”新概念污水廠？“—基于NEWs理念的污水廠案例分享 高度概括為營養(yǎng)物+能量+再生水工廠的NEWs框架

3 NEWs實踐與案例

3.1 營養(yǎng)物工廠

磷回收實踐很早就已出現(xiàn)在荷蘭。1993年起，Geestmerambacht污水處理廠已開始在側(cè)流中采用結(jié)晶反應器從剩余污泥中回收顆粒狀磷酸鈣，用于磷酸鹽工業(yè)原料。其實，側(cè)流磷回收工藝曾經(jīng)在很多污水處理廠都有使用過，但因為投加化學藥劑成本過高，且運行中存在一些問題，使得這種磷回收工藝大都銷聲匿跡。到2004年， Geestmerambacht廠成為唯一堅守此工藝的污水處理廠。

Steenderen污水處理廠處理來自于土豆加工廠廢水和當?shù)厥姓�污水。該廠以投加MgO方式生產(chǎn)鳥糞石，并實現(xiàn)污泥減量。同時，該廠采用ANAMMOX工藝側(cè)流處理污泥消化液。

在荷蘭南部SNB地區(qū)，污水處理廠污泥采用焚燒處理（400 000 t/a），磷酸鹽（PO₄^3-）被濃縮后殘留于灰燼中，其含量可達80 g P/kg灰分。從污泥灰燼中回收磷，每年可生產(chǎn)PO₄^3- 達3 100 t P/a，并被銷售至磷酸鹽工業(yè)（Thermphos）。

Deventer 污水處理廠采用BCFS工藝，該工藝厭氧池側(cè)流上清液中含有高濃度PO₄^3-（30~50 mg P/L），可使用化學結(jié)晶方法投加金屬鹽予以分離、回收。該污水處理廠對多種金屬鹽（鈣、鋁和鎂）試驗發(fā)現(xiàn)，鈣是最佳的化學藥劑，且附加成本低于附加收益。

3.2 能源工廠

Dokhaven污水處理廠位于荷蘭南部城市鹿特丹市中心一廢棄碼頭，是荷蘭唯一的地下污水處理廠，其設計處理能力小時流量分別為9 100 m³/h（旱季）和19 000 m³/h（雨季）；該廠主流工藝采用AB法，側(cè)流采用了SHARON+ANAMMOX技術(shù)對污泥厭氧消化液進行自養(yǎng)脫氮。A、B兩段剩余污泥以不同脫水方式脫水至進入后續(xù)消化池（2座）厭氧消化產(chǎn)CH₄，并用于CHP發(fā)電和產(chǎn)熱：電用于污水處理廠運行，余熱用于消化系統(tǒng)加熱和冬季辦公室取暖等。目前生產(chǎn)沼氣量達4 214 081 m³/a，發(fā)電量可達8 282 946 kWh/a，而污水處理廠電力消耗為18 934 740 kWh/a，這使得電力自給率達到43.74%。若考慮余熱利用這部分能量，該廠的碳中和率實際已達70%以上。

Veluwe水務局與Apeldoorn市政局及Essent供電公司合作，在Apeldoorn 污水處理廠引入?yún)捬豕蚕�化技術(shù)來同步處理剩余污泥和餐余垃圾，同時對污泥厭氧消化液采用側(cè)流自養(yǎng)脫氮（DEMON）工藝處理，以減少碳源消耗，增加更多剩余污泥量供厭氧消化轉(zhuǎn)化沼氣后用于CHP發(fā)電，CHP余熱為水廠附近2 500戶家庭供熱，可減少該居民區(qū)50%~60%CO₂排放量。

Garmerwolde污水處理廠采用AB法中的A段將COD作為污泥（生物吸附）分離，并利用2個連續(xù)厭氧消化池處理這些污泥以及鄰近污水處理廠剩余污泥。消化污泥脫水上清液處理采用節(jié)能型中溫亞硝化SHARON工藝；沼氣CHP發(fā)電可以滿足60%~70%運行能耗，余熱則用于加熱消化池。

阿姆斯特丹西區(qū)（AmsterdamWest）污水處理廠目前是荷蘭最大的污水處理廠之一，處理能力達1百萬當量人口/a。該廠采用傳統(tǒng)污泥消化工藝，同時處理自產(chǎn)污泥和鄰近的其它污水處理廠的污泥（達100 000 t/a）。沼氣和消化后污泥送至附近垃圾焚燒廠使用和最終處置并生產(chǎn)能量：1）電20 000 MWh/a；2）熱50 000 GJ/a。反向，由垃圾焚燒廠向污水處理廠供電供熱，可滿足污水處理廠電力需求的40%，同時可使污水處理廠減少使用天然氣1 800 000 m³/a，進而避免溫室氣體（當量CO₂）排放3 200 t/a。

