剩余污泥德国：市政污水污泥处理处置及磷回收技术

查看全部 · 发表于 2021-4-3 20:20:35

德国于2017年10月3日通过了对《污水污泥条例》的修订，核心内容是要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷。按德国污水污泥处置的相关立法，只有符合《污水污泥条例》《肥料条例》的限值要求，才允许污水污泥排放并进行土壤利用。分析了德国磷的供需矛盾及磷回收潜力及方法，介绍了德国经济型磷回收情况。从德国污水污泥处置途径的发展来看，由于协同焚烧投资相对较低，在德国曾是发展的主流方向，但随着《污水污泥条例》的执行，德国将逐步转向单独焚烧处理，到2029年必将基本废弃协同焚烧处理方式。德国污水污泥处理处置经验可为我国污水污泥的处理处置提供有益借鉴。

1 德国污泥处理现状

2016年德国城市污水处理厂共产生约180万t污水污泥干基，其中大部分进行了焚烧处理。自2005年6月1日德国禁止有机污泥填埋处置以来，污水污泥热处理量增加了约64%。相应地，其在农业与景观工程方面加以土地利用的比例则逐年下降。2012年该比例还在45%以上，但随着土地利用质量要求的不断提高与肥料法规定的应用限制，2016年该比例已下降到了仅35%。

德国于2017年10月3日通过了对《污水污泥条例》的修订，其核心内容是要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷。按新条例，城镇污水处理厂污泥需进行磷回收处理。对于人口当量大于10万的污水处理厂，过渡期的截止期限在2029年1月1日；5～10万人口当量的污水处理厂的期限在2032年1月1日，在期限日之前，污水处理厂污水污泥可按现状遵循肥料法继续用作土壤肥料；在过渡期之后，含磷量大于20 g/kg总固体的污水污泥须采用磷回收工艺，要求从污水污泥总固体中回收50%以上的磷，或将污水污泥焚烧灰中的磷含量降低到不足20 g/kg总固体或需从中回收80%以上的磷。人口当量≤5万的小型污水处理厂产生的污水污泥则不受制于该新修订条例。

2 污水污泥处置相关部分立法

2.1 《循环经济法》

德国污水污泥处置的法律依据是2012年2月24日发布的《循环经济法》。该法于2012年6月1日实施，于2017年7月20日进行了修订，其目的在于通过加强废物减量及废物回收，以持续地改善废物管理中的环境及气候保护和资源化。德国执行欧盟废弃物框架指令（2008/98/EC），引入了五层次等级系列。该法案按此规定了五层级废物等级系列，依次包括减量、预备再利用、回收、能源性利用等其他利用、消除。基于该等级系列，在废物生产和管理中应优先考虑那些有助于人类和环境保护的最佳措施，同时需要考虑废弃物处理的全生命周期。此外，还须特别考虑预期排放量、自然资源保护程度、使用或提取的能源、产物及拟回收废弃物或其衍生物中污染物的积累。

《循环经济法》第11条要求应由条例规范污水污泥管理，以确保污水污泥利用安全合理。修订版《污水污泥条例》即以此为基础。

《循环经济法》第12（1）条规定，建立自愿定期质量保证机制，以促进循环经济，并确保在污水污泥的生产及管理中保护好人类及环境。修订版《污水污泥条例》对此进行了规定。

2.2 2017修订版《污水污泥条例》

修订版《污水污泥条例》于2017年10月3日正式生效，整体取代1992年旧版条例。条例首次对污水污泥或污水污泥焚烧灰提出了磷回收要求。条例除上述磷回收的核心内容以外，还有以下污水污泥相关规定：

