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在德國的中北部,，有一座既傳統(tǒng)又現(xiàn)代的大都市——布倫瑞克，它是德國下薩克森州的第二大城市,，約有35萬人口,。它曾經(jīng)經(jīng)歷過輝煌（在中世紀(jì)時是重要的貿(mào)易港口）,，也曾經(jīng)歷過戰(zhàn)火（二戰(zhàn)中英國和美國對布倫瑞克進(jìn)行了40多次強(qiáng)烈轟炸），悠久的歷史留下了豐富的文化遺產(chǎn),，重建后美麗的城區(qū)歷經(jīng)百年依舊保持著獨(dú)特的魅力,。除了古老的宮殿、教堂和修道院,，布倫瑞克更是德國為數(shù)不多的大型農(nóng)業(yè)回用場之一,，并且是德國和中歐的水回用展示廳。它可以將施坦霍夫污水處理廠（Steinhof）的廢水再用于農(nóng)業(yè)灌溉（飼料和農(nóng)業(yè)作物）,。今天,，我就帶各位水友一起看一看德國最大的回用污水廠——施坦因霍夫污水處理廠是怎樣處理污水以實(shí)現(xiàn)水與能源循環(huán)的。施坦因霍夫污水處理廠是布倫瑞克排污協(xié)會的財產(chǎn),，由布倫瑞克城市排水服務(wù)運(yùn)營管理,。在這個現(xiàn)代化的水廠中，處理來自布倫瑞克市和吉夫霍恩水務(wù)局覆蓋的許多行政區(qū)約350,000人口的廢水,。在86個泵站的幫助下,，該水廠每天的平均處理量約為6萬噸，年處理量約為2200萬噸,。廢水處理包括初級沉淀,，用于去除大量有機(jī)碳的活性污泥和用于消除營養(yǎng)物（即氮和磷）的生物處理。廢水的凈化過程中產(chǎn)生的污泥將用于產(chǎn)生沼氣,，隨后沼氣通入熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),，以實(shí)現(xiàn)工廠的電和熱能消耗。在夏季,，消化液與污水處理廠的廢水混合在一起,，用于農(nóng)田灌溉。在冬天,，污泥被脫水并用作農(nóng)業(yè)地區(qū)的肥料,。通過這種做法，每年產(chǎn)生的污泥可實(shí)現(xiàn)100％散布在農(nóng)業(yè)中,。施坦因霍夫污水廠回收過程一覽
施坦因霍夫污水處理廠全貌布倫瑞克污水處理的歷史最早可以追溯到1894年,。布倫瑞克開始了對生物廢水的利用，在城市北部的施坦因霍夫修道院中建造了灌溉區(qū)（地面過濾）,。該地區(qū)占地約460公頃,，每天可吸收一萬噸的水。人口負(fù)荷過量，廢水設(shè)施的擴(kuò)建,，布倫瑞克排污協(xié)會的建立,。由于布倫瑞克人口的大量增加,，灌溉區(qū)不再足以凈化不斷增加的廢水。大量廢水未經(jīng)處理就流入了奧克河,。布倫瑞克市在聯(lián)邦和地區(qū)當(dāng)局發(fā)起的有關(guān)公共水域污染控制措施的框架內(nèi),，結(jié)束了廢水處理的重組。由于吸收場的容量不足以及解決廢水問題的緊迫性,，必須擴(kuò)大廢水利用面積,。布倫瑞克排污協(xié)會成立，從而建立了新的組織結(jié)構(gòu),。增加兩個灌溉區(qū)，灌溉面積增加到目前的4,300公頃,。在此期間,，增加4個灌溉泵站。灌溉管網(wǎng)全長約為107公里,。為了解決污水廠和灌溉區(qū)的臭氣問題,，引入生物處理設(shè)施。布倫瑞克僅使用經(jīng)過機(jī)械凈化的水進(jìn)行灌溉,。這導(dǎo)致了灌溉區(qū)的臭氣問題,。為了減少異味，在施坦因霍夫污水廠啟用了具有機(jī)械和生物凈化功能的主要處理設(shè)施,，由此解決了氣味問題,。處理設(shè)施一直擴(kuò)大到1991年，成為一個完全生物處理設(shè)施,。舊的灌溉區(qū)都經(jīng)過重建,，形成了生物二次凈化設(shè)備。“彎道系統(tǒng)”作為灌溉操作中的新純化工藝引入,。