德國(guó)的污水處理目前仍以去除有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物為主要目的。自21世紀(jì)始，如何高效并可持續(xù)利用資源與能源、如何減少溫室氣體排放、減緩全球變暖等問(wèn)題變得越來(lái)越重要。隨著大環(huán)境格局的日益變化，污水處理也將面臨著亟待解決以往問(wèn)題和適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的迫切需求。德國(guó)的污水處理正在迎來(lái)以下幾個(gè)“新挑戰(zhàn)”，而全文將針對(duì)以下問(wèn)題展開(kāi)討論。
● 如何減少能源消耗、如何提高能源自給率；
● 如何減少污水處理過(guò)程中二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體的排放；
● 如何追求物質(zhì)合理循環(huán)，從污水中回收磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；
● 如何去除污水中的微污染物。
1、綜述
在德國(guó)，污水處理起源于150年以前。一直以來(lái)，污水處理技術(shù)以及處理對(duì)象都在不斷地發(fā)生著改變。19世紀(jì)初期，隨著歐洲工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病也隨之?dāng)U散，而惡劣的城市衛(wèi)生條件則是傳染病迅速擴(kuò)散的重要原因之一。因此，政府迫于外界壓力，便將設(shè)計(jì)建造城市污水處理系統(tǒng)提上了日程。19世紀(jì)末，機(jī)械處理技術(shù)拉開(kāi)了污水處理技術(shù)的序幕，緊接著，在20世紀(jì)的第一個(gè)十年中，生物處理技術(shù)誕生了。
然而在1960年左右，由于水體富營(yíng)養(yǎng)化的出現(xiàn)，北海和波羅的海的河流、湖泊的水質(zhì)問(wèn)題開(kāi)始日漸顯現(xiàn)。為此，政府不得不制定應(yīng)急策略，于是第一批關(guān)于如何治理市政廢水中有機(jī)物的大綱性管理辦法出臺(tái)了。從此，污水處理目的由單一的保護(hù)人類健康逐漸向保護(hù)環(huán)境轉(zhuǎn)變，尤其是保護(hù)作為生態(tài)體系重要組成部分之一的水環(huán)境體系。1980年左右，污水處理的對(duì)象開(kāi)始向營(yíng)養(yǎng)物去除轉(zhuǎn)變，尤其是含氮、磷的營(yíng)養(yǎng)物。
21世紀(jì)初期，如何保持高效并可持續(xù)利用資源，尤其是能量利用，以及如何阻止全球變暖，特別是通過(guò)溫室氣體減排等方法，變得越來(lái)越重要。德國(guó)的污水處理新型研究領(lǐng)域可以大致劃分為以下幾類：
——如何減少能耗，提高能源產(chǎn)率；——如何減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物的排放；
——如何加強(qiáng)能源回收，尤其是磷元素的回收。
但是，無(wú)論處理工藝發(fā)生什么變革，污水處理仍然要把污染物削減作為主要目的。在此基礎(chǔ)上，近年來(lái)產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)之一是如何去除水體中的微污染物，尤其是藥物殘留帶來(lái)的微污染物。本文將重點(diǎn)闡述如何應(yīng)對(duì)這些“新型挑戰(zhàn)”的處理方法和工藝。
2、德國(guó)概況
德國(guó)坐落在歐洲中部，是一個(gè)高度工業(yè)化的國(guó)家。德國(guó)擁有357,000km2的國(guó)土面積以及8千萬(wàn)人口。預(yù)計(jì)直到下個(gè)世紀(jì)，德國(guó)大部分地區(qū)的人口都將不再增加，甚至有些地區(qū)人口還將略有縮減。德國(guó)北部地區(qū)以低地為主，而南部地區(qū)主要以山脈為主。德國(guó)地形圖見(jiàn)圖1。
圖1 德國(guó)地形部分圖
德國(guó)境內(nèi)全年平均降水大約為800mm。降水分布圖見(jiàn)圖2，由圖可知，全年降水分布比較不均，從400mm到2500mm均有分布。并且，從德國(guó)西部向東部區(qū)域，降水逐漸減少，并且夏季比冬季降水偏多，因此夏季會(huì)更加濕潤(rùn)。總體而言，德國(guó)是一個(gè)擁有充足水資源的國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠自然降水，不需再添加其他澆灌措施。