（1）条例第1条规定了污水污泥在农业、农艺、林业或园艺土壤中的应用。

（2）条例第3条规定了污水污泥生产方有义务尽可能高效利用污水污泥，并力求回收含磷，以将回收的磷或含磷的污泥焚烧灰应用至循环经济中去。

（3）条例第4及第5条规定了污水污泥生产方的核实义务，须支付土壤及污水污泥测试费用，并委托第三方取样测试。第4条规定了在首次污水污泥土地利用前及其之后每隔10年须进行一次土壤测试，分析土壤类型、重金属、pH、磷酸盐含量及多氯联苯和苯并（a）芘。第5条规定了污水污泥生产方对污水污泥的调查义务，要求对每250 t干基进行每年4～12次的分析，分析内容包括：砷、铅、镉、铬、六价铬、铜、镍、汞、铊和锌含量，含卤有机化合物，总氮含量和铵含量，磷含量，残渣量，有机物，氧化钙，铁含量，pH。

(4)条例第7条规定，只有符合《污水污泥条例》及《肥料条例》的限值要求，才允许污水污泥排放并进行土壤利用，主要限值见表1。

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(5)条例第14条规定，3年内每公顷施用的污水污泥干基量不得超过5 t。

(6)条例第15条规定，若使用土壤为如下情形，则不允许污水污泥的土地利用：牧场和永久草地，耕地牧草区域，除谷物用途和产沼以外的玉米耕地，用于喂食甜菜的耕地，蔬菜、水果或啤酒花耕地，庭院、菜园或小花园，林业区域，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水保护区，自然保护区，各州公园，各州自然历史遗迹，自然纪念碑，受保护景观和受保护的生物群落。

2.3 欧盟污水污泥指令

该指令规定了污水污泥及土壤中重金属的限值，以及每年可施用于土壤的重金属限值，如一种或多种重金属的浓度超过指令规定限值，则禁止使用污水污泥；指令规定了需要分析的其他参数，并规定了污水污泥应检查的最小时间间隔；指令还包括了一些应用限制，如不得对生长季节的水果和蔬菜作物施用污水污泥；指令还规定，欧盟成员国须每3年提交一份报告，以说明该法令的执行情况，其中须报告污水污泥产生量、农业使用量及其组分。

2.4 肥料法

肥料法于2017年进行修订。以下简要介绍了污水污泥利用相关内容。

2.4.1 《肥料法案》

《肥料法案》于2017年5月15日进行修订，其中特别规定了肥料、土壤改良剂、植物助剂和栽培基质的营销和使用要求。该法案的目的是确保作物的营养，维持并提高土壤肥力，防止或避免由本法案所指的肥料和其他基质对人类和动物造成危害。法案要求确保在农业生产中养分的可持续性及资源的高效利用，特别是应尽可能避免对环境的营养损失，要求施肥须有良好的专业作业，并须结合植物要求以及土壤在类型、数量和施用时间方面的养分含量要求。

2.4.2 《肥料应用条例》

现行的《肥料应用条例》于2017年6月2日生效，条例规定了肥料应用方面良好专业作业的要求，并对肥料在农用作出了规定：最高施肥量不得超过每100 g土壤P2O5量大于20 mg的磷素释放量；从2020年起3年平均每公顷只允许50 kg氮，从2023年起6年每公顷只能允许10 kg磷。

2.4.3 《肥料条例》

2009年1月9日的《肥料条例》于2017年5月26日末次修订。按该条例，污水污泥属于有机肥料，污水污泥焚烧灰和磷回收中的各种回收物料认定为磷酸盐肥料。

2.5 《第17号联邦排放控制条例》(17. BImSchV)

2013年5月2日的17.BImSchV适用于单独焚烧或协同焚烧污水污泥的处理厂。为限制排放，条例对总粉尘、硫氧化物、氯化氢、氟化氢、氮氧化物、汞及其化合物、一氧化碳、有机化合物和重金属规定了限值。条例的基本要求是确保后燃室温度850 ℃以上，并持续2 s以上，以将焚烧灰中的有机物含量降低至低于3% 的TOC或5%的灼减率。其中该条例的第10条对于热输出功率50 MW以上的焚烧厂的年均排放限值进行了规定，要求其NOx的排放浓度不得超过100 mg/m³，汞及其化合物（以汞计）的浓度不得超过0.01 mg/m³。