在該系統(tǒng)中,，清水在水平通道中通過河流狀過程進(jìn)行輸送，從而在數(shù)公里的流量范圍內(nèi)進(jìn)行了生物學(xué)的二次純化,。為了能夠利用灌溉區(qū)中種植的能源植物,，為周圍居民創(chuàng)造更多價值,，在施坦因霍夫污水廠附近建造了一座沼氣廠。布倫瑞克廢水回收的方法在德國是獨(dú)一無二的,，它能夠?qū)碜猿鞘械膹U水和來自農(nóng)村的生物能源相結(jié)合,，形成了水-營養(yǎng)能量循環(huán)。施坦因霍夫污水處理廠無疑是布倫瑞克水回收過程中非常重要的一個環(huán)節(jié),，廢水在這里進(jìn)行了機(jī)械和生物凈化,，然后用于灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),。
因此，植物可以同時獲得必要的水和重要的營養(yǎng),，確保糧食和能源工廠的生產(chǎn),。
能源工廠用于沼氣生產(chǎn)，為布倫瑞克數(shù)千戶家庭提供電力和供暖,。城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)是支持污水處理的基礎(chǔ),，每天，數(shù)百萬升的水從居民家庭流出,，人們清潔,，淋浴，烹飪和沖洗,，水就像從水龍頭流出一樣自然地流入污水網(wǎng)絡(luò),。布倫瑞克污水管網(wǎng)全長約1300公里，用于排污水和雨水,。城市的外圍地區(qū)大多都有一個帶有獨(dú)立渠道的系統(tǒng),，廢水和雨水被送入單獨(dú)的通道。而在市中心,，廢水和雨水流入混合水通道,。此外，還有許多特殊的結(jié)構(gòu),，例如雨水溢流,，雨水貯存池和涵洞。廢水直接進(jìn)入施坦因霍夫污水廠,，雨水收集在雨水貯存池中或直接排入地表水中,。下水道每年進(jìn)行兩次檢查，必要時進(jìn)行清潔和維修,。下水道建立的目標(biāo)是：將盡可能多的生活和工業(yè)廢水引入污水廠,，從而避免病原體通過與廢水接觸而傳播。 將公共污水處理系統(tǒng)中的雨水直接排入地表水（單獨(dú)的污水處理系統(tǒng)）或與廢水一起進(jìn)入污水廠（聯(lián)合污水處理系統(tǒng)）,。 防止在公共區(qū)域發(fā)生洪水,，即使發(fā)生暴雨。
來自布倫瑞克的廢水在進(jìn)入施坦因霍夫污水廠中進(jìn)行處理之前,，通過下水道流入泵站,。然后，通過73個泵站將廢水送到污水廠,，每小時最多可將6.5噸的水從市區(qū)送到污水處理廠,。另外，還有13個雨水泵站從雨水渠中將雨水排入奧克河。
此外,，整個下水道網(wǎng)絡(luò)中都安裝了許多用于運(yùn)行監(jiān)控的測量點(diǎn),。共有40多個具有恒定數(shù)據(jù)記錄的測量設(shè)備，可控制下水道網(wǎng)絡(luò)中的特殊結(jié)構(gòu)（例如涵洞,，三通結(jié)構(gòu)）,。為了能夠確定不正確的排放量（例如污水渠中的雨水），雨水泵站安裝了八臺移動流量計和兩臺固定流量計,。這些也是下水道網(wǎng)絡(luò)水力計算的基礎(chǔ),，并支持確定新的下水道建設(shè)和改造措施計劃的數(shù)據(jù)。
還有另外四個固定采樣設(shè)備（配備了先進(jìn)的測量技術(shù)）,，記錄市中心發(fā)生大雨時通過混合取水點(diǎn)沖入奧克河的混合水量的質(zhì)量,。
