德国污水处理面临的新挑战及应对措施之四――污水处理中的温室气体减排以及磷回收篇

   温室气体减排

      由于人类活动的频繁加剧，比如使用化工原料、工农业活动等，导致CO2, CH4和N2O等温室气体在大气浓度中所占的比例越来越大。为了比较不同气体所带来的影响，各种气体的“全球变暖因子”(GWPs)都将以CO2作为标准来进行评估。二氧化碳(CO2)的 GWF 值设为 1，其他气体的 GWF 值就表明其相对于 CO2的效力大小。以100年为范围，CO2, CH4 和N2O 的GWPs分别为1、21 and 310。

      污水处理过程也会产生温室气体，比如好氧处理产生的CO2或者外加碳源中的CO2，厌氧处理产生的CH4，氮循环产生的N2O。

      1、二氧化碳(CO2)

      污水处理中由于碳氢化合物的矿化作用，所以不可避免的会产生CO2。因为这些碳氢化合物主要来自食物当中，而不是石化类碳氢化合物，所以其产生的CO2并不会带来什么影响，而真正需要考虑的是释放CO2所需要消耗的能量问题。在德国，平均每释放570gCO2到大气中需要消耗1KWh的电能。这个数字是基于不同种原料混合计算的平均值，这些原料包括石化燃料、核能、水能、太阳能、沼气等，并且也随着时间的变化而发生变化。污水处理的全年电耗为35KWh/PE，也就是说这么多电耗可以将20kg/PE×y的CO2排放至大气，其中来自沼气的10kg/PE×yCO2可以削减掉，那么将只剩下10kg/PE×y的CO2残余，通过之前所述的工艺优化以及产能补充，这10kg/PE×y CO2也可能完全降为0。

      2、甲烷(CH4)

      污水或者污泥的厌氧消化会产生甲烷，大部分甲烷都以沼气的形式存在，按照亨利-道尔顿定律，即使很小比例的甲醇也可溶解于液体中。在1bar气压下，30 mg/L (10˚C) 或者 23 mg/L (20˚C)的甲醇将溶于水中。如果暴露在空气中，甲醇极易挥发于大气。如果待处理的污水量很大，厌氧处理过程将会产生大量甲烷。对于污泥厌氧消化而言，甲烷产量是相当小的，因为污泥厌氧消化处理的水量很小，所以溶解于其中的甲烷甚至可以忽略不计，但这样以来，所直接造成的沼气损失也将很难估计。如果25 L/PE×d的沼气中有1%的损失，沼气中的甲烷含量按照60%估算，那么GWP将为0.8kg/PE×y。

      3、一氧化二氮(N2O)

      好氧和厌氧条件下都会产生N2O，所以污水处理的硝化过程和反硝化过程都会产生N2O。N2O可以在污水处理过程中被排放，同时，N2O也可随着污水一起被排放。迄今为止，这方面的研究都为数不多。一个德国研究报道声称，如果不算工业排放量，污水处理过程中N2O的排放量为7 g /person per year。在一个荷兰的调研中，N2O的排放量为3.2g /person per year。在德国吉森市的一个研究中发现，好氧硝化反应器的N2O排放量为 30mg/m2×h ，而厌氧反硝化反应器的N2O排放量仅为 0.8mg/m2×h。这些报道的结果都基本在同一个范围内，所以可以粗略估计出N2O排放量大约为5g/PE×y，GWP为1.5kg/PE×y。

      也有报道声称，随着水温的增加(>18℃)，N2O的排放量也随之增加，增加幅度将达到10倍以上。

      磷回收

      磷元素是污水中最重要的营养物。地球上的磷矿资源非常有限并且不可再生。到本世纪末，磷矿即将被消耗殆尽。所以，如何利用“二手”磷将变得更为重要，而污水中恰好还有大量的磷元素。

      在没有除磷工艺的活性污泥法中，大约40%的磷元素保留在污泥中，60%将随出水排走。如果通过化学法或者生物法对污水进行除磷，将有90%的磷元素被储存在污泥中。如果污泥经处理后用于农业，污泥中的磷元素将是很好的肥料。

      但是实际上农业应用具有非常严格的限制要求，因为污泥中会含有重金属与其他有机物。磷可以从以下物质中被提取：

      ――出水;

      ――消化污泥;

      ――污泥回流液;

      ――脱水污泥;

      ――污泥焚烧后的灰分。

      表4阐述了以上四种物质中可回收的磷的浓度和回收率。如果污水处理工艺没有生物或者化学除磷环节，出水中磷的回收率将高达55%，只有采用了生物或者化学除磷工艺，才会在污泥或者污泥回流液中得到较高的磷回收率。

      表4 四种物质中所含磷元素的特性参数

      在过去的十年里，德国进行了大量关于磷回收的研究。然而，要想从出污水中去除磷，就必须对所有的污水进行处理，这也就是为什么迄今为止这项技术还没有得到广泛应用。相比之下，污泥、污泥回流液的体量就会小很多，而污泥灰分的体量是最小的。这也就是为什么有这么多研究都将重点放在了污泥以及污泥灰分上，因为它们是技术可行性最高的。

      1、从污泥中回收磷

      由于高昂费用的原因，在德国，截止到2011年只有吉夫霍恩有一座污水处理厂采用了较大规模的磷回收工艺。该水厂的处理能力是50000PE。在吉夫霍恩，“Seaborne Process”被用来进行消化污泥处理，这个技术分为三个步骤：

      ――酸浸泡;――去除重金属;

      ――沉淀;

      图10 吉夫霍恩的Seaborne process流程图

      在酸浸泡阶段，消化污泥与H2SO4相混合，用以降低pH。此时，重金属和磷酸盐就会被溶解。在此过程中，可以加入氧化剂。两小时以后，离心机就可以将非溶解态物质分离出来。

      被分离出的含有溶解态磷酸盐、氮和重金属的液相将进入重金属去除阶段。这个过程中，需加入Na2S，重金属便会以硫化物的形式沉淀析出。

      接下来并且是最重要的步骤，就是加入氢氧化镁，沉淀的磷酸盐将形成鸟粪石，鸟粪石是一种非常好的肥料。鸟粪石或者硫酸铵镁(MgNH4PO4×6H2O)中的Mg2+, NH4+ 和 PO43- 的含量比例是1:1:1，它也被称作MAP，形成过程见以下方程式：

      HPO42- + NH4+ + Mg2+ + OH

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