2.6 《空气质量控制技术指引》

该指引涵盖了商业和工厂大气污染物的排放要求。关于污水污泥处理，针对污水污泥干化有相应规定，要求污水污泥干化厂在干燥过程中产生的废气可直接源头收集，并送入废气净化装置，并须控制氨、总粉尘、气态无机氯化合物、有机物质、异味物质的排放浓度。

2.7 《填埋条例》

2009年4月27日的《填埋条例》对垃圾填埋场的建设、运营、封场等进行了规范。条例于2017年9月27日形成修订版。根据废物的危险性质，该条例明确了以下5个具有不同特性的填埋类别：

0级：惰性废物填埋（几乎为零污染的矿物废物）；

Ⅰ级：非危险废物填埋场（有机含量极低的极低污染矿物废物）；

Ⅱ级：非危险废物填埋场（有机含量低的低污染矿物废物）；

Ⅲ级：危险废物填埋；

Ⅳ级：地下填埋。

在德国，原则上不允许在0级和Ⅰ级处置有机碳含量超过1%的废物，包括污水污泥。

3 磷的供需矛盾

磷仅以结合态存在于自然界中，通常以磷酸盐的形式存在。磷酸盐不可再生，大部分取自磷矿。磷矿的长期供应则取决于矿藏的可利用性及其技术利用经济性。

全球对磷资源的需求正在稳步增长。世界人口的增长和发展中国家人民对更高生活水平的追求促进了磷需求。特别是，肉类消费需求增加促进了全球磷消费。

沉积矿的原磷质量下降是一个重要问题，因其含有毒重金属（特别是镉含量高达147 mg/kg P）和核素（特别是高达687 mg/kg P的铀）。根据目前的一项研究，磷资源供不应求的 “需磷高峰”预计将发生在2051~2092年之间。

按统计，约95%的矿藏由10个国家控制，地球上80%以上的经济可开采磷矿位于非洲。欧洲唯一的磷矿在芬兰，其23亿t的储量占全球储量不足1%。按相关资料，截至2011年底，我国磷矿资源也仅占世界磷矿资源总量的5.7%，且富磷矿比例较低，全国磷矿平均品位（P2O5）仅17%左右，有预测表明我国中、高品位磷矿石仅能支持30年左右地国内需求，由此可见我国磷矿石资源的稀缺性将不断逐年提升。

德国完全依赖于进口原磷，因此磷是一种战略资源。德国早在2000年已实现了污水脱氮除磷及其深度处理，污水中约90%的含磷排至污泥之中。随着污水污泥土地利用率的明显下降，1991年到2016年污水污泥的热处理（干化、焚烧）率从10%增加到65%，但污水污泥焚烧后的灰分不能直接进行磷的土地利用，如灰分中的磷直接用于土壤，则植物很难吸收，不仅肥效低，而且还会引起土壤板结。因此，德国高度重视回收污水污泥中的磷资源，并于近年开发出诸多磷回收技术。

4 磷回收潜力及方法

鉴于上述情况，德国多年来一直致力于开发合适的磷回收技术。早在2004～2011年，作为德国联邦政府资源保护倡议的一部分，联邦教育与研究部和当时的联邦环境、自然保护与核安全部开展了磷回收技术的工艺开发以及大规模实施。此时，考虑的物质流是市政污水污泥、市政污水、剩余粪肥等。

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表2显示了德国某些物料流的磷回收潜力。

2013年联邦政府决定停止将污水污泥用作肥料，而要求从中回收磷和其他养分，强调了污水、污水污泥和污水污泥焚烧灰作为磷回收技术的发展重点。在各种研究项目中，开发了湿式化学法、热化学等工艺以从污水污泥、污泥液和污水污泥灰中回收磷。

磷回收大多采用湿式化学法，如采用沉淀工艺回收磷酸铵镁（MAP，俗称鸟粪石）。湿式化学法通常可回收污水处理厂进水中5%～30%的磷，因在大多数情况下仅回收污泥液中的部分磷。该方法实施起来往往相对简单，成本也较低，且作为氮磷化肥具有良好的植物吸收性。