圖2 德國(guó)降水分布圖
3、德國(guó)污水處理歷程
在德國(guó)，污水處理起源于150年以前。在此期間，污水處理技術(shù)及處理對(duì)象在不斷發(fā)生變化。在19世紀(jì)初期，由于工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病開(kāi)始大規(guī)模爆發(fā)，而造成傳染病爆發(fā)的一個(gè)主要原因就是城市衛(wèi)生條件差。就當(dāng)時(shí)而言，解決衛(wèi)生問(wèn)題就是解決燃眉之急。首批城市排水系統(tǒng)于19世紀(jì)中期建設(shè)于德國(guó)漢堡市，用以收集排走居民區(qū)的生活污水。后來(lái)，所有的大型城市都建造了排水系統(tǒng)，法蘭克福市、柏林市和科隆市的排水系統(tǒng)分別建設(shè)于1867年，1873年和1881年。
污水處理真正開(kāi)始于19世紀(jì)末期，最開(kāi)始的污水處理只是一些簡(jiǎn)單的機(jī)械式過(guò)濾，比如格柵、沉砂池和沉淀池。同時(shí)，在柏林，“自然”生物處理法也開(kāi)始逐漸產(chǎn)生。污水首先經(jīng)過(guò)機(jī)械式預(yù)處理，然后被泵送入所謂的“Rieselfelder”（污水田），如圖3所示。這種自然生物處理法是比較節(jié)能的，有機(jī)物和所有的營(yíng)養(yǎng)物都可以被利用。但是這種方法的占地面積非常大并且會(huì)使土地發(fā)生鹽堿化。
圖3 19世紀(jì)末期柏林的污水處理田
在20世紀(jì)初期，隨著滴濾池的發(fā)明，“人工”生物處理法逐漸興起。1930年左右，第一批活性污泥法污水處理廠誕生了，活性污泥法的理念源自于美英國(guó)。但是一直到1950年，德國(guó)大多數(shù)污水處理廠依然僅使用簡(jiǎn)單的機(jī)械式處理工藝，只有在人口密集區(qū)和工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，才會(huì)使用生物處理工藝。
1960年，隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化的出現(xiàn)，北海和波羅的海的河流、湖泊水體都相繼發(fā)生了水質(zhì)問(wèn)題。政府不得不采取應(yīng)對(duì)措施，在1979年，政府制定了第一批污水處理的綱領(lǐng)性管理規(guī)范，這批規(guī)范旨在去除BOD5和COD。污水處理的目的逐漸由保護(hù)人類健康向保護(hù)自然環(huán)境和水體環(huán)境轉(zhuǎn)化。越來(lái)越多的采用生物處理法的污水處理廠拔地而起。1980年，污水處理開(kāi)啟向氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物去除的新篇章。
但是有一個(gè)問(wèn)題從始至終一直存在，就是如何處理污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥。解決辦法之一是誕生于1906年的英霍夫式沉淀池，它由兩個(gè)位于地下的圓柱形沉淀池和一個(gè)消化池組成。如圖4所示。
圖4 德國(guó)哈根市的英霍夫池
Imhoff tank（英霍夫池）使用的是在德國(guó)最常見(jiàn)的一種污泥處理方法——污泥厭氧消化。在污泥處理過(guò)程中，經(jīng)過(guò)干化場(chǎng)脫水后的污泥需要先經(jīng)過(guò)消化處理，然后被外運(yùn)作為農(nóng)業(yè)肥料。1920年，具有攪拌和加熱功能的獨(dú)立式消化池誕生了，這種消化池開(kāi)始逐漸替代英霍夫池。消化池產(chǎn)生的沼氣可以被用作燃料。在德國(guó)，污泥在這種獨(dú)立消化池中進(jìn)行消化，逐漸形成一種標(biāo)準(zhǔn)工序。二戰(zhàn)以后，城市污水處理量越來(lái)越大，這就意味著越來(lái)越多的污泥需要處理，也直接導(dǎo)致了污泥干化場(chǎng)的面積需求越來(lái)越大。在這種形勢(shì)下，人工污泥脫水機(jī)誕生了，它主要具備壓濾和離心功能。后來(lái)，污泥作為肥料進(jìn)行農(nóng)田利用越來(lái)越困難，于是部分污泥開(kāi)始在垃圾填埋場(chǎng)被填埋。1980年左右，污泥焚燒技術(shù)誕生了。
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