目前國內已建成4000多座大型市政污水處理廠，對這些污水處理廠如何提效改造進行討論是十分必要的。借鑒德國先進的污水處理經驗，關注各種產能節能技術和資源回收技術，并進行整合，力爭早日實現污水處理廠能源自給的目標。
盡管市政污水處理廠的電耗只占整個聯邦德國的 1%，但對于當地政府來說，卻約占整個能耗的 20%, 所以市政污水處理廠是各城市和小鎮內最大耗能用戶，遠高于中小學和醫院。同時，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也都提出了提高能耗效率的要求。
就市政污水處理廠的能耗效率提高而言，即使在德國目前還沒有明確定義標準的技術手段和衡量標準。但有一點是肯定的，所采用的節能措施必須是在當地經濟實用和可操作實施的。
作為污水處理廠，應在確保出水水質的情況下，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處理工段的節能措施，開發相應的評估軟件和提供相應的技術工具，使得整個污水處理廠獲得最佳節能效果。
從目前的發展情況來看，以下單一技術的發展趨勢十分明顯：
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養物質 （N, P, 有時甚至是重金屬物質）
為了提高出水水質和截留微生物，不斷強化使用MBR技術
為了提高沼氣產量和降低污泥產量，整合使用污泥
熱水解技術
降低運轉費用或能耗
利用現存的消化塔處理能力，對生物垃圾進行協同發酵處理
但這些技術尚未在一個市政污水處理廠內整合利用，并顯示明顯的經濟效應。本文試圖將上述發展融合成一個整體處理方案， 為已建市政污水處理廠的提效改造提供具體的實施措施和途徑。
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 舉例說明在一個示范污水處理廠內（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內，這種費用和電耗分布比例差異不會很大。
圖 1 德國模型市政污水廠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的能耗和運轉費用，可在以下三個方面進行優化處理：
1. 降低污泥產量2. 提高沼氣產量
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行充氧曝氣，而污泥厭氧消化過程則相反是一個產能過程，在厭氧發酵過程中會產生大量生物沼氣。因此，從能耗角度來看，厭氧生物處理總是優于好氧生物處理。但這里必須指出，在進行有機化合物的生物分解時，厭氧生物處理沒有好氧生物處理來得徹底完全。
綜上可知，從經濟生態角度分析，市政污水處理廠只能通過以下措施才能提高能耗效率：
1. 提高熱電聯產能力
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內的各種水泵和攪拌裝置。通過以下措施可以對這些設備進行優化處理：
通過降低曝氣流量， 降低回流污泥流量， 攪拌器間隙運轉等，在短時間內完成優化處理。
部分或整體調整機械設備和電控技術。采用較高效率的電機， 更新沼氣發電機， 優化電控技術， 更新曝氣頭和管道來降低壓頭損失， 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。
改進工藝處理技術： 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。
提高沼氣產量。縮短泥齡， 當污水中含有高碳濃度時提高初沉池的停留時間， 提高污泥濃縮性能， 優化消化塔的操作方式等。
采用新的處理工藝技術。ORC-裝置， 對污泥脫水液單獨進行處理（全程自養脫氮）等。
為了提高熱電聯產能力，必須設法增加厭氧消化塔的產沼效率和能力，同時采用沼氣發電機（BHKW） 進行熱電聯產。通過額外增加產電，理論上可以覆蓋市政污水處理廠內所需要的大部分電耗，從而降低運轉費用。
擴大沼氣產量的前提條件是污水廠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都能滿足這一條件，這是因為大多數消化裝置的實際運轉負荷低于設計運轉負荷。
提高沼氣產量的另一個措施是縮短污泥消化停留時間。因為自2015年開始，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，就提出這一個問題：如果消化后污泥不再農用，是否還有必要對市政污泥進行厭氧穩定化處理 （一般來說消化時間是 25 ~30 d）。
一般來說，可以通過采取以下措施來提高消化塔的沼氣產量：
將協同發酵基質輸入污泥消化塔。只要后續污泥是焚燒處置， 則發酵裝置就可以接受各種類型的餐廚垃圾和其他可生物發酵物質。
將非集中型高濃度污水直接輸入污泥消化塔（例如，來自食品工業的高濃度污水和非食用油脂）。