3.3 綜合應用案例

NEWs發(fā)展的終級目標是在同一污水處理廠內(nèi)實現(xiàn)營養(yǎng)物、能源與水的三位一體生產(chǎn)。

Vallei & Eem水務局在2010~2015年綜合處理計劃中，將可持續(xù)污水處理作為其運行目標，并制定出一些實施措施。

Vallei & Eem水務局于2009年與其它12個水務局共同參與了能源工廠計劃（the Energy Factory Project），希望通過升級改造污水處理廠并達到碳中和運行目標。Vallei & Eem水務局計劃以Amersfoort污水處理廠為案例，探求新技術(shù)與新工藝，以使污水處理廠至少能達到能量自給自足的水平。具體目標^[17]是，在2014年Amersfoort污水處理廠（處理能力：300 000當量人口/d，處理水量約9 000 m³/h；出水標準：N=10 mg N/L, P=0.2 mg P/L）將以能量工廠方式運行，除能量回收外，營養(yǎng)物質(zhì)（N，P）也予以回收利用。為增加產(chǎn)能并降低能耗，Amersfoort污水處理廠從2010年起使用活性炭過濾沼氣，以提高沼氣中CH₄含量；2011年引入微曝氣系統(tǒng)以提高曝氣效率。這些措施使得Amersfoort污水處理廠的能量自給率已從30%提高到了50%。為進一步提高能量自給率，該廠于2012年引入DEMON自養(yǎng)脫氮反應器；2013年采用了更高效的CHP技術(shù)。

2010年，Vallei & Eem水務局開展了綜合污水處理廠實踐研究，研究目標是實現(xiàn)可持續(xù)污水處理，將所有具有重要價值的資源與能源從污水中回收利用。為使Amersfoort污水處理廠轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)的污水處理廠，Vallei & Eem水務局的主要考慮依據(jù)為：

1）工藝能耗最小化；

2）消化產(chǎn)能最大化；

3）回收污水中有價值的產(chǎn)品（營養(yǎng)）。

相應采取的具體技術(shù)為：1）吸納他廠污泥在Amersfoort廠集中消化；2）采用熱壓水解方式預處理污泥，以提高沼氣產(chǎn)量；3）磷回收；4）消化污泥上清液自養(yǎng)脫氮；5）應用有機朗肯循環(huán)（ORC）改善沼氣發(fā)電效率；6）余熱干化污泥，干化污泥用作熱電廠燃料。

經(jīng)為期1年的綜合研究，基本確定了綜合污水處理的大方向：1）生物除磷與化學磷回收；2）不在進水中投加聚電解質(zhì) PE（在初沉池中投加PE增加初沉污泥量對消化產(chǎn)能并沒有起到積極作用，并可能影響出水水質(zhì)）；3）水務局北部地區(qū)其它3個污水處理廠（Soest,Nijkerk與Woudenberg）污泥在Amersfoort廠集中厭氧消化+熱壓水解（TPH），并干化75%消化污泥（因用于污泥干化的余熱是有限的）；5）采用不設有機朗肯循環(huán)（ORC）的CHP方式。

基于綜合污水處理廠研究結(jié)果，Vallei& Eem水務局與荷蘭應用水研究基金會（STOWA）已開始了執(zhí)行Omzet-Amersfoort合作研究計劃（2011~ 2016年），Omzet-Amersfoort合作研究計劃之目標是通過可持續(xù)污水處理，實現(xiàn)較為有效的資源與能源利用，這一計劃主要在Amersfoort污水處理廠中實施，將Amersfoort污水處理廠轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉磁c資源回收工廠。Omzet-Amersfoort計劃分3個階段實施: 1）污泥集中消化+熱壓水解（TPH）；2）生物除磷與化學磷回收；3）CHP余熱干化污泥。歐盟LIFE+資助的方向為：1）創(chuàng)新項目（TPH，磷回收，污泥干化）；2）監(jiān)測結(jié)果；3）知識共享。

為了將Amersfoort污水處理廠改造為資源與能源回收工廠，水務局需要將污水處理廠既有工藝進行升級改造，并分別通過公開招標方式由德國、荷蘭以及加拿大等國公司分獲設計、施工等項目，最終將Amersfoort污水處理廠升級改造為如圖7所示工藝。

Nijkerk污水處理廠目前擁有較新的CHP，故將初沉污泥送往Amersfoort污水處理廠集中處理并不經(jīng)濟，初沉污泥仍在Nijkerk廠單獨厭氧消化處理，沼氣經(jīng)CHP產(chǎn)電和熱用于Nijkerk污水處理廠。Woudenberg廠未設初沉池，因而沒有初沉污泥。4個污水處理廠初沉污泥和二沉污泥（Nijkerk 和Woudenberg初沉污泥除外）送往磷分離單元（Wasstrip工藝）池中釋放磷后富磷上清液送往Peal反應器回收磷，污泥經(jīng)帶式濃縮機濃縮后送往消化池。消化過程中，污泥通過熱壓水解處理以生產(chǎn)更多沼氣，沼氣通過CHP發(fā)電產(chǎn)熱。消化污泥脫水上清液進入Peal反應器（投加適量Mg²⁺）與來自于Wasstrip池富磷上清液在此實現(xiàn)磷回收。經(jīng)Peal反應器磷回收后高氨氮污泥上清液通過自養(yǎng)脫氮（DEMON）方式被大部分去除。CHP所產(chǎn)電和熱主要用于Amersfoort污水處理廠運行，過剩的電將送往外部電網(wǎng)，余熱將在未來用于污泥干化或其他目的。