為了保持一切暢通，必須對泵站進(jìn)行定期檢查,，維護(hù)和清潔,。在施坦因霍夫污水廠，廢水以大約每秒700升的速度流入,，首先進(jìn)行機(jī)械處理，然后進(jìn)行生物處理,。污泥用于產(chǎn)生沼氣,，然后在熱電聯(lián)系統(tǒng)中將其轉(zhuǎn)化為電能，污水污泥作為肥料施用到農(nóng)田上,。施坦因霍夫污水處理廠處理工藝流程首先,，進(jìn)入施坦因霍夫的廢水通過螺旋泵將其提升至2.5米的高度后，然后進(jìn)入格柵系統(tǒng)將大顆粒污染物（例如紙張,，紡織品或木材）清除,，篩分將被脫水和再循環(huán)。除去固體后,，水緩慢流入不斷曝氣的沉砂,、隔油池。在這里,，石頭和沙子會沉積在底部,。浮在水表面的脂肪被輸送到消化池中進(jìn)行進(jìn)一步處理。在沉砂,、隔油池的末端，廢水流入初沉池,，其中有機(jī)物以污泥（初級污泥）的形式在此沉淀,。將初級污泥精細(xì)研磨，然后泵入污泥貯存罐中。生物凈化從混合池開始,，將經(jīng)過機(jī)械處理的廢水與回流污泥在混合池中混合,。混合池用作生物除磷的厭氧池,。廢水/污泥混合物接著分配道6個生物反應(yīng)池中,。在反應(yīng)池中，氧氣通過曝氣裝置不停鼓入,，有機(jī)物將被分解的同時能夠去除氮,，并借助微生物進(jìn)行生物除磷。在對廢水進(jìn)行生物處理之后,，污泥-水的混合物通過分配設(shè)備分別進(jìn)入4個二沉池中,。在這里，活性污泥通過沉淀從廢水中分離出來,。凈化后的廢水流過二沉池的齒狀邊緣流入排水通道,。凈化水會從這里被泵入滲透區(qū)或儲水池，或用于灌溉,。來自施坦因霍夫污水廠初沉池和二沉池的污泥會分別在兩個地方積聚,，在初沉池中產(chǎn)生的初級污泥通過泵站直接泵入污泥儲存罐，二沉池中產(chǎn)生的剩余污泥將通過2個離心機(jī)濃縮后泵入污泥儲存罐,。兩種污泥在污泥儲存罐中混合后運(yùn)至污泥處理廠,，在經(jīng)過進(jìn)一步處理后，污泥將被用作生產(chǎn)沼氣發(fā)電,、制作農(nóng)業(yè)肥料或與凈化水混合用于滲透區(qū)灌溉,。 污泥處理工藝（Exelys和Bio Thelys——熱水解和厭氧消化結(jié)合法）混合后的污泥被運(yùn)至消化裝置，污泥由熱交換器加熱到55°C左右被微生物分解,，從而減少了三分之一體積,。消化過程中產(chǎn)生的沼氣（甲烷含量約為60-63％）被用于處理廠的電站中，以發(fā)電和供暖,。在夏季,，即植物活躍生長的時期，消化的污泥與灌溉水混合,，用作灌溉區(qū)植物的營養(yǎng)和水分,。
在冬季，污水污泥不用于灌溉,。取而代之的是,，首先將消化的污泥進(jìn)料到消化后的污泥儲存罐中，然后在其中使用脫水離心機(jī)并與絮凝劑一起進(jìn)行脫水,。脫水后,，可以根據(jù)需要將污泥與石灰混合，用作農(nóng)業(yè)區(qū)域的肥料（8、9月谷物收成后）,。在污水污泥的處理工藝方面,，施坦因霍夫污水廠選擇了Exelys和Bio Thelys兩種工藝。這兩種工藝被認(rèn)為式全球有效減少污泥的方案之一,。Exelys可連續(xù)工作,，Bio Thelys可按需提供。兩者都結(jié)合了熱水解和厭氧消化,。Exelys提供連續(xù)熱水解,，可以每天24小時實(shí)時可調(diào)的進(jìn)料速度運(yùn)行。Exelys在溫度（165°C）,，壓力（6-8 bar）和停留時間（約30分鐘）的受控條件下運(yùn)行,。污泥較高的干燥度（DS> 22％）使蒸汽消耗最小化。該系統(tǒng)由PLC（智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)）控制,，該P(yáng)LC根據(jù)所注入的污泥量調(diào)節(jié)蒸汽流量,。脫水的污泥經(jīng)過間歇熱水解階段，在此階段將蒸汽注入在特定壓力（6-8 bar）和溫度（165°C）條件下運(yùn)行的反應(yīng)器中約30分鐘,。 沼氣發(fā)電（沼氣廠和熱電聯(lián)產(chǎn)廠）農(nóng)業(yè)用地收獲的產(chǎn)品（玉米和黑麥）是生產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ),，沼氣廠每年需要44,000噸玉米和黑麥，以產(chǎn)生1930萬千瓦時的電能,。