有時還將一些工業廢濃縮液直接輸入污泥消化塔內。例如，有一個德國制藥廠原來將其蒸餾塔的冷凝液作為廢水輸入附近市政污水處理廠。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量。
在直接向消化塔輸入濃縮液之后，不僅獲得能源，同時也降低了曝氣能耗。通過這一實例顯示，非集中型預處理措施和市政污水處理廠最終處理之間的協調十分重要，通過有效的厭氧消化處理，市政污水處理廠和制藥廠雙方都獲益。
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證實，市政污泥粉碎工藝可以提高沼氣產量。為了提高沼氣產量，在大型市政污水處理廠中，已經采用各種形式的熱水解工藝對市政污泥進行粉碎處理。各種研究結果顯示，市政污泥經過熱水解處理之后沼氣產量提高最大可達 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量有關，另一方面和運輸費用有關。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。為了降低污泥產量，還必須繼續采取以下措施：
對脫水過濾液進行厭氧處理通過對離心液/脫水過濾液進行厭氧處理，可以降低污水好氧曝氣處理過程中會產生剩余污泥產量。
采用污泥熱水解工藝研究顯示，通過采用污泥熱水解技術，被處置的污泥產量可以下降大約 9.4%。
采用膜分離技術進行生物質回收通過膜技術分離活性污泥，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時污泥濃度只有 2.5~3.5 g/L。當進水濃度不變時，污泥處理負荷很低，因此剩余污泥產量會相應降低。
對市政污泥進行太陽能干化處理目前市場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間內將市政污泥干化至很高固含量。與此相反，太陽能污泥干化系統所需要的能耗極低， 基本上采用免費太陽能進行污泥干化處理。這些污泥被鋪設在干化場內。
污泥干化場的外殼是封閉型透明暖房，用于防雨保溫。在通風曝氣受到控制的情況下，污泥在干化場內被連續不斷地拋翻處理。不管外部氣候如何，此時總可以利用環境空氣的干化潛能對市政污泥進行干化處理。為了進一步提高污泥干化能力，還可以額外在冬季輸入沼氣發電機（BHKW）所產生的廢熱。為了防止產生臭氣和提高干化效率，一般必須定期對污泥進行全自動翻滾處理。一旦污泥達到所需要的干化程度， 這些污泥就可排出進行相應后處置。
太陽能污泥干化技術已經在歐洲得到廣泛應用，但一般用于小型市政污水廠內，規模是在 1000 和 300000 人口當量之間。舉例來說，在德國 Füssen 市政污水處理廠（70000 人口當量） 內，已經采用含廢熱利用（BHKW） 的太陽能污泥干化裝置。
脫水污泥的固含量大約為 28%DS，被鋪設在污泥干化場 2000 m? （分成 4 塊干化場，每塊面積 10 x 50 m） 進行干化處理，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來說，則可以采用帶式污泥干化裝置和沼氣發電機（BHKW） 所產生的廢熱來進行污泥干化處理。
4 污泥厭氧消化處理所產生的問題
在考慮進行強化厭氧消化的同時，還必須考慮到市政污水處理廠整體運轉時會帶來的優點和缺點：通過投加協同發酵基質和濃縮液可以提高沼氣產量，但同時會大幅低提高發酵液內的氨氮濃度，必須返回生物處理階段進行處理。
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提高 10%~25%。因此，有必要在此返送支流上進行脫氨處理。在實際工程上已經采用的技術是：
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。當采用空氣進行氨氮吹脫時，則產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 市政污水處理廠的氨吹脫裝置。
圖 3 德國 Straubing 市政污水處理廠的氨吹脫 / 酸洗裝置
所產生的硫酸銨溶液可用于各種工業領域（皮革工業、木材加工業、農業）。在進行 MAP-沉淀反應時，氨氮和磷與鎂離子進行沉淀反應。上述各種工藝的應用情況在很大程度上與產品的銷售渠道和市場有很大關系。
與其他產生氨氮化合物的處理工藝不同，催化氧化只是消滅氨氮，不會產生剩余物質。在進行催化氧化反應時，過濾液內的氨氮首先通過吹脫被轉化成氨氣。然后這些含有氨氮的吹脫氣體被預加熱，在大約400°C時在催化劑作用下按以下方程進行反應，被氧化成氮氣和水：
2 NH3 + 1.5 O2→ N2 + 3 H2O+ 能量
通過輸入空氣提供氧化時所需要的氧氣。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流量。而留在系統內的支流是進入吹脫塔作為吹脫氣體循環運轉。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，氧化反應時會釋放能量，因此裝置會自熱運轉， 只是在裝置啟動時需要外熱，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， 此時必須進行輔助加熱。這個過程也就意味著將提高運轉費用。