与湿式化学沉淀工艺相比，热处理工艺在技术上相对较为复杂，成本相对较高。但该方法都能使污水处理厂进水中磷的回收率高达90%以上，而且在污水污泥焚烧过程中焚毁了污水污泥中的有机污染物。

磷回收物料的植物吸收性因采用工艺不同而有很大差异。污水污泥的单独焚烧相对占优，因为该磷回收技术取得磷的浓度相对较高，且重金属等污染物浓度可控。如德国对近180万t/年的污水污泥的焚烧完全基以单独焚烧，并对后续磷进行回收，那么理论上每年可从焚烧灰中回收5万t左右的磷。这相当于当前农业矿物磷消耗量的40%。由于污水污泥焚烧灰是合法认可的肥料，只要符合《肥料条例》限值要求，便可直接用作肥料。

除单独焚烧以外，污水污泥的气化、热解或碳化也经过了多年的发展，并进行了大规模的试验以回收污水污泥中的磷。但到目前为止，尚不能确定磷的回收程度。

表3给出了全球磷回收工艺的概况，其中诸多在德国开发。但迄今为止，大多数工艺尚仅在实验室或中试装置中进行，工业规模实施的还较少。

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4 德国经济型磷回收情况

磷回收技术可使各种“废物流”中的磷实现回收并予以利用。德国在该领域的研究和发展处于领先地位。而加拿大、日本和美国等国则在大规模工程实施方面处于领先地位，如Ostara珍珠工艺等多种工艺已经大规模实施并已成功运行了若干年。

在德国也有大量不同的磷回收技术以从污水污泥、污泥液和污水污泥灰中回收磷，但大多数工艺尚处于试验阶段。表4描述了德国磷回收技术的部分统计情况。

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采用磷回收技术回收的磷肥中的镉、铀含量比磷矿中少得多。

研究表明，使用铁盐作为沉淀剂所引起的高铁含量对植物生长具有负面影响。使用生物除磷工艺的污水处理厂的磷回收物证明具有提供良好的植物吸收性。通常，沉淀过程中的磷回收物比污水污泥灰中的磷回收物有更好的植物吸收性，但污水污泥灰中的磷回收物不含残存有机物。磷回收物的肥效取决于土壤类型、植物种类、污水处理中磷沉淀类型等因素。

目前，大多数含磷再生物的回收成本比磷肥的市场价格高出许多倍，尚只有湿式化学沉淀法才能相对经济运行。

表5简要比较了湿式化学法和热回收法磷回收工艺的优缺点。表6总结了目前可用的污水污泥利用途径的优缺点。

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总结

（1）在德国，磷被认知为一种战略资源。德国于2017年10月3日通过了对《污水污泥条例》的修订，新条例的核心内容是要求从污水污泥或其焚烧灰中回收磷。

（2）按《污水污泥条例》，人口当量大于10万的污水处理厂从2029年1月1日开始、 5～10万人口当量的污水处理厂从2032年1月1日开始，须对含磷量大于20 g/kg干基的污水污泥采用磷回收工艺，要求从污水污泥干基中回收50%以上的磷，或将污水污泥焚烧灰中的磷含量降低到不足20 g/kg干基或需从中回收80%以上的磷，通知全面禁止污泥农用。

（3）按德国污水污泥处置的相关立法，只有符合《污水污泥条例》及《肥料条例》的限值要求，才允许污水污泥排放并进行土壤利用。

（4）从污泥处置途径的发展来看，由于污泥协同焚烧投资较低，在德国曾是发展的主流方向，但随着《污水污泥条例》的执行，将逐步转向单独焚烧处理，到2029年将基本废弃协同焚烧处理方式，并在过渡期后将全面实现从污水污泥中回收磷资源。

（5）随着磷资源稀缺性的不断提升，我国应借鉴德国经验，从全球磷平衡角度立法研究污泥处理处置磷回收途径，高瞻远瞩、统筹规划、近远期结合。当务之急须避免与磷回收技术相冲突的燃煤电厂等污泥协同焚烧引起的投资浪费及其控制因子欠缺下存在的环境污染风险。

来源: 给水排水作者: 胡维杰等