丹麦Lundtofte污水处理厂运行和管理

1．简介

　　Lundtofte污水处理厂位于丹麦西兰岛哥本哈根市北部，负责哥本哈根市北部的4个行政区的生活污水和工业废水处理。该污水处理厂始建于20世纪60年代，最初并没有考虑脱氮除磷工艺，只进行二级生物处理。在90年代初，丹麦政府颁布了更为严格的出水标准（主要是控制出水氮磷浓度）。因此，该厂在1990—1993年进行了设备改装和工艺更新，主要增加了生物脱氮和化学、生物除磷工艺，已达到欧盟（91/271/EEC）[1]和丹麦政府的相关要求。该厂污水处理量为130,000PE (1PE=0.2m3/(p?d))，约为800~1200万吨/年，其中约有50%的进水来自于雨雪水。2005年，4个行政区的进水水量比例见表 1，其中约75%为生活污水，25%为工业废水。该厂进水水质见表 2。对进水水质分析后发现，COD/BOD5为文献[2]中规定的中高值域范围，不属于易降解污水。另外，COD/TN和COD/TP也属高值域范围。

　　表 1 2005年Lundtofte污水处理厂进水水量分配比例

　　Table1 The percentage of wastewater distribution for Lundtofte WWTP in 2005

行政区	水量百分比/%
Lyngby-Taarbæk	52.12
Gladsaxe	37.86
Søllerød	9.59
Gentofte	0.43

　　表 2 Lundtofte污水处理厂进水水质

　　Table2 The characteristic of wastewater influent for Lundtofte WWTP

水质指标	2003年	2004年	2005年	低值域	中值域	高值域
COD/BOD5	2.59	2.24	2.29	1.5~2	2~2.5	2.5~3.5
COD/TN	12	10	12	6~8	8~12	12~16
COD/TP	60	58	64	20~30	30~45	45~60

2．运行工艺与操作管理

　　Lundtofte污水处理厂采用传统活性污泥工艺[3]。具体工艺流程见图 1。

　　2.1 机械设备的操作和运行

　　污水经过粗格栅后依次经过曝气沉砂池、细格栅和初沉池等机械处理设施。整个操作过程中有两项运行管理措施值得学习和借鉴。一是机械处理后沉淀物的处理问题。经过格栅和曝气沉沙池处理后的固体废弃物并没有与剩余污泥混合进入厌氧消化池，而是经过脱水后直接进入污泥焚烧炉。这是因为此类固体中无机物含量相对较高，直接进入消化池会影响厌氧消化效果。另一点是，Lundtofte污水处理厂十分重视机械处理过程中由于曝气或搅动所产生气体的收集和处理问题。该厂曝气沉砂池、初沉池上面均为铝质材料封顶结构，所产生的H2S也会随管路进入焚烧炉处理。另外，有观点认为沉砂池沉淀后的沙子可以用于建筑回用。但经过实际调研后发现，在欧洲基本没有类似应用。主要原因是此类沙子中含有重金属以及持久性有机物，会影响人体健康。

　　2.2 活性污泥工艺的操作和运行

　　污水处理的核心是曝气池。该厂采用BIO-DENITROTM（Krüger公司专利技术）去除污水中的有机物和氮。BIO-DENITROTM和BIO-DENIPHOTM（考虑生物除磷）技术基于PI型氧化沟，在丹麦污水处理厂应用非常广泛。该技术的特点是自动化程度高，在控制良好的情况下有机物和氮磷的去除效果良好。该厂曝气池分为3组6池，并联运行。每组曝气池采用交替曝气的方式运行以达到硝化-反硝化。运行分为四个阶段，见下图。在第一阶段，污水首先进入Tank 1（缺氧状态）进行反硝化反应，随后污水由Tank 1进入Tank 2（好氧状态）进行硝化反应去除氨氮。最后从Tank 2出水。第二阶段时间相对较短，主要特点是Tank 1和Tank 2均保持好氧状态。污水首先进入Tank 2进行硝化反应，并从Tank 2出水。此时，Tank 1也保持好氧状态。主要原因有两点，其一是去除第一阶段在Tank 1中残留的氨氮；其二是硝化耗时相对较长，为了能够达到更好的出水标准。第三和第四阶段重复第一和第二阶段的过程，只是进水和出水相反。每组曝气池（包括硝化、反硝化）的总水力停留时间（HRT）为15h。