在進行支流氨氮回收的同時，還應該在此同時討論磷回收問題。因為在德國污泥農用受到愈來愈嚴格的限制， 市政污泥內磷肥循環利用也將變得困難。作為平衡，只能在農田內采用磷化肥物質。與氮肥不同，1913年德國科學家Haber 和 Bosch 發現氨氮合成技術之后，可以毫無限制地大量生產氮肥。但磷肥來自磷礦石，目前全球的磷礦儲存量十分有限，價格不斷上漲。因此，目前許多歐洲國家要求采用技術措施，從市政污水或市政污泥中抽提磷肥物質。
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內的除磷方式， 即磷在市政污泥內的結合形式有關。
就市政污水處理廠內的污水和污泥處理過程來看，有很多地點可以整合安裝磷回收裝置，至少理論上可在以下6種物質流內進行磷回收（圖 5）：
1. 市政污水廠出水
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
但如果考慮到磷回收工藝的經濟效益和技術可實施性能，目前都是在鳥糞石（MAP）沉淀工藝在消化污泥或污泥脫水液水中進行磷回收。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發的AirPrex? 處理工藝，可在消化后污泥液中直接抽提鳥糞石（MAP）。
通過采用AirPrex? 處理工藝，可對消化污泥進行定向磷沉淀處理并可為整套污泥處理系統帶來以下益處：
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生鳥糞石沉淀結晶現象
進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
在一個污水廠內可能應用的各種產能節能技術和資源回收技術都列在圖 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協同發酵高濃度污水和生物垃圾來提高厭氧消化塔的產沼能力。此外為了進一步提高產沼能力，還可以采用污泥熱水解技術。
因為今后所產生的市政污泥都將被焚燒處置，沒有必要進行污泥穩定化和消毒處理，因此所需要的污泥消化時間必須重新討論定義。例如，對于油脂物質來說，只需要幾個小時就能完成產沼過程，對于經過熱水解處理的污泥來說，最長污泥消化時間可設置在 10d。如果污泥事先通過熱水解處理之后，則污泥消化時間可以進一步縮短。
圖 6 市政污水處理廠的可能模式結構
隨著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，有可能對這些營養物質進行經濟有效地抽提回收。其中AIRPREX磷回收技術已經被證實具有實用經濟價值，并已在歐美國家獲得廣泛的商業應用。
本文所提及的各種技術在許多專業文獻都已被介紹，并在市政污水處理廠獲得工程應用。在此只是設法將各種技術進行整合， 并形成整體處理方案。通過這一整體處理方案， 還希望可以就今后制定規范或法律時進行問題討論， 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間？
2.市政污水處理廠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產裝置（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酵垃圾都進入污泥消化塔進行協同發酵。
4.要求污泥減量化作為污泥處理的基本處理要求（例如，可以通過污泥熱水解，超聲波粉碎處理，太陽能污泥干化等技術進行污泥減量）
5. 引入能耗特征參數， 例如 KWh/m3 或者 KWh/COD可分解。
德國環保聯邦局（UBA） 2008年發表的報告 “提高市政污水處理廠的能耗效率（Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kl?ranlagen）”內指出，根據目前的技術水平，德國市政污水處理廠通過以下基本思路來挖掘優化潛能是合理的：
通過操作運轉的優化可以節省30% 電耗
通過協同發酵和污泥熱水解等措施可以提高90% 沼氣產電能力
投資回報時間短
因此相對于電能和熱能來說，能源自給污水處理廠理論上是可以實現的。在輸入外來基質進行協同發酵情況下，甚至還可以出現產電剩余的情況。
總之，只要強化市政污水處理廠內的消化塔的功能，通過熱電聯產來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，則污水處理廠的能源自給就不是幻想，而是我們這一代工程師可以實現的理想。
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