái)看，以下單一技術(shù)的發(fā)展趨勢十分明顯：
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)
降低運轉費用或能耗
利用現存的消化塔處理能力，對生物垃圾進(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(chǎng)內整合利用，并顯示明顯的經(jīng)濟效應。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(chǎng)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(chǎng)內主要費用的分攤比例。其中 31% 是市政污泥處理處置費用。圖 2 舉例說(shuō)明在一個(gè)示范污水處理廠(chǎng)內（100000 人口當量）電費的分布情況。我們基本可以假定，在一般德國市政污水處理廠(chǎng)內，這種費用和電耗分布比例差異不會(huì )很大。
圖 1 德國模型市政污水廠(chǎng)內的費用分布和能耗分布情況 （100000 人口當量）
從這張圖可以看出，為了降低市政污水處理廠(chǎng)的能耗和運轉費用，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
為了達到降低運轉費用和能耗這一總體目標，首先有必要先回顧一下在污水處理過(guò)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(guò)程則相反是一個(gè)產(chǎn)能過(guò)程，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量生物沼氣。因此，從能耗角度來(lái)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)行有機化合物的生物分解時(shí)，厭氧生物處理沒(méi)有好氧生物處理來(lái)得徹底完全。
綜上可知，從經(jīng)濟生態(tài)角度分析，市政污水處理廠(chǎng)只能通過(guò)以下措施才能提高能耗效率：
1. 提高熱電聯(lián)產(chǎn)能力
2. 節省電耗
2 提高能源效率的各種措施
在采用厭氧穩定化工藝的市政污水處理廠(chǎng)內，生物處理階段消耗大約50%~60%的電能， 而在采用好氧穩定化工藝的市政污水處理廠(chǎng)內，則生物處理階段所消耗的電能最高達到總電耗的 80%。出于這個(gè)原因，必須特別注意生化曝氣池的運轉情況。
處于第二位的電耗設施就是污水廠(chǎng)內的各種水泵和攪拌裝置。通過(guò)以下措施可以對這些設備進(jìn)行優(yōu)化處理：
通過(guò)降低曝氣流量， 降低回流污泥流量， 攪拌器間隙運轉等，在短時(shí)間內完成優(yōu)化處理。
部分或整體調整機械設備和電控技術(shù)。采用較高效率的電機， 更新沼氣發(fā)電機， 優(yōu)化電控技術(shù)， 更新曝氣頭和管道來(lái)降低壓頭損失， 提高泵井內液位，從而降低因為液位差而導致的水頭損失等。
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， 對污泥脫水液?jiǎn)为氝M(jìn)行處理（全程自養脫氮）等。
為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)能力，必須設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（BHKW） 進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。通過(guò)額外增加產(chǎn)電，理論上可以覆蓋市政污水處理廠(chǎng)內所需要的大部分電耗，從而降低運轉費用。
擴大沼氣產(chǎn)量的前提條件是污水廠(chǎng)內擁有足夠的污泥消化塔容積。在德國，多數市政污水處理廠(chǎng)都能滿(mǎn)足這一條件，這是因為大多數消化裝置的實(shí)際運轉負荷低于設計運轉負荷。
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。因為自2015年開(kāi)始，德國逐步限制市政污泥農用，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(wèn)題：如果消化后污泥不再農用，是否還有必要對市政污泥進(jìn)行厭氧穩定化處理 （一般來(lái)說(shuō)消化時(shí)間是 25 ~30 d）。
一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)采取以下措施來(lái)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。只要后續污泥是焚燒處置， 則發(fā)酵裝置就可以接受各種類(lèi)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(lái)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。例如，有一個(gè)德國制藥廠(chǎng)原來(lái)將其蒸餾塔的冷凝液作為廢水輸入附近市政污水處理廠(chǎng)。因為主要成分是異丙醇（Isopropanol）， 雖然 COD 濃度高達約 200000 mg/L 但生物降解十分容易。所以現在將此濃縮液直接輸入污泥消化塔之內，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(guò)這一實(shí)例顯示，非集中型預處理措施和市政污水處理廠(chǎng)最終處理之間的協(xié)調十分重要，通過(guò)有效的厭氧消化處理，市政污水處理廠(chǎng)和制藥廠(chǎng)雙方都獲益。
