3 NEWs實(shí)踐與案例

3.1 營養(yǎng)物工廠

磷回收實(shí)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(yīng)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(shí)，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?yàn)橥都踊瘜W(xué)藥劑成本過高，且運(yùn)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(jiān)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(dāng)?shù)厥姓�污水。該廠以投加MgO方式生產(chǎn)鳥糞石，并實(shí)現(xiàn)污泥減量。同時(shí)，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(dá)80 g P/kg灰分。從污泥灰燼中回收磷，每年可生產(chǎn)PO₄^3- 達(dá)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(xué)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈣是最佳的化學(xué)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(shè)計(jì)處理能力小時(shí)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(dá)4 214 081 m³/a，發(fā)電量可達(dá)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(dá)到43.74%。若考慮余熱利用這部分能量，該廠的碳中和率實(shí)際已達(dá)70%以上。

Veluwe水務(wù)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(shí)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(gè)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(yùn)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(dá)1百萬當(dāng)量人口/a。該廠采用傳統(tǒng)污泥消化工藝，同時(shí)處理自產(chǎn)污泥和鄰近的其它污水處理廠的污泥（達(dá)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(shí)可使污水處理廠減少使用天然氣1 800 000 m³/a，進(jìn)而避免溫室氣體（當(dāng)量CO₂）排放3 200 t/a。

3.3 綜合應(yīng)用案例

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

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

Vallei & Eem水務(wù)局于2009年與其它12個(gè)水務(wù)局共同參與了能源工廠計(jì)劃（the Energy Factory Project），希望通過升級(jí)改造污水處理廠并達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。Vallei & Eem水務(wù)局計(jì)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(dá)到能量自給自足的水平。具體目標(biāo)^[17]是，在2014年Amersfoort污水處理廠（處理能力：300 000當(dāng)量人口/d，處理水量約9 000 m³/h；出水標(biāo)準(zhǔn)：N=10 mg N/L, P=0.2 mg P/L）將以能量工廠方式運(yùn)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(jìn)一步提高能量自給率，該廠于2012年引入DEMON自養(yǎng)脫氮反應(yīng)器；2013年采用了更高效的CHP技術(shù)。

2010年，Vallei & Eem水務(wù)局開展了綜合污水處理廠實(shí)踐研究，研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)污水處理，將所有具有重要價(jià)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(wù)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(jià)值的產(chǎn)品（營養(yǎng)）。

相應(yīng)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(yù)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(yīng)用有機(jī)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(xué)磷回收；2）不在進(jìn)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(wù)局北部地區(qū)其它3個(gè)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(shè)有機(jī)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(wù)局與荷蘭應(yīng)用水研究基金會(huì)（STOWA）已開始了執(zhí)行Omzet-Amersfoort合作研究計(jì)劃（2011~ 2016年），Omzet-Amersfoort合作研究計(jì)劃之目標(biāo)是通過可持續(xù)污水處理，實(shí)現(xiàn)較為有效的資源與能源利用，這一計(jì)劃主要在Amersfoort污水處理廠中實(shí)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(jì)劃分3個(gè)階段實(shí)施: 1）污泥集中消化+熱壓水解（TPH）；2）生物除磷與化學(xué)磷回收；3）CHP余熱干化污泥。歐盟LIFE+資助的方向?yàn)椋?/span>1）創(chuàng)新項(xiàng)目（TPH，磷回收，污泥干化）；2）監(jiān)測結(jié)果；3）知識(shí)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(wù)局需要將污水處理廠既有工藝進(jìn)行升級(jí)改造，并分別通過公開招標(biāo)方式由德國、荷蘭以及加拿大等國公司分獲設(shè)計(jì)、施工等項(xiàng)目，最終將Amersfoort污水處理廠升級(jí)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(jì)，初沉污泥仍在Nijkerk廠單獨(dú)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(shè)初沉池，因而沒有初沉污泥。4個(gè)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(yīng)器回收磷，污泥經(jīng)帶式濃縮機(jī)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(jìn)入Peal反應(yīng)器（投加適量Mg²⁺）與來自于Wasstrip池富磷上清液在此實(shí)現(xiàn)磷回收。經(jīng)Peal反應(yīng)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(yùn)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(xì)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(bǔ)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(yīng)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(jì)劃的第一和第二階段預(yù)計(jì)于2015年完成，這將成為Vallei & Veluwe水務(wù)局實(shí)現(xiàn)污水處理碳中和運(yùn)行的里程碑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)從污泥脫水上清液中回收營養(yǎng)物的目標(biāo)。目前，Amersfoort污水處理廠升級(jí)改造設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。因采用熱壓水解（TPH）而大大促進(jìn)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(dá)130%，產(chǎn)生2 M kWh/a剩余電量供應(yīng)社會(huì)（足以滿足600家庭1年使用）； 4個(gè)污水處理廠總的能源自給率也將達(dá)到70%；CHP余熱最大限度被回收。 4個(gè)污水處理廠進(jìn)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(xué)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(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變致使荷蘭自上世紀(jì)末起對污水處理目標(biāo)追求不僅僅是滿足單一出水標(biāo)準(zhǔn)的需要，完全明確了污水處理的首要目標(biāo)不是“去除”而是“回收”。在代爾伏特理工大學(xué)早期能源利用與資源回收可持續(xù)污水處理理念指導(dǎo)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(biāo)是完全實(shí)現(xiàn)NEWs框架下的三位一體的工廠目標(biāo)。

NEWs框架的建立雖然針對未來污水處理方向，但并不預(yù)示著既有污水處理設(shè)施要被推倒重來，也沒有平地新建示范廠的打算，而是強(qiáng)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(wù)實(shí)的作風(fēng)，也是我們在學(xué)習(xí)理念、技術(shù)時(shí)最先應(yīng)該學(xué)到的內(nèi)涵。

縱觀一些實(shí)踐NEWs框架污水處理廠的工程實(shí)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(shí)。磷回收強(qiáng)調(diào)生物除磷與化學(xué)磷回收相結(jié)合的方式共同實(shí)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(jìn)展點(diǎn)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(jìn)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(jí)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(shí)踐”

刪減整理。

文中照片非論文內(nèi)容，由“水進(jìn)展”編輯提供。