開發(fā)出的甲烷氣體經(jīng)過除濕和壓縮后其通過地下燃?xì)夤艿垒斔偷讲紓惾鹂耍诖藢⑵滢D(zhuǎn)化為電能和供暖,。沼氣還用于沼氣廠和施坦因霍夫污水廠的發(fā)電需求,。沼氣廠（生物垃圾發(fā)酵）沼氣通過處理生物質(zhì)獲得，使用來自農(nóng)業(yè)區(qū)的“能源植物”,，例如玉米和黑麥,，其特征在于生物利用度高。為了產(chǎn)生沼氣,，有機(jī)物須均質(zhì)化并加熱到45°C,，以液體形式泵入發(fā)酵罐中。在厭氧消化中經(jīng)過多階段發(fā)酵過程,，通過細(xì)菌和其他微生物的作用,，分解輸入物料，然后在中間階段將其轉(zhuǎn)化為甲烷,，二氧化碳和微量氣體（包括硫化氫）和水,。熱電聯(lián)產(chǎn)廠
在施坦因霍夫污水廠的熱電聯(lián)產(chǎn)廠（CHP）中，產(chǎn)生電能和熱量的沼氣是通過污泥消化過程產(chǎn)生的。此外,，還使用了生物垃圾發(fā)酵（沼氣廠）產(chǎn)生的沼氣和垃圾填埋場的垃圾填埋氣,。三種氣體的混合氣體流經(jīng)氣體凈化系統(tǒng)（活性炭過濾器），其中去除了對環(huán)境和燃?xì)獍l(fā)動機(jī)有害的微量物質(zhì),。隨后,，氣體進(jìn)入混合站中，通過添加天然氣或空氣來設(shè)定固定的甲烷含量（約為50%）,，將不同類型氣體中的甲烷含量調(diào)整到相同的水平,。這對于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是必需的。CHP工廠的內(nèi)燃機(jī)以低耗能運(yùn)行,，以使氮氧化物和一氧化碳的排放量降至最低,。所產(chǎn)生的電力用于為整個污水廠供電，發(fā)動機(jī)的廢熱和廢氣熱在污水廠和生物垃圾發(fā)酵廠中用于加熱目的,。通過熱電聯(lián)設(shè)備,，施坦因霍夫污水廠在能源方面完全可以自給自足（產(chǎn)生的能量超過了工廠所需的能量）。滲透區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)滲透區(qū)占地面積約275公頃,，相當(dāng)于385個足球場加起來那么大,，它們主要用于二級凈化和存儲已經(jīng)在施坦因霍夫污水廠中凈化后的水。約1/2的凈化水通過9公里長的壓力管網(wǎng)絡(luò)被送入滲透區(qū),，并被引導(dǎo)至滲透區(qū)的25個輸送點(diǎn),。通過開放式分配設(shè)施和溝渠，可以在滲透區(qū)域選擇性地分配廢水,。生物二次凈化在傳統(tǒng)滲透方法中,，水滲入地表層，并通過排水溝中的排水進(jìn)入,。通過地面的這種轉(zhuǎn)移利用了通過地表存在的植物和微生物的二次凈化,。排水溝通向奧克河，或用于農(nóng)業(yè)目的,。為了使傳統(tǒng)的滲透操作適應(yīng)現(xiàn)代處理工藝并保持其有效性,，近年來已采取了許多面向未來的轉(zhuǎn)化措施——引入彎道系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,，處理水在水平通道中通過河流狀過程前進(jìn),，從而在數(shù)公里的水流長度上進(jìn)行了生物二次凈化。稀有鳥類的避難所通過滲透區(qū)域的持續(xù)澆水并確保選定區(qū)域的土壤濕度,，即使在水資源匱乏的時候,，也已經(jīng)創(chuàng)造了有價值的生物群落，許多甚至稀有的遷徙鳥類都可以在這里休息,，繁殖和度過冬天,。滲透區(qū)與自然和生物多樣性保護(hù)聯(lián)盟（NABU）合作,，根據(jù)自然保護(hù)采取了行動。這里是302種不同的鳥類庇護(hù)所,，其中包括在《歐盟紅色名錄》中受國際特別保護(hù)的物種,。