采用市政污泥粉碎工藝 （細胞粉碎工藝， 例如熱水解或超聲波粉碎工藝）。在很多科研項目中已經(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(chǎng)中，已經(jīng)采用各種形式的熱水解工藝對市政污泥進(jìn)行粉碎處理。各種研究結果顯示，市政污泥經(jīng)過(guò)熱水解處理之后沼氣產(chǎn)量提高最大可達 25% 。
3 降低污泥處理費用的各種措施
污泥處理處置費用一方面和污泥產(chǎn)量有關(guān)，另一方面和運輸費用有關(guān)。因為即使脫水處理之后， 脫水污泥中仍然含有 70% 以上的水分。為了降低污泥產(chǎn)量，還必須繼續采取以下措施：
對脫水過(guò)濾液進(jìn)行厭氧處理通過(guò)對離心液/脫水過(guò)濾液進(jìn)行厭氧處理，可以降低污水好氧曝氣處理過(guò)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(guò)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(guò)膜技術(shù)分離活性污泥，可將曝氣池內的DS濃度維持在10~12 g/L 范圍，而采用傳統二沉池技術(shù)時(shí)污泥濃度只有 2.5~3.5 g/L。當進(jìn)水濃度不變時(shí)，污泥處理負荷很低，因此剩余污泥產(chǎn)量會(huì )相應降低。
對市政污泥進(jìn)行太陽(yáng)能干化處理目前市場(chǎng)上已有許多污泥干化系統， 一般都需要采用很高能源，可在占地很小情況下和短時(shí)間內將市政污泥干化至很高固含量。與此相反，太陽(yáng)能污泥干化系統所需要的能耗極低， 基本上采用免費太陽(yáng)能進(jìn)行污泥干化處理。這些污泥被鋪設在干化場(chǎng)內。
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)內被連續不斷地拋翻處理。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（BHKW）所產(chǎn)生的廢熱。為了防止產(chǎn)生臭氣和提高干化效率，一般必須定期對污泥進(jìn)行全自動(dòng)翻滾處理。一旦污泥達到所需要的干化程度， 這些污泥就可排出進(jìn)行相應后處置。
太陽(yáng)能污泥干化技術(shù)已經(jīng)在歐洲得到廣泛應用，但一般用于小型市政污水廠(chǎng)內，規模是在 1000 和 300000 人口當量之間。舉例來(lái)說(shuō)，在德國 Füssen 市政污水處理廠(chǎng)（70000 人口當量） 內，已經(jīng)采用含廢熱利用（BHKW） 的太陽(yáng)能污泥干化裝置。
脫水污泥的固含量大約為 28%DS，被鋪設在污泥干化場(chǎng) 2000 m? （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到 75%~95%DS。
對于大型市政污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，則可以采用帶式污泥干化裝置和沼氣發(fā)電機（BHKW） 所產(chǎn)生的廢熱來(lái)進(jìn)行污泥干化處理。
4 污泥厭氧消化處理所產(chǎn)生的問(wèn)題
在考慮進(jìn)行強化厭氧消化的同時(shí)，還必須考慮到市政污水處理廠(chǎng)整體運轉時(shí)會(huì )帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：通過(guò)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的NH4+濃度也會(huì )提高。根據不同的框架條件，消化液內返送回生物處理階段的總體氨氮負荷會(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， 在后續的冷凝液內可以獲得氨水， 可以作為肥料或者在焚燒裝置內用于降低 NOx 濃度。當采用空氣進(jìn)行氨氮吹脫時(shí)，則產(chǎn)生的氨氣被吸附在酸液內 （（H2SO4或者 HNO3）。在圖 3內顯示了德國Straubing 市政污水處理廠(chǎng)的氨吹脫裝置。
圖 3 德國 Straubing 市政污水處理廠(chǎng)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)、農業(yè)）。在進(jìn)行 MAP-沉淀反應時(shí)，氨氮和磷與鎂離子進(jìn)行沉淀反應。上述各種工藝的應用情況在很大程度上與產(chǎn)品的銷(xiāo)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)行催化氧化反應時(shí)，過(guò)濾液內的氨氮首先通過(guò)吹脫被轉化成氨氣。然后這些含有氨氮的吹脫氣體被預加熱，在大約400°C時(shí)在催化劑作用下按以下方程進(jìn)行反應，被氧化成氮氣和水：
2 NH3 + 1.5 O2→ N2 + 3 H2O+ 能量
通過(guò)輸入空氣提供氧化時(shí)所需要的氧氣。在冷卻之后，水蒸氣和氮氣作為廢氣被排出裝置， 此時(shí)完全可以達到德國 TA Luft 的廢氣排放標準。被排出的廢氣流量相當于輸入的新鮮空氣質(zhì)流量。而留在系統內的支流是進(jìn)入吹脫塔作為吹脫氣體循環(huán)運轉。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
當氨氮濃度很高情況下，氧化反應時(shí)會(huì )釋放能量，因此裝置會(huì )自熱運轉， 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(guò)程也就意味著(zhù)將提高運轉費用。
