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德国污水处理面临的新挑战及应对措施

2015-05-27来源:网络搜集

      德国污水处理目前仍以去除有机物和营养物为主要目的。自21世纪始,如何高效并可持续利用资源与能源、如何减少温室气体排放、减缓全球变暖等问题变得越来越重要。随着大环境格局的日益变化,污水处理也将面临着亟待解决以往问题和适应未来发展的迫切需求。德国的污水处理正在迎来以下几个“新挑战”,而全文将针对以下问题展开讨论。

  ● 如何减少能源消耗、如何提高能源自給率;

  ● 如何减少污水处理过程中二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等温室气体的排放;

  ● 如何追求物质合理循环,从污水中回收磷等营养物质;

  ● 如何去除污水中的微污染物。

  1、综述

  在德国,污水处理起源于150年以前。一直以来,污水处理技术以及处理对象都在不断地发生着改变。19世纪初期,随着欧洲工业化和城市化的兴起,流行性传染病也随之扩散,而恶劣的城市卫生条件则是传染病迅速扩散的重要原因之一。因此,政府迫于外界压力,便将设计建造城市污水处理系统提上了日程。19世纪末,机械处理技术拉开了污水处理技术的序幕,紧接着,在20世纪的第一个十年中,生物处理技术诞生了。

  然而在1960年左右,由于水体富营养化的出现,北海和波罗的海的河流、湖泊的水质问题开始日渐显现。为此,政府不得不制定应急策略,于是第一批关于如何治理市政废水中有机物的大纲性管理办法出台了。从此,污水处理目的由单一的保护人类健康逐渐向保护环境转变,尤其是保护作为生态体系重要组成部分之一的水环境体系。1980年左右,污水处理的对象开始向营养物去除转变,尤其是含氮、磷的营养物。

  21世纪初期,如何保持高效并可持续利用资源,尤其是能量利用,以及如何阻止全球变暖,特别是通过温室气体减排等方法,变得越来越重要。德国的污水处理新型研究领域可以大致划分为以下几类:

  ——如何减少能耗,提高能源产率;——如何减少二氧化碳、甲烷和氮氧化物的排放;

  ——如何加强能源回收,尤其是磷元素的回收。

  但是,无论处理工艺发生什么变革,污水处理仍然要把污染物削减作为主要目的。在此基础上,近年来产生的新挑战之一是如何去除水体中的微污染物,尤其是药物残留带来的微污染物。本文将重点阐述如何应对这些“新型挑战”的处理方法和工艺。

  2、德国概况

  德国坐落在欧洲中部,是一个高度工业化的国家。德国拥有357,000km2的国土面积以及8千万人口。预计直到下个世纪,德国大部分地区的人口都将不再增加,甚至有些地区人口还将略有缩减。德国北部地区以低地为主,而南部地区主要以山脉为主。德国地形图见图1。

  

  图1 德国地形部分图

  德国境内全年平均降水大约为800mm。降水分布图见图2,由图可知,全年降水分布比较不均,从400mm到2500mm均有分布。并且,从德国西部向东部区域,降水逐渐减少,并且夏季比冬季降水偏多,因此夏季会更加湿润。总体而言,德国是一个拥有充足水资源的国家,农业灌溉主要依靠自然降水,不需再添加其他浇灌措施。

  

  图2 德国降水分布图

  3、德国污水处理历程

  在德国,污水处理起源于150年以前。在此期间,污水处理技术及处理对象在不断发生变化。在19世纪初期,由于工业化和城市化的兴起,流行性传染病开始大规模爆发,而造成传染病爆发的一个主要原因就是城市卫生条件差。就当时而言,解决卫生问题就是解决燃眉之急。首批城市排水系统于19世纪中期建设于德国汉堡市,用以收集排走居民区的生活污水。后来,所有的大型城市都建造了排水系统,法兰克福市、柏林市和科隆市的排水系统分别建设于1867年,1873年和1881年。

  污水处理真正开始于19世纪末期,最开始的污水处理只是一些简单的机械式过滤,比如格栅、沉砂池和沉淀池。同时,在柏林,“自然”生物处理法也开始逐渐产生。污水首先经过机械式预处理,然后被泵送入所谓的“Rieselfelder”(污水田),如图3所示。这种自然生物处理法是比较节能的,有机物和所有的营养物都可以被利用。但是这种方法的占地面积非常大并且会使土地发生盐碱化。

  

  图3 19世纪末期柏林的污水处理田

  在20世纪初期,随着滴滤池的发明,“人工”生物处理法逐渐兴起。1930年左右,第一批活性污泥法污水处理厂诞生了,活性污泥法的理念源自于美英国。但是一直到1950年,德国大多数污水处理厂依然仅使用简单的机械式处理工艺,只有在人口密集区和工业发达区,才会使用生物处理工艺。

  1960年,随着水体富营养化的出现,北海和波罗的海的河流、湖泊水体都相继发生了水质问题。政府不得不采取应对措施,在1979年,政府制定了第一批污水处理的纲领性管理规范,这批规范旨在去除BOD5和COD。污水处理的目的逐渐由保护人类健康向保护自然环境和水体环境转化。越来越多的采用生物处理法的污水处理厂拔地而起。1980年,污水处理开启向氮、磷等营养物去除的新篇章。

  但是有一个问题从始至终一直存在,就是如何处理污水处理过程中产生的污泥。解决办法之一是诞生于1906年的英霍夫式沉淀池,它由两个位于地下的圆柱形沉淀池和一个消化池组成。如图4所示。

  

  图4 德国哈根市的英霍夫池

  Imhoff tank(英霍夫池)使用的是在德国最常见的一种污泥处理方法——污泥厌氧消化。在污泥处理过程中,经过干化场脱水后的污泥需要先经过消化处理,然后被外运作为农业肥料。1920年,具有搅拌和加热功能的独立式消化池诞生了,这种消化池开始逐渐替代英霍夫池。消化池产生的沼气可以被用作燃料。在德国,污泥在这种独立消化池中进行消化,逐渐形成一种标准工序。二战以后,城市污水处理量越来越大,这就意味着越来越多的污泥需要处理,也直接导致了污泥干化场的面积需求越来越大。在这种形势下,人工污泥脱水机诞生了,它主要具备压滤和离心功能。后来,污泥作为肥料进行农田利用越来越困难,于是部分污泥开始在垃圾填埋场被填埋。1980年左右,污泥焚烧技术诞生了。

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