德國(guó)可持續(xù)污水處理工程典范——Steinhof廠(chǎng)

郝曉地, 任冰倩，曹亞莉

(北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044)

可持續(xù)污水處理之目標(biāo)以回收污水中資源與能源為己任，特別強(qiáng)調(diào)工藝運(yùn)行逼近碳中和目標(biāo)，以減少CO₂等溫室氣體的排放。德國(guó)布倫瑞克（Braunschweig）市運(yùn)行已半個(gè)多世紀(jì)的老廠(chǎng)——斯泰因霍夫（Steinhof）的工藝實(shí)踐演示，從剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH₄）中回收的能量不僅可滿(mǎn)足其自身供熱需要，而且還能提供全廠(chǎng)包括深度處理、營(yíng)養(yǎng)物利用、出水灌溉在內(nèi)全部耗電量的79%，相應(yīng)減少79%的外源CO₂。將出水及污泥輸送至農(nóng)業(yè)灌溉與施肥后，可節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生產(chǎn)造成的能量消耗，間接減少35%的CO₂排放量。這實(shí)際上使得該廠(chǎng)總外源CO₂減少高達(dá)114%，已超額完成碳中和運(yùn)行目標(biāo)。強(qiáng)化能量（CH₄）生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化技術(shù)的改進(jìn)措施顯示，向厭氧消化池內(nèi)投加青草等共消化基質(zhì)、對(duì)剩余污泥采取熱水解預(yù)處理措施、余熱發(fā)電采用郎肯循環(huán)等可有效提高生物氣體的產(chǎn)量與能源轉(zhuǎn)化率，使該廠(chǎng)CO₂減排量進(jìn)一步提高。該廠(chǎng)在營(yíng)養(yǎng)物及水資源利用方面的做法表明，土地利用是污水中所含資源的理性歸宿。

德國(guó)早在20世紀(jì)末便開(kāi)始關(guān)注污水廠(chǎng)的耗能及能量平衡問(wèn)題，并于1999年編制了污水廠(chǎng)能源使用手冊(cè)，對(duì)污水廠(chǎng)每個(gè)處理階段能耗與各種可利用能源進(jìn)行了詳細(xì)分析。德國(guó)2006年對(duì)344座污水廠(chǎng)進(jìn)行能耗分析發(fā)現(xiàn)，污水廠(chǎng)平均能耗經(jīng)運(yùn)行優(yōu)化后均降低了50%，每年可節(jié)約能耗費(fèi)用約為3~4億歐元。斯泰因霍夫污水廠(chǎng)自1954年投入運(yùn)行以來(lái)，因其在可持續(xù)發(fā)展方面的成功示范，目前已被看作一個(gè)能量與資源回收的成功案例。剩余污泥是該廠(chǎng)能源回收注意力的焦點(diǎn)，通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷方式實(shí)現(xiàn)污水中蘊(yùn)含能量的回收。為提高污泥厭氧消化CH₄生成量，該廠(chǎng)對(duì)污泥首先進(jìn)行了熱解預(yù)處理，并在厭氧消化過(guò)程中通過(guò)投加額外有機(jī)質(zhì)來(lái)強(qiáng)化CH₄生成。此外，該廠(chǎng)還充分利用污水中的氮、磷資源與水資源，將處理出水和污泥通過(guò)泵站與管道系統(tǒng)輸送至農(nóng)田，為約3 000 hm²農(nóng)作物提供養(yǎng)分及灌溉用水，可大大節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水和生產(chǎn)化肥所導(dǎo)致的能耗并相應(yīng)減少CO₂排放。

斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)工藝流程如下：

提升泵站

格柵

沉砂、除油池

污泥污水混合池

生物反應(yīng)池

二沉池

斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)工藝實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)剩余污泥進(jìn)行傳統(tǒng)厭氧消化獲得的生物氣體（甲烷）CHP熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、產(chǎn)熱，被回收的能量不僅可以滿(mǎn)足厭氧消化中溫加熱（38 ℃）的全部熱量，而且還能滿(mǎn)足污水處理、污泥處理、出水輸送土壤下滲、農(nóng)業(yè)灌溉等各個(gè)環(huán)節(jié)用電量的79%，相應(yīng)減少79%的外源CO₂。將出水及污泥輸送至農(nóng)業(yè)灌溉與施肥后，可節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生產(chǎn)造成的能量消耗，間接減少35%的CO₂排放量。這實(shí)際上使得該廠(chǎng)總外源CO₂減少高達(dá)114%，已超額完成碳中和運(yùn)行目標(biāo)。其實(shí)，在不考慮出水進(jìn)行土壤下滲處理和農(nóng)業(yè)灌溉耗能（出水直排河流）情況下，該廠(chǎng)回收的能量已完全可以滿(mǎn)足污水、污泥處理的耗電量（103%），即單就污水、污泥處理能量需求而言，該廠(chǎng)自產(chǎn)能量完全可以自給自足，且略有盈余（3%）。
強(qiáng)化能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的技術(shù)改進(jìn)措施顯示，向消化池外加青草等共基質(zhì)、對(duì)剩余污泥采取熱水解預(yù)處理措施、余熱發(fā)電中采用郎肯循環(huán)等可有效提高生物氣體的產(chǎn)量與能源轉(zhuǎn)化效率，有望彌補(bǔ)綜合能耗21%的缺口。誠(chéng)然，斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)能源消耗基本上可以接近碳中和運(yùn)行目標(biāo)的原因是進(jìn)水中COD濃度過(guò)高而導(dǎo)致的剩余污泥量較多所致。但它畢竟向世人展示，傳統(tǒng)厭氧消化即可方便地轉(zhuǎn)化剩余污泥中所含能量。針對(duì)我國(guó)多屬低碳源污水處理的現(xiàn)實(shí)，在考慮污泥厭氧消化的同時(shí)再實(shí)踐污水源熱泵轉(zhuǎn)化熱量技術(shù)，碳中和運(yùn)行也將不再是夢(mèng)。

（本文將發(fā)表于中國(guó)給水排水雜志2014年第22期：德國(guó)可持續(xù)污水處理工程典范——STEINHOF廠(chǎng)）

可持續(xù)污水處理之目標(biāo)以回收污水中資源與能源為己任，特別強(qiáng)調(diào)工藝運(yùn)行逼近碳中和目標(biāo)，以減少CO₂等溫室氣體的排放。德國(guó)布倫瑞克(Braunschweig)市運(yùn)行已半個(gè)多世紀(jì)的老廠(chǎng)——斯泰因霍夫(Steinhof)的工藝實(shí)踐演示，從剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH₄)中回收的能量不僅可滿(mǎn)足其自身供熱需要，而且還能提供全廠(chǎng)包括深度處理、營(yíng)養(yǎng)物利用、出水灌溉在內(nèi)全部耗電量的79%，相應(yīng)減少79%的外源CO₂。

將出水及污泥輸送至農(nóng)業(yè)灌溉與施肥后，可節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生產(chǎn)造成的能量消耗，間接減少35%的CO₂排放量。這實(shí)際上使得該廠(chǎng)總外源CO₂減少高達(dá)114%，已超額完成碳中和運(yùn)行目標(biāo)。強(qiáng)化能量(CH₄)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化技術(shù)的改進(jìn)措施顯示，向厭氧消化池內(nèi)投加青草等共消化基質(zhì)、對(duì)剩余污泥采取熱水解預(yù)處理措施、余熱發(fā)電采用郎肯循環(huán)等可有效提高生物氣體的產(chǎn)量與能源轉(zhuǎn)化率，使該廠(chǎng)CO₂減排量進(jìn)一步提高。該廠(chǎng)在營(yíng)養(yǎng)物及水資源利用方面的做法表明，土地利用是污水中所含資源的理性歸宿。

