摘要：本文概述了德国埃尔朗根（Erlangen）最先进的现代化污水处理厂的发展历程及其显著特点。这座污水处理厂集成了最前沿的污水处理技术，展现了卓越的污染物减排能力。在处理过程中，特别关注了微污染物的去除，以进一步提高水质的净化水平。自2020年以来，埃尔朗根污水处理厂实现了能源自给自足的重大突破，依托光伏系统、高温热泵和热力联产系统等多元化的可再生能源方案，满足了厂内全部的能源需求。在污泥处理方面，该厂采用了带式干化技术，有效地将污泥的含固率提升至90%以上，从而使得最终需处理的污泥量减少了70%。此外，该污水处理厂还特别注重资源的回收与再利用，例如通过磷素的资源化回收，不仅减少了资源浪费，而且还促进了经济效益的增长。这些措施共同体现了埃尔朗根污水处理厂在环境保护和资源可持续利用方面的积极努力和创新成果，值得借鉴和学习。
关键词：能源自足、高效污染物去除率、污泥高干干化、磷回收、微污染物、通沟污泥
世界著名的慕尼黑环保博览会（IFAT）于当地时间5月13日-17日在德国慕尼黑举行，据统计有来自近170个国家和地区的约142000名游客参加了此次博览会，达到了疫情前2018年创纪录水平。此次展会主题是“适应气候变化的后果”，既是技术和产品展示的平台，也是环境保护创意和知识的交流中心。尤为重要的是，展会不仅面向商家和业内人士，还吸引了不少政界和科技、环保人士，体现了各界对人类和地球未来的共同关注。HUBER作为全球领先的水，污水和污泥处理环保公司，在展会上设置超过1300 m2的展台，展示出超过20多种给水供应、污水处理和污泥处理的产品和解决方案，针对客户需求，安排了6个不同污水厂的参观活动。其中Erlangen污水处理厂展示了当今最先进的工艺，也树立了环境保护、能源中和、资源可持续利用的典范。
2024年5月由HUBER组织的Erlangen污水处理厂参观活动
在Erlangen市的排水公司（EBE）运营的埃尔朗根(Erlangen)污水处理厂，每天处理约35,000m3的污水，经过机械、生物和化学处理后，再将清洁的废水排入Regnitz河。
污水处理厂的排水范围从东部的埃肯海德（Eckenhaid，埃克恩塔尔市）延伸到西部的辛特曼（Sintmann，魏森多夫市），从北部的克莱因塞巴赫（Kleinseebach，默伦多夫镇）延伸到南部的埃尔朗根市区的胡滕多夫（Hüttendorf）地区。
排水公司的排水管网长度约为410公里。在流向污水处理厂的过程中，污水经过9737个污水井，40个泄洪设施（例如雨水溢流池和雨水滞留池）和22个泵站。
今天，Erlangen污水处理厂可以处理多达35万居民单位的污水，即自然居民和工业企业的污水。目前已接入约26.9万居民单位，其中包括Bubenreuth、Buckenhof和Möhrendorf等市镇，以及Schwabachtal污水处理厂和Seebachgrund污水处理厂，共有五个污水合作伙伴。在该市区内最大的工业废水排放者包括医院和弗里德里希-亚历山大 埃尔朗根-纽伦堡大学(Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)的设施。
历史发展
直到20世纪50年代初，尽管埃尔朗根（Erlangen）市的排水管网随着人口的增加逐步扩建，并在各个城市区域建立了几个较小的临时污水处理厂，但大部分污水仍未经处理直接排入雷格尼茨（Regnitz）河。这种情况直到1957年埃尔朗根中央污水处理厂在现址开始运营后才得到改善，当时的设计处理规模为6万人口当量。在1963年至1978年期间，第一次扩建工程开始，包括建设第二个生物处理阶段、另一个沉淀池和两个滴滤器以及污泥脱水设施。随后进行了进一步的措施和扩建。最终，2003年，由于污水处理法规要求不断提高，决定对污水处理厂进行全面改造，采用活性污泥法的单级生物处理设施。在运营期间，拆除了滴滤池，新建了池塘，并将现有的池塘改造成硝化和反硝化池。这项工程于2008年成功完成。直到2014年，机械处理设施的新建、沉淀池的修复和改建也相继完成。
