德國的污水處理目前仍以去除有機物和營養(yǎng)物為主要目的。自21世紀始，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、減緩全球變暖等問題變得越來越重要。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題和適應未來發(fā)展的迫切需求。德國的污水處理正在迎來以下幾個“新挑戰(zhàn)”，而全文將針對以下問題展開討論。
● 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；
● 如何追求物質合理循環(huán)，從污水中回收磷等營養(yǎng)物質；
● 如何去除污水中的微污染物。
1、綜述
在德國，污水處理起源于150年以前。一直以來，污水處理技術以及處理對象都在不斷地發(fā)生著改變。19世紀初期，隨著歐洲工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病也隨之擴散，而惡劣的城市衛(wèi)生條件則是傳染病迅速擴散的重要原因之一。因此，政府迫于外界壓力，便將設計建造城市污水處理系統(tǒng)提上了日程。19世紀末，機械處理技術拉開了污水處理技術的序幕，緊接著，在20世紀的第一個十年中，生物處理技術誕生了。
然而在1960年左右，由于水體富營養(yǎng)化的出現，北海和波羅的海的河流、湖泊的水質問題開始日漸顯現。為此，政府不得不制定應急策略，于是第一批關于如何治理市政廢水中有機物的大綱性管理辦法出臺了。從此，污水處理目的由單一的保護人類健康逐漸向保護環(huán)境轉變，尤其是保護作為生態(tài)體系重要組成部分之一的水環(huán)境體系。1980年左右，污水處理的對象開始向營養(yǎng)物去除轉變，尤其是含氮、磷的營養(yǎng)物。
21世紀初期，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，特別是通過溫室氣體減排等方法，變得越來越重要。德國的污水處理新型研究領域可以大致劃分為以下幾類：
——如何減少能耗，提高能源產率；——如何減少二氧化碳、甲烷和氮氧化物的排放；
——如何加強能源回收，尤其是磷元素的回收。
但是，無論處理工藝發(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。在此基礎上，近年來產生的新挑戰(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的微污染物。本文將重點闡述如何應對這些“新型挑戰(zhàn)”的處理方法和工藝。
2、德國概況
德國坐落在歐洲中部，是一個高度工業(yè)化的國家。德國擁有357,000km2的國土面積以及8千萬人口。預計直到下個世紀，德國大部分地區(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。德國地形圖見圖1。
圖1 德國地形部分圖
德國境內全年平均降水大約為800mm。降水分布圖見圖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，因此夏季會更加濕潤。總體而言，德國是一個擁有充足水資源的國家，農業(yè)灌溉主要依靠自然降水，不需再添加其他澆灌措施。
圖2 德國降水分布圖
3、德國污水處理歷程
在德國，污水處理起源于150年以前。在此期間，污水處理技術及處理對象在不斷發(fā)生變化。在19世紀初期，由于工業(yè)化和城市化的興起，流行性傳染病開始大規(guī)模爆發(fā)，而造成傳染病爆發(fā)的一個主要原因就是城市衛(wèi)生條件差。就當時而言，解決衛(wèi)生問題就是解決燃眉之急。首批城市排水系統(tǒng)于19世紀中期建設于德國漢堡市，用以收集排走居民區(qū)的生活污水。后來，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)分別建設于1867年，1873年和1881年。
污水處理真正開始于19世紀末期，最開始的污水處理只是一些簡單的機械式過濾，比如格柵、沉砂池和沉淀池。同時，在柏林，“自然”生物處理法也開始逐漸產生。污水首先經過機械式預處理，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，有機物和所有的營養(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使土地發(fā)生鹽堿化。
圖3 19世紀末期柏林的污水處理田
在20世紀初期，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。但是一直到1950年，德國大多數污水處理廠依然僅使用簡單的機械式處理工藝，只有在人口密集區(qū)和工業(yè)發(fā)達區(qū)，才會使用生物處理工藝。
1960年，隨著水體富營養(yǎng)化的出現，北海和波羅的海的河流、湖泊水體都相繼發(fā)生了水質問題。政府不得不采取應對措施，在1979年，政府制定了第一批污水處理的綱領性管理規(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人類健康向保護自然環(huán)境和水體環(huán)境轉化。越來越多的采用生物處理法的污水處理廠拔地而起。1980年，污水處理開啟向氮、磷等營養(yǎng)物去除的新篇章。
但是有一個問題從始至終一直存在，就是如何處理污水處理過程中產生的污泥。解決辦法之一是誕生于1906年的英霍夫式沉淀池，它由兩個位于地下的圓柱形沉淀池和一個消化池組成。如圖4所示。
圖4 德國哈根市的英霍夫池
Imhoff tank（英霍夫池）使用的是在德國最常見的一種污泥處理方法——污泥厭氧消化。在污泥處理過程中，經過干化場脫水后的污泥需要先經過消化處理，然后被外運作為農業(yè)肥料。1920年，具有攪拌和加熱功能的獨立式消化池誕生了，這種消化池開始逐漸替代英霍夫池。消化池產生的沼氣可以被用作燃料。在德國，污泥在這種獨立消化池中進行消化，逐漸形成一種標準工序。二戰(zhàn)以后，城市污水處理量越來越大，這就意味著越來越多的污泥需要處理，也直接導致了污泥干化場的面積需求越來越大。在這種形勢下，人工污泥脫水機誕生了，它主要具備壓濾和離心功能。后來，污泥作為肥料進行農田利用越來越困難，于是部分污泥開始在垃圾填埋場被填埋。1980年左右，污泥焚燒技術誕生了。
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