德國(guó)早在20世紀(jì)末便開(kāi)始關(guān)注污水廠(chǎng)的耗能及能量平衡問(wèn)題，并于1999年編制了污水廠(chǎng)能源使用手冊(cè)，對(duì)污水廠(chǎng)每個(gè)處理階段能耗與各種可利用能源進(jìn)行了詳細(xì)分析。德國(guó)2006年對(duì)344座污水廠(chǎng)進(jìn)行能耗分析發(fā)現(xiàn)，污水廠(chǎng)平均能耗經(jīng)運(yùn)行優(yōu)化后均降低了50%，每年可節(jié)約能耗費(fèi)用約為3~4億歐元。

斯泰因霍夫污水廠(chǎng)自1954年投入運(yùn)行以來(lái)，因其在可持續(xù)發(fā)展方面的成功示范，目前已被看作一個(gè)能量與資源回收的成功案例。剩余污泥是該廠(chǎng)能源回收注意力的焦點(diǎn)，通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷方式實(shí)現(xiàn)污水中蘊(yùn)含能量的回收。為提高污泥厭氧消化CH₄生成量，該廠(chǎng)對(duì)污泥首先進(jìn)行了熱解預(yù)處理，并在厭氧消化過(guò)程中通過(guò)投加額外有機(jī)質(zhì)來(lái)強(qiáng)化CH₄生成。此外，該廠(chǎng)還充分利用污水中的氮、磷資源與水資源，將處理出水和污泥通過(guò)泵站與管道系統(tǒng)輸送至農(nóng)田，為約3000hm²農(nóng)作物提供養(yǎng)分及灌溉用水，可大大節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水和生產(chǎn)化肥所導(dǎo)致的能耗并相應(yīng)減少CO₂排放。

斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)工藝流程如下：

提升泵站

格柵

污泥污水混合池


 

生物反應(yīng)池

二沉池

斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)工藝實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)剩余污泥進(jìn)行傳統(tǒng)厭氧消化獲得的生物氣體(甲烷)CHP熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、產(chǎn)熱，被回收的能量不僅可以滿(mǎn)足厭氧消化中溫加熱(38 ℃)的全部熱量，而且還能滿(mǎn)足污水處理、污泥處理、出水輸送土壤下滲、農(nóng)業(yè)灌溉等各個(gè)環(huán)節(jié)用電量的79%，相應(yīng)減少79%的外源CO₂。

將出水及污泥輸送至農(nóng)業(yè)灌溉與施肥后，可節(jié)省因灌溉抽取地下/地表水及化肥生產(chǎn)造成的能量消耗，間接減少35%的CO₂排放量。這實(shí)際上使得該廠(chǎng)總外源CO₂減少高達(dá)114%，已超額完成碳中和運(yùn)行目標(biāo)。其實(shí)，在不考慮出水進(jìn)行土壤下滲處理和農(nóng)業(yè)灌溉耗能(出水直排河流)情況下，該廠(chǎng)回收的能量已完全可以滿(mǎn)足污水、污泥處理的耗電量(103%)，即單就污水、污泥處理能量需求而言，該廠(chǎng)自產(chǎn)能量完全可以自給自足，且略有盈余(3%)。

強(qiáng)化能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的技術(shù)改進(jìn)措施顯示，向消化池外加青草等共基質(zhì)、對(duì)剩余污泥采取熱水解預(yù)處理措施、余熱發(fā)電中采用郎肯循環(huán)等可有效提高生物氣體的產(chǎn)量與能源轉(zhuǎn)化效率，有望彌補(bǔ)綜合能耗21%的缺口。

誠(chéng)然，斯泰因霍夫污水處理廠(chǎng)能源消耗基本上可以接近碳中和運(yùn)行目標(biāo)的原因是進(jìn)水中COD濃度過(guò)高而導(dǎo)致的剩余污泥量較多所致。但它畢竟向世人展示，傳統(tǒng)厭氧消化即可方便地轉(zhuǎn)化剩余污泥中所含能量。針對(duì)我國(guó)多屬低碳源污水處理的現(xiàn)實(shí)，在考慮污泥厭氧消化的同時(shí)再實(shí)踐污水源熱泵轉(zhuǎn)化熱量技術(shù)，碳中和運(yùn)行也將不再是夢(mèng)。

原標(biāo)題:德國(guó)可持續(xù)污水處理工程典范——Steinhof廠(chǎng)