施坦因霍夫污水廠另一半凈化水將用來灌溉周圍約2700公頃的農(nóng)業(yè)用地,，每年的灌溉量約為一千萬噸,。灌溉的原因是該地區(qū)土壤保水能力低，不足以允許植物在生長期不受限制地生長,，所以需要為植物提供額外的水,。灌溉區(qū)的地面以高含沙量為特征,，它不能容納太多的水，但可以迅速吸收大量的水,。該區(qū)域能夠種植甜菜,、油菜、玉米和黑麥等需求量大的農(nóng)作物,，其中玉米和黑麥還將被用作沼氣廠的生物原料,。農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)分為四個灌溉區(qū)域，每個區(qū)域都有一個放置在中央的泵,，該泵通過地下壓力管網(wǎng)分配清水,。一共有165臺灌溉機(jī)在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)進(jìn)行灌溉，每臺機(jī)器的管長在320-600米之間,，每臺機(jī)器可以灌溉的面積最大為3.5公頃,。施坦因霍夫污水廠作為世界上為數(shù)不多的大型大型農(nóng)業(yè)回用場之一，是一座具有示范意義的污水廠,。施坦因霍夫的特別之處在于利用周邊土壤的特點(diǎn),，將約2/3處理水用于周邊農(nóng)業(yè)區(qū)的灌溉用水。另外1/3流入滲透區(qū),，將土壤滲透作為廢水的二級生物處理,，然后排入地表水中,。
對于污泥的處置,，施坦因霍夫也將其散布在農(nóng)業(yè)中，并且根據(jù)不同季節(jié)的農(nóng)業(yè)需求做出變化,。在夏季,，污泥消化液與污水處理廠的廢水混合在一起，用于農(nóng)田灌溉,。在冬天,，污泥被脫水并用作農(nóng)業(yè)地區(qū)的肥料,。這種方案使污泥成為一種資源，并建立了本地循環(huán)經(jīng)濟(jì)循環(huán),。農(nóng)業(yè)區(qū)的作物用作產(chǎn)生沼氣的原料,，與污泥消化過程產(chǎn)生的沼氣一起用于熱電聯(lián)產(chǎn)廠，使施坦因霍夫?qū)崿F(xiàn)了能源自給,。多出的能源還能夠出售給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)使用,。從施坦因霍夫污水廠的經(jīng)驗中，我們可以發(fā)現(xiàn)污水廠能源自足,，污泥減量,，杜絕污水處理過程中的二次污染不是不能實(shí)現(xiàn)的。而細(xì)看施坦因霍夫的污水處理過程：機(jī)械處理+生物處理+土壤滲透,，并沒有哪一項技術(shù)是特別困難的,。以我國目前污水處理領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，建設(shè)這樣一座污水廠的技術(shù)完全是有的,。這主要還是對污水廠的認(rèn)知和經(jīng)營理念的差異。我國污水處理起步較晚,，近些年經(jīng)歷了高速發(fā)展,，解決了污水廠從無到有遇到的問題。這個階段我們更多的是在關(guān)心污染物的去除效率,，也就是更注重出水達(dá)標(biāo),。而這些經(jīng)驗，對于我們國內(nèi)污水廠的未來發(fā)展有著很強(qiáng)的借鑒意義,，同時也很有利于我們環(huán)保產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,。作為全世界的人口大國、制造大國,，中國的環(huán)保產(chǎn)業(yè)無疑擁有巨大的發(fā)展契機(jī),。而對于環(huán)保企業(yè)來說，在未來取勝的法寶正是能夠支撐我們,，朝著污水處理資源回收綜合利用方向發(fā)展更迭的創(chuàng)新技術(shù),。
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