德國可持續(xù)污水處理工程典范——Steinhof廠

郝曉地, 任冰倩，曹亞莉

(北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京100044)

可持續(xù)污水處理之目標以回收污水中資源與能源為己任，特別強調(diào)工藝運行逼近碳中和目標，以減少CO₂等溫室氣體的排放。德國布倫瑞克（Braunschweig）市運行已半個多世紀的老廠——斯泰因霍夫（Steinhof）的工藝實踐演示，從剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH₄）中回收的能量不僅可滿足其自身供熱需要，而且還能提供全廠包括深度處理、營養(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。這實際上使得該廠總外源CO₂減少高達114%，已超額完成碳中和運行目標。強化能量（CH₄）生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化技術(shù)的改進措施顯示，向厭氧消化池內(nèi)投加青草等共消化基質(zhì)、對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CO₂減排量進一步提高。該廠在營養(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。

德國早在20世紀末便開始關(guān)注污水廠的耗能及能量平衡問題，并于1999年編制了污水廠能源使用手冊，對污水廠每個處理階段能耗與各種可利用能源進行了詳細分析。德國2006年對344座污水廠進行能耗分析發(fā)現(xiàn)，污水廠平均能耗經(jīng)運行優(yōu)化后均降低了50%，每年可節(jié)約能耗費用約為3~4億歐元。斯泰因霍夫污水廠自1954年投入運行以來，因其在可持續(xù)發(fā)展方面的成功示范，目前已被看作一個能量與資源回收的成功案例。剩余污泥是該廠能源回收注意力的焦點，通過厭氧消化產(chǎn)甲烷方式實現(xiàn)污水中蘊含能量的回收。為提高污泥厭氧消化CH₄生成量，該廠對污泥首先進行了熱解預(yù)處理，并在厭氧消化過程中通過投加額外有機質(zhì)來強化CH₄生成。此外，該廠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工藝實踐表明，通過對剩余污泥進行傳統(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足厭氧消化中溫加熱（38 ℃）的全部熱量，而且還能滿足污水處理、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。這實際上使得該廠總外源CO₂減少高達114%，已超額完成碳中和運行目標。其實，在不考慮出水進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，該廠回收的能量已完全可以滿足污水、污泥處理的耗電量（103%），即單就污水、污泥處理能量需求而言，該廠自產(chǎn)能量完全可以自給自足，且略有盈余（3%）。
強化能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的技術(shù)改進措施顯示，向消化池外加青草等共基質(zhì)、對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，有望彌補綜合能耗21%的缺口。誠然，斯泰因霍夫污水處理廠能源消耗基本上可以接近碳中和運行目標的原因是進水中COD濃度過高而導(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。針對我國多屬低碳源污水處理的現(xiàn)實，在考慮污泥厭氧消化的同時再實踐污水源熱泵轉(zhuǎn)化熱量技術(shù)，碳中和運行也將不再是夢。

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

可持續(xù)污水處理之目標以回收污水中資源與能源為己任，特別強調(diào)工藝運行逼近碳中和目標，以減少CO₂等溫室氣體的排放。德國布倫瑞克(Braunschweig)市運行已半個多世紀的老廠——斯泰因霍夫(Steinhof)的工藝實踐演示，從剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH₄)中回收的能量不僅可滿足其自身供熱需要，而且還能提供全廠包括深度處理、營養(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。這實際上使得該廠總外源CO₂減少高達114%，已超額完成碳中和運行目標。強化能量(CH₄)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化技術(shù)的改進措施顯示，向厭氧消化池內(nèi)投加青草等共消化基質(zhì)、對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CO₂減排量進一步提高。該廠在營養(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。

德國早在20世紀末便開始關(guān)注污水廠的耗能及能量平衡問題，并于1999年編制了污水廠能源使用手冊，對污水廠每個處理階段能耗與各種可利用能源進行了詳細分析。德國2006年對344座污水廠進行能耗分析發(fā)現(xiàn)，污水廠平均能耗經(jīng)運行優(yōu)化后均降低了50%，每年可節(jié)約能耗費用約為3~4億歐元。

斯泰因霍夫污水廠自1954年投入運行以來，因其在可持續(xù)發(fā)展方面的成功示范，目前已被看作一個能量與資源回收的成功案例。剩余污泥是該廠能源回收注意力的焦點，通過厭氧消化產(chǎn)甲烷方式實現(xiàn)污水中蘊含能量的回收。為提高污泥厭氧消化CH₄生成量，該廠對污泥首先進行了熱解預(yù)處理，并在厭氧消化過程中通過投加額外有機質(zhì)來強化CH₄生成。此外，該廠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工藝實踐表明，通過對剩余污泥進行傳統(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足厭氧消化中溫加熱(38 ℃)的全部熱量，而且還能滿足污水處理、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。這實際上使得該廠總外源CO₂減少高達114%，已超額完成碳中和運行目標。其實，在不考慮出水進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，該廠回收的能量已完全可以滿足污水、污泥處理的耗電量(103%)，即單就污水、污泥處理能量需求而言，該廠自產(chǎn)能量完全可以自給自足，且略有盈余(3%)。

強化能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的技術(shù)改進措施顯示，向消化池外加青草等共基質(zhì)、對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，有望彌補綜合能耗21%的缺口。

誠然，斯泰因霍夫污水處理廠能源消耗基本上可以接近碳中和運行目標的原因是進水中COD濃度過高而導(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。針對我國多屬低碳源污水處理的現(xiàn)實，在考慮污泥厭氧消化的同時再實踐污水源熱泵轉(zhuǎn)化熱量技術(shù)，碳中和運行也將不再是夢。

原標題:德國可持續(xù)污水處理工程典范——Steinhof廠