　　为达到节省能源的目的，所有曝气池中均安装了在线监控设备和软件控制程序（采用Krüger公司的STAR软件）。首先通过在线监控设备向中心PLC发送曝气池中污染物（COD、氨氮）和溶解氧浓度的信号，由微机程序控制曝气池中的曝气量以达到节省能源的目的。值得一提的是，在实际考察过程中发现该厂所有的曝气池都没有曝气，原因是由于当时丹麦突降暴雪，大量雪水汇集到污水中，使得曝气池中的氨氮浓度低于微机程序设定的曝气量。据该厂技术人员介绍，此类现象时有发生。自从安装在线监控设备和微机控制程序以来，该厂能源消耗大为减少，节省了大量开支。另外，该污水处理厂在周末并没有技术人员工作。如果设备一旦发生问题，微机程序会自动向技术人员的手机发送短信息以告知其出现技术故障的具体位置。同时，微机程序还会自动向技术人员发送电子邮件告知其具体问题，技术人员可以据此判断是否应该立即处理该故障问题。

　　由于冬天温度较低，前置反硝化效果并不十分理想。该厂联系哥本哈根机场，采用废弃的飞机防冻液为人工碳源补充到反硝化池中以提高反硝化处理效果，达到以废治废的目的。2005年外投加38.792t COD。

　　该厂目前主要采用化学方法除磷，投放地点为初沉池前，投放药剂为AlCl3。同时，在初沉池和曝气池后也都安装了在线监测磷的装置，一旦发现总磷浓度超标后，还会在这两个位置继续投放AlCl3进行化学除磷。

表 3 丹麦Lundtofte污水处理厂2003—2005年出水指标

　　Table 3 The total mount of effluent for Lundtofte WWTP Denmark from 2003 to 2005

指标	2003年			2004年			2005年
	进水/t	出水/t	去除率/%	进水/t	出水/t	去除率/%	进水/t	出水/t	去除率/%
COD	6260	230	96	5530	250	96	6400	270	96
BOD5	2420	27	99	2470	24	99	2800	25	99
SS	2930	50	98	2660	46	98	3300	94	97
TN	480	46	90	503	57	89	540	56	89
TP	93	7.3	93	94	6.6	93	100	10	89
污水量/ （1000m3）	8678			9474			8572
降雨量/mm	606			771			575

2.3污泥处理的操作和运行

　　2.3.1 污泥处理

　　初沉池和二沉池排出的剩余污泥首先进入旋转鼓中进行脱水、絮凝。之后进入厌氧消化工艺。该厂目前采用中温厌氧消化工艺，温度控制在37℃，HRT为1d。经过厌氧消化后，污泥的固含率为约为3%。

　　目前，该厂由厌氧消化所产生的生物气主要有两种用途，一是本厂内部供热使用（如厌氧消化）；另外一部分则出售给附近的工厂进行发电和供热。

　　污泥经过厌氧消化后，进入离心机脱水，污泥固含率提高到28%~32%。经过离心脱水后的剩余污泥将会和沉砂池所生的污泥混合，并进入焚烧流化床。

　　最初，该厂污泥经过脱水后直接外运到专门的污泥处理厂中进行二次处理。在2000年，该厂选用Krüger公司的焚烧流化床作为污泥焚烧设备，主要原因是节能和占地面积小。经过焚烧处理后的污泥进行收集后运送到垃圾填埋场。

　　2.3.2 废气处理

　　该厂在进行污泥焚烧处理过程中，十分重视大气污染问题。自焚烧流化床产生的废气都要经过深度处理。废气首先经过降温后进入旋风分离器，在这一过程中85%~90%的灰分会从气体中分离出来。