在進(jìn)行支流氨氮回收的同時(shí)，還應該在此同時(shí)討論磷回收問(wèn)題。因為在德國污泥農用受到愈來(lái)愈嚴格的限制， 市政污泥內磷肥循環(huán)利用也將變得困難。作為平衡，只能在農田內采用磷化肥物質(zhì)。與氮肥不同，1913年德國科學(xué)家Haber 和 Bosch 發(fā)現氨氮合成技術(shù)之后，可以毫無(wú)限制地大量生產(chǎn)氮肥。但磷肥來(lái)自磷礦石，目前全球的磷礦儲存量十分有限，價(jià)格不斷上漲。因此，目前許多歐洲國家要求采用技術(shù)措施，從市政污水或市政污泥中抽提磷肥物質(zhì)。
在德國，目前已有不少大型和中試磷回收裝置投入運轉并獲得初步結果。所采用的處理工藝主要是和污水廠(chǎng)內的除磷方式， 即磷在市政污泥內的結合形式有關(guān)。
就市政污水處理廠(chǎng)內的污水和污泥處理過(guò)程來(lái)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)流內進(jìn)行磷回收（圖 5）：
1. 市政污水廠(chǎng)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)濟效益和技術(shù)可實(shí)施性能，目前都是在鳥(niǎo)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。其中在歐美國家應用最為廣泛的磷回收工藝是在德國柏林開(kāi)發(fā)的AirPrex? 處理工藝，可在消化后污泥液中直接抽提鳥(niǎo)糞石（MAP）。
通過(guò)采用AirPrex? 處理工藝，可對消化污泥進(jìn)行定向磷沉淀處理并可為整套污泥處理系統帶來(lái)以下益處：
明顯提高污泥機械性脫水性能： 降低絮凝劑消耗量和明顯提高脫水污泥的固含量
在污泥處理工段內不再產(chǎn)生鳥(niǎo)糞石沉淀結晶現象
進(jìn)入生化系統的磷返回負荷降低大約 80%~90%
回收利用 MAP-肥料
6 總結
在一個(gè)污水廠(chǎng)內可能應用的各種產(chǎn)能節能技術(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(guò)協(xié)同發(fā)酵高濃度污水和生物垃圾來(lái)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)。
因為今后所產(chǎn)生的市政污泥都將被焚燒處置，沒(méi)有必要進(jìn)行污泥穩定化和消毒處理，因此所需要的污泥消化時(shí)間必須重新討論定義。例如，對于油脂物質(zhì)來(lái)說(shuō)，只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成產(chǎn)沼過(guò)程，對于經(jīng)過(guò)熱水解處理的污泥來(lái)說(shuō)，最長(cháng)污泥消化時(shí)間可設置在 10d。如果污泥事先通過(guò)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(chǎng)的可能模式結構
隨著(zhù)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，有可能對這些營(yíng)養物質(zhì)進(jìn)行經(jīng)濟有效地抽提回收。其中AIRPREX磷回收技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)具有實(shí)用經(jīng)濟價(jià)值，并已在歐美國家獲得廣泛的商業(yè)應用。
本文所提及的各種技術(shù)在許多專(zhuān)業(yè)文獻都已被介紹，并在市政污水處理廠(chǎng)獲得工程應用。在此只是設法將各種技術(shù)進(jìn)行整合， 并形成整體處理方案。通過(guò)這一整體處理方案， 還希望可以就今后制定規范或法律時(shí)進(jìn)行問(wèn)題討論， 例如：
1.根據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(chǎng)規模達到一定規模之后（例如 30000 人口當量）， 是否必須標準安裝配置污泥消化塔和熱電聯(lián)產(chǎn)裝置（BHKW）？
3.只要后續污泥處置是焚燒，則應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(guò)污泥熱水解，超聲波粉碎處理，太陽(yáng)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， 例如 KWh/m3 或者 KWh/COD可分解。
德國環(huán)保聯(lián)邦局（UBA） 2008年發(fā)表的報告 “提高市政污水處理廠(chǎng)的能耗效率（Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kl?ranlagen）”內指出，根據目前的技術(shù)水平，德國市政污水處理廠(chǎng)通過(guò)以下基本思路來(lái)挖掘優(yōu)化潛能是合理的：
通過(guò)操作運轉的優(yōu)化可以節省30% 電耗
通過(guò)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
投資回報時(shí)間短
因此相對于電能和熱能來(lái)說(shuō)，能源自給污水處理廠(chǎng)理論上是可以實(shí)現的。在輸入外來(lái)基質(zhì)進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵情況下，甚至還可以出現產(chǎn)電剩余的情況。
總之，只要強化市政污水處理廠(chǎng)內的消化塔的功能，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)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(chǎng)的能源自給就不是幻想，而是我們這一代工程師可以實(shí)現的理想。
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