前沿关注 [动态]荷兰未来污水处理新框架NEWs及其实践

基于可持续污水处理理念,荷兰2008年制定出未来污水处理的NEWs框架,即未来污水处理厂将是营养物(Nutrient)、能源(Energy)与再生水(Water)的制造工厂。
( ]& D; r- x' j5 y
, I3 z6 p( v; R 荷兰的应用水研究基金会（STOWA）在2010年的报告中指出，荷兰的污水处理厂有望在2030年从污水处理厂，转型为能源、原料厂。
$ Q8 b+ C* a# r7 o# P

营养物工厂
1 |  J! k5 r) H5 m9 C# b
$ W4 d1 {; p* x  Z9 e
* ]$ C0 H/ k: A( i" _4 f8 h: V
1 M: P$ V# {, N" F
! T' X2 l" y# G, E5 [( O& f+ Q
(1)污水中的营养物质,特别是磷在处理过程中可有效回收,以最大限度延缓磷资源的匿乏速度。这便是营养物工厂的内涵.
2 ?, U! |1 _9 v- G
% t# A$ {3 h* N! T+ J2 d(2)有机物为能量的载体,转化后可用于弥补运行能耗,实现硖中和运行目的;污水本身所含热量交可通过水源热泵转换出大量热/冷能不仅可贡献于碳中和运行,还能向社会输出热/冷量。这就是能源工厂的内容。
* z" J* B# U  W% W8 b7 [5 h7 b
7 R4 {2 c3 o8 d: `: k( C(3)有机物及营养物回收完成后,完成了传统污水处理的主要目标,剩下的资源则是再生水,作为副产品随之产生。所谓再生水工厂即是如此.
3 J3 @' |9 o: j; |  `# [) V  m' D
能源工厂

: V4 O) `: ?; o9 T5 [1 u) k
; P; S$ o" T! k0 A( a

: x/ p8 z/ h5 j8 Z, A原污水经沉砂池去除无机砂砾后,主要靠生物固磷(强化生物除磷,EBPR)将污水中磷富集于污泥中沉淀回收;处理水达标排放/回用;富磷污泥厌氧消化产CH4后脱水干化,主要从干污泥焚烧灰点中回收磺,也可氧化上清液产生磷酸盐,该工艺的主要特点是首先将有机物与营养物质分离,分别回收能源与资源。
& Z7 D9 s. x8 |
7 S9 ?+ e% u% Q" l2 u* I: h6 l4 ^/ }原污水经格栅、微滤网后截留20%的颗粒有机物;经预沉池再沉淀10~15%的SS(悬浮物);后经AB法A段生物吸附沉淀或厌氧消化(AD)生产CH4;出水再经主流ANAMMOX反应去除氨;最后磷以化学结晶方式回收;再生水在排放之前经水源热泵交换热量供热后排放。

0 ^& \8 k2 R* W; j0 |5 r微滤截留有机物、预沉和沉淀池污泥经超临界气化后产生H和CH4它们与厌氧消化产生的CH4一起由燎料电池产电。

! [+ B- s3 ^1 n( V该工艺强调首先截留有机物并使之直接超临界气化,剩余溶解性有机物采用厌氧分解产CH4;氨与磷以无碳源需求的ANAMMOX方式以化学结晶方式去除,以最大化有机物转化能源。

再生水工厂

原污水经AB法的A段和膜生物反应器(MBR)处理后,加臭氧(O3)高级氧化(难降解COD)处理,再经接触池、生物活性炭过滤后,30%处理水经反渗透(RO)深度处理获得锅炉补充水甚至是饮用水(20%),10%(间排)的浓液与另外70%(直排)处理水最后排入芦苇湿地或地表水系统。


3 S5 u! ~# {6 N- x1 {
9 V; a7 \6 i4 }6 x
该工艺虽可保证获得稳定的水质和水量,但是MBR与RO这样的膜技术能耗极高,需要有充足的剩余污泥提供有机能量(CH4)。否则,实现碳中和运行目标需要利用污水热量(水源热泵)予以弥补。


, Q$ p- c& q$ Y* D5 \4 }6 \, Z以Amersfoort污水厂为例,与其他3个污水处理厂(Soest、Nijkerk与Woudenberg)合作,升级改造后,N污水厂拥有较新的CHP,故初沉污泥仍在该厂单独厌氧消化处理,泻气经CHP产电和热用于该厂、W厂未设初沉池,因而没有初沉污泥。
! u% k2 n7 {: p
1 m9 `! `$ ~, `+ b4 y$ S4个污水处理厂的初沉污泥和二沉污泥(刚提到的两个厂除外)被送往磷分离单元(Wasstrip工艺)池中释放磷后富磷上清液送往Peal反应器回收磷,污泥经浓缩后送往消化池。消化过程中,污泥通过热压水解处理以生产更多沼气,沼气通过CHP发电产热。
" c! i- O' c9 ]2 W" r+ d7 U$ B( V
9 b1 x4 |$ k  e) x/ h消化污泥脱水上清液进入Peal反应器与来自于Wasstrip池富磷上清液在此实现磷回收。经Peal反应器磷回收后高氨氨污泥上清液通过自养脱氮(DEMON)方式被大部分去除。CHP所产电和热主要用于Amersfoort污水处理厂运行,过刻的电将送往外部电网,余热将在未来用于污泥干化或其他目的。