　　随后，气体进入湮灭炉中进行深度处理。在湮灭炉中，首先用水喷浇，使气体进一步降温。在水体内有溶解的NaHCO3和少量的活性炭。主要目的是使用NaHCO3吸附SO2、HCl和HF气体，并转化为Na2SO4、NaCl以及NaF。活性炭则用来吸附汞等重金属。

　　最后，经过处理后的气体进入布袋分离器进行固气分离，所有固体连同污泥被运送到垃圾填埋厂，而经过处理后的气体则通过烟筒排放到大气中。

　　该厂每年产生湿污泥量约为60000吨，经过污泥处理后每年产干污泥量为1870吨。经处理后最终排放气体的各项污染物检测浓度及欧洲、丹麦政府规定的排放浓度见表 4。

　　表 4 Lundtofte污水处理厂污泥焚烧后排放气体中污染物检测浓度以及欧盟、丹麦政府相关要求

　　Table 4 The detective concentrations of pollutants from the emission gas after sludge incineration in Lundtofte WWTP, and the guideline from EU and Danish government

污染物	单位	检测浓度	EU标准	丹麦标准
颗粒物	mg/m3	1.2	10	10
Pb	mg/m3	0.0016
Cr	mg/m3	<0.002
Cu	mg/m3	<0.007		0.5
Mn	mg/m3	0.0018		0.5
Ni	mg/m3	<0.003		0.5
As	mg/m3	<0.0002		0.5
Cd	mg/m3	<0.0001		0.05
Hg	mg/m3	0.0026	0.05	0.05
Co	mg/m3	<0.0005		50
Sb	mg/m3	<0.0007
Ti	mg/m3	<0.0001		0.05
V	mg/m3	<0.0004		50
Sn	mg/m3	<0.001
Cd+Ti	mg/m3	<0.0002	0.05
Sb+Pb+Cr+Co+V+Sn	mg/m3	<0.01		0.5
Sb+As+Pb+Cr+Co+ Cu+Ni+V+Mn	mg/m3	<0.02	0.5	0.5
HCl	mg/m3	<0.4	10	10
HF	mg/m3	<0.2	1	4
SO2	mg/m3	16	50	200
NO+NO2	mg/m3	<16	200	400
TOC	mg/m3	4.3	10	20
二恶英	ng/m3	<0.002		0.1

3．运行费用核算

　　鉴于各国国情不同，采用货币种类也有所不同。因此，利用单一货币形式来描述污水处理厂的运行费用不存在可比性。因此，在运行费用的核算上，分以下几方面进行讨论。其中化学药品以药品使用量作为衡量标准；能量采用kWh作为衡量标准。最后列表分析污水处理厂日常运行费用。

　　3.1 化学药品使用量

　　2003—2005年，Lundtofte污水处理厂各种化学药品使用量总计见表 5。

　　表 5 Lundtofte污水处理厂2003—2005年各种化学品使用量总计

　　Table 5 The chemicals dosage for Lundtofte WWTP from 2003 to 2005

化学物名称		单位	2003年	2004年	2005年
AlCl3（化学除磷，以Al计）		kg/(PE×year)	0.52	0.58	0.40
机场防冻液（反硝化）		kgCOD/(PE×year)	0.75	0.56	0.30
聚合物	污泥前处理	kg/(PE×year)	0.027	0.024	0.021
	污泥生物处理	kg/(PE×year)	0.042	0.036	0.037
	污泥脱水	kg/(PE×year)	0.14	0.13	0.12
	总计	kg/(PE×year)	0.21	0.19	0.17
亚硝酸钙（尾气处理）		kg/(PE×year)	0.58	0.47	0.64
碳酸氢钠（尾气处理）		kg/(PE×year)	0.89	0.83	0.80
活性炭（尾气处理）		kg/(PE×year)	0.012	0.034	0.032

