三、德国污泥处置途径的历史变化和发展趋势
图2显示了德国在1998-2015年期间污水厂污泥的处置发展情况。
早在1993年5月14日,德国推出垃圾填埋法(TA Siedlungsabfall,简称TASi),只允许有机物含量不超过3%的垃圾物质才能填埋。这一法律经过12年过渡时期之后彻底禁止污泥填埋,2005年完全关闭了污泥填埋途径。
随着德国2005年全面禁止污泥填埋之后,污泥总体产量呈现稍微下降的趋势,主要原因是在污泥脱水过程中,石灰添加量下降。
在2005年之后,以物质利用为基础的污泥处置量逐步下降, 相反热处置污泥总量不断增加。主要原因是德国肥料法规(DüMV)对污泥内有害物质的上限含量做出了十分严格的规定。
此外在污泥农用时,2015年出台了更为严格的德国肥料法(DüMV),要求污泥脱水时采用可生物降解的高分子絮凝剂。如果采用不能降解的化学高分子絮凝剂,则污泥农用时的使用量将有数量限制要求。
自2006年以来,德国一直讨论污泥处理法律(AbfKlärV)更新版本。鉴于土地利用的污泥处置途径不安全,许多污水处理厂将污泥处置转到较为安全的热处置途径。
在已经热处置的污泥总量中,主要是单污泥焚烧处置量和煤电厂混烧处置量,大约各占一半; 只有少量污泥是在水泥窑和垃圾焚烧厂内被处置。
马上就要出台的新版德国施肥法(DüV)和新版德国污泥处理法(AbfKlärV)将会进一步导致物质利用的污泥处置量降低,因为:
目前所讨论的新版污泥法规(AbfKlärV),规定对超过5万人口当量的污水处理厂将禁止污泥农用。这将导致今后物质利用的污泥处置量进一步下降。同时,以法律方式强制要求污水处理厂进行磷回收。从污泥产量数据分析,在德国总计约有9300家污水处理厂,符合磷回收规模要求的有500家。这500家大型的污水处理厂所产生的污泥总量约占德国污泥总量的70%。
虽然在德国农村地区拥有数量众多的小型污水处理厂,但是自2015年开始,肥料规范内提出了更为严格的有害物含量上限要求,进一步限制了市政污泥的农用途径。许多污泥虽然可以农用,但是必须进入严格的污泥质量监测系统:污泥浓缩脱水时必须采用可生物降解的絮凝剂,定期检查污泥和农田土壤的各种指标。农用处置的费用也不会便宜。相反,很多小型污水处理厂都开始采用太阳能干化装置进行污泥干化处理,然后干泥被收集去单污泥焚烧厂集中处置。
污泥干化焚烧将是德国今后主要的污泥处置途径。其中,污泥最后的主要去处是单污泥焚烧装置和煤电厂混烧装置。
四、目前市场上的磷回收技术状况
在德国污泥规范中,没有强制规定污水厂采用哪种磷回收工艺,考虑到创新开发磷回收工艺和审批手续问题,这次给予的过渡时间相对较长。在污泥规范生效之后,10万人口当量以上的污水厂必须在12年内完成磷回收装置,5万人口当量以上的污水厂必须在15年内完成磷回收装置。
理论上,可在污水处理厂内许多地方进行磷回收(图 3):
1、首先进行污泥焚烧处理,然后从污泥灰烬中浓缩抽提磷物质;
2、或者首先从污水或脱水污泥中抽提磷物质,然后进行污泥焚烧处理。
在对焚烧后的污泥灰烬进行磷回收时,可以采用热化学或湿化学工艺。根据所采用的不同工艺技术,磷回收的效率各不相同,所需要的投资设备、能耗或化学药剂费用也差异很大。此外,就磷回收产品中的有害物质含量和植物可利用性能而言,最终产品的质量有很大区别。
在图3内显示了在污水污泥处理过程中的各种物流情况和各种磷回收工艺技术的安装地点。目前没有一种磷回收工艺十全十美。
图3 磷回收工艺技术应用地点
从液体中进行磷回收时,虽然投资费用不高,但磷回收效率一般在50%以下,无法满足规范要求。
采用湿氧化工艺对脱水污泥进行磷回收虽然效率很高,但工艺复杂,投资费用很高,一般只能建造集中式大型装置对脱水污泥或干化后污泥进行磷回收,不能对污水或稀浆污泥进行磷回收,磷回收效率一般为70%。
采用单污泥焚烧也有问题, 主要是焚烧装置造价十分昂贵。虽然磷回收效率很高,甚至可以高达90%,但在对灰烬进行磷回收时,至今还未能将重金属有效去除, 含磷回收物质还不能毫无顾虑地直接作为肥料使用。举例来说,目前在瑞士苏黎世污水处理厂虽然目前计划建造了单污泥焚烧装置,但所产生的含磷灰烬是暂时中间储存,等待今后合适的灰烬磷回收技术出现。
虽然近10多年来,德国政府投入大量人力和资金开发了各种类型的磷回收装置,但在欧洲正式长期成功运转的大型磷回收装置工艺数量不多。
从近10年市场上磷回收技术的应用情况来看,比较成功应用的磷回收技术是由有德国PCS公司开发的Struvex工艺(原来称AirPrex工艺),这些以鸟粪石(MAP)工艺为基础的大型商业装置已经成功地应用在德国Mönchengladbach-Neuwerk 污水处理厂, 德国柏林Waßmannsdorf污水处理厂和荷兰阿姆斯特丹污水处理厂。这些装置虽然操作简单,经济效益高,但磷回收效率是在25%~30%,还不能满足现在德国污泥规范所确定的磷回收要求。
如果在污泥消化塔之前对污泥进行热水解处理, 同时采用改进之后的第二代Struvex磷回收工艺,可设法将磷回收效率提高达到50%以上。许多污水处理厂周围没有污泥单焚烧装置, 可以在污水处理厂内直接采用这些简单技术进行经济有效的液相磷回收。
除了从污泥液相中直接进行磷回收之外,目前德国还在考虑建造以污泥灰烬为基础的磷回收处理工艺。为了能够高效率回收磷, 一般是以磷酸或者分子磷(P4) 形式进行磷回收,并用于工业用途或者作为农用的磷肥或者作为肥料生产的替代原料。但迄今为止,还没有看到成功运转的大型工程实例。