新工藝中主要采用了：1）污泥熱壓水解技術(shù)（THP）。在高溫高壓下裂解污泥細胞結(jié)構(gòu)以提高沼氣產(chǎn)量；2）磷回收技術(shù)（Wasstrip^[22] +Peal^[23]）。Wasstrip工藝是對Peal營養(yǎng)回收技術(shù)的理想補充，這一工藝在剩余污泥濃縮消化之前將磷和鎂從剩余污泥中分離，形成富磷與鎂的上清液，并被直接送往Peal反應器。Peal技術(shù)用于側(cè)流處理含高磷和氨氮濃度的脫水污泥上清液，主要生成鳥糞石（MgNH₄PO₄·6H₂O）產(chǎn)品。Peal技術(shù)可以回收上清液中90%以上的磷，鳥糞石顆粒純度超過99.9%，其顆粒尺寸和硬度都非常適合用作肥料，收集干燥后可包裝成優(yōu)質(zhì)肥料——Crystal Green.

Omzet-Amersfoort計劃的第一和第二階段預計于2015年完成，這將成為Vallei & Veluwe水務局實現(xiàn)污水處理碳中和運行的里程碑，同時實現(xiàn)從污泥脫水上清液中回收營養(yǎng)物的目標。目前，Amersfoort污水處理廠升級改造設計已經(jīng)完成。因采用熱壓水解（TPH）而大大促進了污泥厭氧消化產(chǎn)CH₄，這便可使Amersfoort 污水處理廠能源自給率高達130%，產(chǎn)生2 M kWh/a剩余電量供應社會（足以滿足600家庭1年使用）； 4個污水處理廠總的能源自給率也將達到70%；CHP余熱最大限度被回收。 4個污水處理廠進水總磷的42%將得以回收并轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無害的高質(zhì)肥料Crystal Green（900 t/a）；化學藥劑使用將減少50%。

4 結(jié)語

視污水為資源與能源載體的認識轉(zhuǎn)變致使荷蘭自上世紀末起對污水處理目標追求不僅僅是滿足單一出水標準的需要，完全明確了污水處理的首要目標不是“去除”而是“回收”。在代爾伏特理工大學早期能源利用與資源回收可持續(xù)污水處理理念指導下，荷蘭STOWA于2008年將這一理念高度概括為營養(yǎng)物+能量+再生水工廠的NEWs框架，并在污水處理基本流程與現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上分別提出了三種不同側(cè)重的概念工藝。然而，STOWA的終極目標是完全實現(xiàn)NEWs框架下的三位一體的工廠目標。

NEWs框架的建立雖然針對未來污水處理方向，但并不預示著既有污水處理設施要被推倒重來，也沒有平地新建示范廠的打算，而是強調(diào)既有污水廠根據(jù)自身情況、因地制宜地向著NEWs框架的部分或全部逐漸逼近。這就是荷蘭人一貫務實的作風，也是我們在學習理念、技術(shù)時最先應該學到的內(nèi)涵。

縱觀一些實踐NEWs框架污水處理廠的工程實踐不難看出，傳統(tǒng)工藝仍然占據(jù)著荷蘭污水處理的主流。資源、能源回收目前以磷回收與污泥轉(zhuǎn)化能源（CH₄）為主要核心，也最為現(xiàn)實。磷回收強調(diào)生物除磷與化學磷回收相結(jié)合的方式共同實施，污泥轉(zhuǎn)化能源則要求最大化污泥產(chǎn)量，即，污泥增量化。

水進展點評：

NEWs框架含義為”營養(yǎng)物+能量+再生水“三位一體的框架，荷蘭NEWs的2030年路線圖，在污水處理基本流程與現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上分別提出了三種不同側(cè)重的概念工藝。這些理念，一直在引領(lǐng)國際上污水處理技術(shù)的先進發(fā)展方向。NEWs框架并不是對既有工藝的否定，也不提倡盲從新技術(shù)，而是要求荷蘭既有污水處理廠按框架內(nèi)容、因地制宜地選擇適合自己的升級改造工藝方案。

本文根據(jù)《中國給水排水》2014年20期郝曉地教授論文，原文題目“

荷蘭未來污水處理新框架——NEWs及其實踐”

刪減整理。

文中照片非論文內(nèi)容，由“水進展”編輯提供。