3.2 各种能耗

　　2003—2005年，Lundtofte污水处理厂各种能耗见表 6。

　　表 6 Lundtofte污水处理厂2003—2005年各种能耗总计

　　Table 6 The energy consumptions for Lundtofte WWTP from 2003 to 2005

各种能耗		单位	2003年	2004年	2005年
能耗	机械处理能耗	kWh/(PE×year)	6.34	6.84	7.09
	生物处理能耗	kWh/(PE×year)	15.69	16.11	16.05
	污泥处理能耗	kWh/(PE×year)	12.52	11.78	12.75
	管理能耗	kWh/(PE×year)	1.25	1.26	1.39
	总计	kWh/(PE×year)	35.80	35.99	37.28
生物气	内部供热	m3/(PE×year)	3.06	4.22	4.12
	污泥焚烧	m3/(PE×year)	3.36	2.85	3.27
	外卖	m3/(PE×year)	1.86	2.80	2.49
	剩余	m3/(PE×year)	0.84	0.83	0.39
	总计	m3/(PE×year)	9.12	10.7	10.27
油		L/(PE×year)	0.44	0.34	0.28
水	污水回用	m3/(PE×year)	—	2.26	2.21
	清洁水	m3/(PE×year)	0.12	0.087	0.099
	总计	m3/(PE.year)	—	2.35	2.31

3.3 污水处理厂运行费用

　　Lundtofte污水处理厂日常运行费用见表 7。

　　表 7 Lundtofte污水处理厂日常运行费用

　　Table 7 The operation cost for Lundtofte WWTP

运行费用项目	2004年费用/1000DKK	2005年费用/1000DKK
人力资源（工资等）	4415	4583
租用场地	3771	4087
机械设备	1475	1941
聚合物	1101	878
化学物质	1628	1319
污泥焚烧	5556	6419
排污费	1911	1950
污水运输	1640	1669
污泥排放	803	400
试验室	1496	1673
管理费用	163	262
其他	1480	1603
日常费用总计	25439	26784
日常费用总计/ （1000DKK/PE.year）	0.196	0.206

从表 7中不难发现，该厂日常运行费用中人力资源、租用场地、污泥焚烧所占支出比例最大。值得一提的是，和污泥处理相关的费用还要包括购买聚合物以及污泥排放费用等。因此，污泥处理费用是该厂日常运转中支出最大的部分。另外，由于该污水处理厂向环境中排放污染物，因此也需要向丹麦政府交纳一定的排污费用。

　　3.4 污水和污泥处理费用

　　丹麦的水价与其他国家相比较对较高，以2002年水价为例，每吨水价为34.67DKK。水价主要分为7部分（括号内为每项所占水价比例，2002年），分别是年固定供水费（8.6%）、供水处理费（11.7%）、饮用水税（13.3%）、年固定污水费（2.4%）、污水处理费（42.1%）、污水税（1.3%）和附加税（20%）。在丹麦，污水处理费用为4.12~31.31DKK/m3。另外，丹麦的污泥处理费用在0.97~11.57DKK/kg干污泥。

　　Lundtofte污水处理厂的污水处理费用为4.59~5.69DKK/m3，污泥处理费用为3.48~3.58DKK/kg干污泥。值得一提的是，丹麦平均污水处理费用为15DKK/m3。这与Lundtofte污水处理厂的污水处理费存在较大差异。主要原因是丹麦总污水处理费用不但包括污水处理厂的运行费用，还需计算污水管道的建设和维护费用。

4 总结

　　本文综合分析了丹麦Lundtofte污水处理厂的日常运行和管理。作为分析对象的Lundtofte污水处理厂出水情况良好，COD、BOD5、总氮以及总磷的年平均去除率分别达到了96%、99%、90%和93%。在保证良好出水效果的同时，该厂还对曝气池进行自动化控制改进，达到了较好的节能效果。另外，该厂年产生污泥量为1870吨，污泥经过厌氧消化、离心脱水、焚烧后外运到垃圾填埋场。焚烧过程中产生的气体经过深度处理后达到欧盟和丹麦政府的相关要求后通过烟筒排放到大气中。

　　该厂年能耗在35~38kWh/PE。污水处理厂年运转费用在2700万DKK左右，平均污水处理费用为5.12DKK/m3；污泥处理费用为3.53DKK/kg干污泥。