3 h9 a. |# M& s
# `; D3 t5 u, F4 S  H% [, q$ [6 g
  f) S2 h9 `1 i$ W' M5 k

6 B" z1 M9 ?# Y7 [6 E$ I2 L新工艺中主要采用的技术措施:

(1)污泥热压水解技术(THP):在高温高压下裂解污泥细胞结构以提高沼气产量;
2 `  v  L. `9 @% k* o0 b/ r4 w
. R9 y8 r  L; M/ }% q(2)磷回收技术(Wasstrip+Peal):

Wasstrip工艺是对Peal营养回收技术的理想补充,W工艺在剩余污泥浓缩消化之前将磷和镁从剩余污泥中分离,形成富磷与镁的上清液,并被直接送往Peal反应器。Peal技术用于侧流处理含高磷和氨氨浓度的脱水污泥上清液,主要生成鸟粪石(MgNH4PO4.6H20)产品。Peal技术可以回收上清液中90%以上的磷,鸟粪石颗粒纯度超过99.9%,其颗粒尺寸和硬度都非常适合用作肥料。
/ |0 ^9 w0 v8 _) _+ x. t" ?
最终,Amersfoort污水厂能源自给率高达130%,产生剩余电量供应社会可满足600个家庭1年使用;4个污水厂总的能源自给率也达到70%;热电联产余热最大限度被回收。4个污水厂进水总磷的42%得以回收并转化为对环境无害的高质肥料;化学药剂使用量将减少50%;污泥脱除31%的水分;投资回收年限为6~7年。
& a; ^( `) u$ Y; W5 F2 y2 m- N9 l

) e4 X3 C/ ~  h% O  [: M未来要做的不是将污水处理厂改造为单一的营养物、能源或再生水工厂,而是要尽可能更多地发掘污水资源/能源化潜力,在同一污水处理厂内实现营养物、能源和再生水三位一体的生产厂(NEW5)

! W2 f, H2 B; b% p  \8 A磷回收强调生物除磷与化学磷回收相结合的方式共同实施,污泥转化能源则要求最大化污泥产量,即污泥增量化。

# K* N3 l5 e- @# v1 ?9 L1 x; [% e仍需意识到的是,NEWS能否变为现实的根本条件是其产品一一营养物、能源和再生水可否成为下游企业愿意接受的产品,这需要管理人员在技术研发的同时也要积极寻求产品的潜在市场。


" Y" ]) S/ q: F( t1 O
" G% ^' i3 n7 ^' I

向能源厂转型

4 G. v, @& `" o+ E    为了提升能源的产量，保证最低的能源消耗和最高的能源回收，可以对污水厂以下几个标红的过程进行优化。
/ {0 ~1 A2 V' [/ u, G

2 y: R4 `4 {1 b5 K1 ^3 l3 o

' b% z  }7 j# i2 y. L' s* L    荷兰专家们设计出的技术路线范例如下：
/ H# O* I' j6 R
5 C8 x# g4 M: B5 D' u; O) B
# i+ Q( e) W+ [) R' \; R' M2 D

    其中一些要点：

+ ]- M; W# o9 h2 R0 L-   分离COD而不是通过好氧降解（曝气时优化沼气产量和能源消耗）；

4 A& f: M3 [6 i0 W5 c4 [-   采用低能耗的方式去除氮、磷和残留的COD（脱氨将是重要的工具）；
6 B, b6 X5 Y$ q6 ]* V3 C
! \; r4 h7 d; q5 @) `8 \-   最大限度地回收污泥的热量。
: u& ]' W* C9 U4 b- }1 ]/ y+ J- y

* I1 A& |8 h7 j' _# C2 B
向原料厂转型
; S4 C$ w* `. B: y5 I; h7 y% D
  t) [, _5 {9 p" F8 l: i    传统的污水厂视营养物（氮磷等）为污染物而不是资源。当前，随着对资源回收的高度重视，可以在水厂中涂黄的几个过程开展原料回收。
+ h' i7 j; v' ^$ H
) f- P+ N5 }% ^# A


' k9 M. V9 E2 [8 `9 \! o1 [. D    专家们为此设计的范例如下：

$ A# e$ R) J4 G4 q- q& r; v/ m# ?

* K) R2 t3 L# ?; ^4 S3 S7 A
2 Y/ S2 k; S$ ?( t2 }3 \