2030年扩建规划
为了迎接未来，埃尔朗根市的排水公司于2013年启动了2030年能源和水资源扩建规划。该规划不仅包括持续改善净化性能，还考虑了污水净化和污泥处理的进一步能源优化。所有措施和项目都由综合能源、质量、环境和安全管理系统（EQUS）支持，该系统将能源生产和消耗作为重要的环境方面加以考虑。其目标是长期可持续地为市民谋福利。
节能污水处理
污水处理厂是最大的市政能源消耗者之一，特别是生物池曝气需要大量电能。然而，污水处理厂也会产生能源。定期从污水处理池中抽出的污泥在进一步处理前必须先在厌氧消化池中处理，在此过程中产生的沼气约60%为可燃的甲烷。该沼气用于在热电联产（CHP）装置中产生热能和电能，驱动发电机将机械能转换为电能。同时，CHP装置产生的废热可以通过热交换器传递给污水处理厂的热能消耗设备，如厌氧消化池或热水加热设备。
通过燃气发动机产生的余热随后按照消耗特性进行再分配
三台额定功率为600kW的燃气发动机每年可产生约540万kWh的电力
机房4上的太阳能屋顶
在厌氧消化罐中每年可以获得约240万m3的气体
为了环境、气候以及贡献者和缴费者的利益，埃尔朗根污水处理厂自2006年开始着手持续优化能源效率并系统地降低能源使用。这意味着：污水处理厂的任何改建都被用于改进测量技术，以便更好地分析各个设备和流程的能源消耗，从而识别优化潜力。
自2014年以来，污水处理厂的所有新建和改建工程都安装了光伏系统，以获取额外的电力用于设备运行。在所有正在进行的措施中，尽可能使用能源效率高的设备，以进一步减少能源消耗。
能源中和的污水处理厂
在2013年之前的几年中，自给自足的电力生产仍然低于50％，但在对消化池进行了数年的翻修工程后，这一比例持续提高。这是通过许多较大和较小的措施实现的。其中包括定期更换LED灯具和将车队改装为电动汽车。此外，自2016年底以来，热电联产装置中新增了三台更高效的燃气发动机。仅在2017年，仅通过工艺上的新颖性或转变，污水处理厂的能源需求就减少了约100万kWh。一方面，这包括处理污泥脱水过程中产生的部分氮负荷（脱氨化）。另一方面，后处理中的砂滤器系统在正常运行情况下被关闭，而不会超出废水相关的限值。
持续进行的能源改进措施导致自2020年起，埃尔朗根污水处理厂的能源消耗达到中立状态。这意味着，用于污水处理所需的电力和热能完全通过利用污泥气体和光伏发电自主覆盖。
由于在能源效率措施方面取得了杰出成绩，2019年埃尔朗根排水公司获得了纽伦堡能源区协会（ENERGIEregion Nürnberg e.V.）授予‘能源效率赢家’称号。
搅拌机的驱动电机
高水平的净化效能
要将处理过的废水排入水体中，不仅需要水资源法许可，还必须遵守废水相关污染物的最低要求或限值。其中包括化学需氧量（COD）、铵态氮（NH4）、无机氮（Nanorg，即铵态、硝酸盐态和亚硝酸盐态氮的总和）以及总磷（Pges）等污染物。
由于位于纽伦堡大都会区北部和雷格尼茨-迈因-莱茵流域水量较少的地理位置，埃尔朗根污水处理厂对排入雷格尼茨河的废水质量有着特别高的要求。因此，处理后的废水在两小时内的混合样品中，化学需氧量（CSB）必须≤45 mg/l，总磷（Pges）必须≤1 mg/l。在5月至10月的监测期间，两小时混合样品中铵态氮（NH4）的浓度值不得超过5 mg/l，无机氮（Nanorg）的浓度值不得超过11.5 mg/l。
除了遵守规定的限值外，污染物的去除率也是衡量污水处理厂净化能力的重要指标。去除率是通过出水和进水负荷的比率来确定的。
注：Durchschnittl. Ablauf 2h-Mischproben 平均出水 2小时混合样品
Abbaugrad Ab-/Zulauf去除率 出/进水
上图表显示了2018年至2022年间，通过两小时混合样品测定的CSB、Nanorg和Pges污染物的平均出水浓度以及去除率。如图所示，在所有污染物参数中，出水值显著低于标准。处理后废水的残留污染物浓度可以被持续评估为非常低至低。对于CSB的去除率始终达到≥95.5%，这使得埃尔朗根污水处理厂在德国水处理、废水和废物协会的全国绩效比较中处于领先地位。对于Pges，其平均去除率为92.3%。对于Nanorg，各年的两小时混合样品中的出水浓度均比巴伐利亚州的平均值低多达0.90 mg/l。
Blick auf die Belebungsbecken für die Nitrifikation.硝化过程活性污泥池一览
环保污泥处理
自1997年以来，埃尔朗根污水处理厂将污水处理过程中产生的污泥进行热处理处置。然而，2017年3月生效的修订版污泥处理条例导致了市场状况的变化。
修订版污泥处理条例规定，自2029年1月1日起，一方面完全禁止将污泥用于土壤利用，另一方面，要求污水处理设施的运营商在污泥中磷含量超过20克/千克干物质时，必须回收污泥或污泥灰中的磷。因此，埃尔朗根市排水部门决定不仅通过污泥干化来降低热处理成本，还自行进行磷回收。
污泥干化
2023年4月26日，埃尔朗根污水处理厂的新污泥干化设施在巴伐利亚环境部长Thorsten Glauber的陪同下正式投入使用。此前，埃尔朗根污水处理厂仅用高性能离心机将从发酵塔中提取的污泥脱水至约28%的固体含量，这意味着剩余污泥仍含有约72%的高水分。通过新的带式干化机，现在可以将固体含量连续干化至90%以上，从而使需要处置的污泥量减少了70%。
新的带式干化机完全实现了能量自足。干化设备所需的热能100%通过联合热电厂（KWK）产生的热能以及高温热泵从其他来源回收的热能获得。所需的电能也完全通过KWK设施中的沼气发电和光伏装置再生获得。
含约28%干物质的脱水污泥可以临时储存在现有污泥筒仓中，并通过螺旋输送机排入浓污泥泵的进料斗中。偏心螺杆泵将污泥输送到干化机的面条机中。污泥线上安装了一个在线进料干物质含量测量装置，用于持续测量和记录脱水污泥的干物质含量。基于测量值，干燥设备自动且优化地调整至当前进料的污泥。
在面条机中，污泥通过模具被挤出，形成“意大利面”状的污泥，然后被输送到干化机的上带上，确保干燥空气从底部向上通过带子和污泥。上干化带将污泥沿纵向一次输送通过干化机。在此过程中，加热的干燥空气通过带子和污泥，进行干化。在带子的末端，污泥落入传送箱中，然后均匀分布到下带上，再次以相反方向通过干化机。在此过程中，污泥进一步干化至所需的90%干物质含量。下带末端安装的干物质含量和温度测量装置持续监测干燥污泥的湿度和温度，并全自动调整干化机的控制系统。这确保了所需的干化程度能够可靠地保持。
干化后的污泥通过一个角斗式提升机运输到干物料筒仓中。从那里，干化的污泥颗粒通过筒仓车辆运输到热能利用工厂。排气通过酸性和碱性洗涤器净化，然后进入生物滤器。
由于污泥干化后至含固率90%后，污泥量大幅度减少，所需的卡车运输次数减少，再加上使用可再生能源，每年可以持续减少18,000吨二氧化碳当量的排放。
2023年4月26日新带式干化机的落成典礼
AirPrex® Macro工艺下的磷回收在埃尔朗根污水处理厂的应用
磷回收
磷化合物对所有生物都是必不可少的，在生物体的构建和功能中起着关键作用。此外，磷对每个生物的细胞构建和新陈代谢都是不可或缺的，也是农业中的重要养分。然而，磷是一种有限的资源，其最大的自然储量只分布在有限的国家，如摩洛哥、西撒哈拉、叙利亚和中国。因此，必须避免磷的流失。
在污水处理过程中，生物消除的磷会在活性污泥中积累。原则上，可以从废水、污泥和污泥灰中回收磷。在埃尔朗根污水处理厂，未来将从尚未脱水的消化污泥中回收磷。
首先，将在现有的活性池中提高生物磷储存量，并对每天从活性池中排出的剩余污泥进行水解。这意味着污泥将经过热处理和化学处理，以释放额外的生物结合磷。接着，在第二步中，通过化学沉淀将磷从污泥循环中去除。使用的是所谓的MAP工艺。在这个工艺中，消化污泥首先被引入一个额外的储罐，并在其中加入硫酸。随后添加镁盐，通过CO2的逸出提高pH值，从而控制生成和沉淀出磷酸镁铵，即鸟粪石。再通过HUBER砂处理装置将鸟粪石分离。鸟粪石非常适合植物吸收，可以直接作为长效肥料使用。
HUBER提供鸟粪石晶体分离器
磷回收设施于2023年7月投入使用。虽然磷回收需要额外的能量消耗，但这些能耗通过以下方面的节约得到了补偿：污泥脱水、污泥运输、生物废水处理以及絮凝剂的剂量和运输。此外，通过水解，气体产量增加了20%。
追踪微污染物
迄今为止，在埃尔朗根污水处理厂的三阶段处理过程中，矿物质、有机物以及碳、氮和磷化合物已成功从废水中去除或充分减少。
然而，这并不适用于所谓的人为微量污染物或微污染物，这些物质正日益对水体造成污染。这些物质包括药物残留、X射线造影剂、内分泌干扰物质如人工雌激素、家用化学品、防腐剂以及合成香料。这些物质的共同点是它们通常具有良好的水溶性，但大多数情况下难以生物降解。虽然这些物质在废水中的浓度仅为几纳克到微克每升，但根据巴伐利亚的一项物质流模型的结果表明，在排水量较少且人口和工业密集的区域，这些特定的微量污染物可能会以对环境有影响的浓度出现在水体中。为此，巴伐利亚州启动了“AWVIER”特别资助计划。该计划为包括埃尔朗根污水处理厂在内的13个优先污水处理厂提供国家资助，用于建设第四级处理阶段，以去除人为微量污染物，资助比例为总成本的50%至70%。资助的前提条件是，通过可行性研究证明所选方法能够对特定微量污染物达到80%以上的去除率。对于埃尔朗根污水处理厂，该可行性研究自2023年初已完成。
基本上，微量污染物可以通过吸附法（使用粉末状或颗粒状活性炭）、氧化处理（如使用臭氧）或这些技术的组合从废水中去除。根据可行性研究的结果，对于埃尔朗根污水处理厂，计划采用臭氧处理，并辅以砂滤和生物活性颗粒活性炭（BAK）过滤。废水首先进行臭氧处理，然后依次通过砂滤和BAK过滤器。为此，将对自2017年起停止使用的砂滤设备进行改造，将其中的八个过滤单元改装为BAK过滤器。剩余的六个过滤单元将继续用于沙滤，并在BAK过滤器之前使用。
为了满足第四级处理阶段所需的额外能源需求，并确保这些能源全部来自可再生能源，计划在硝化和反硝化池上方安装两个太阳能屋顶形式的光伏系统。这样可以保证当前作为能源中和污水处理厂的状态不会受到威胁或恶化。
在可行性研究获得积极评估并得到巴伐利亚州环境和消费者保护部的资助承诺后，计划于2024年开始在埃尔朗根污水处理厂建设第四级处理阶段。
HUBER的产品在该污水厂的应用
机械预处理
在污水处理前端，采用HUBER的阶梯格栅SSF，减少对冲洗水的需求。通过HUBER栅渣压榨机 WAP SL，清洗栅渣，改善栅渣卫生条件的同时保障脱水效果，回收碳源。
HUBER阶梯格栅SSF
污泥干化
在2021年初，HUBER在一次欧盟范围内的公开招标后，赢得了为Erlangen污水处理厂供应HUBER BT 16带式干化机的合同。在这个高级污泥处理项目的招标前期，该项目需要处理15700吨/年的体积，我们调查了几种处理过程：
太阳能污泥干化
水热碳化
带式干化
最后决定采用带式干化的方式，因为这种干化过程可以使污泥连续干燥至>= 90% 的干物质率。干化设备的热能需求100%由污水处理厂现有的热力联产系统和高温热泵的组合以及光伏系统的组合保证。带式干化所需的电能也由污水处理厂中的消化气体在热电联产厂转化为电能，100%由可再生能源产生。
HUBER公司提供带式干化机BT 16和所有配套设备，其中包括一台HUBER螺旋输送机Ro8 T、七台污泥输送机和一台浓污泥泵。还包括废气处理、两个生物过滤器和两个烟囱、化学品处理（包括接收和填充柜）、四个化学品储罐、六个加药柜和双管、钢结构和管道结构、斗式提升机和控制系统。
HUBER带式干化机BT 16废气处理装置
砂处理
在该污水厂内，还设计了一座小型的通沟污泥处理站，处理能力为5000 t/年。提供的设备为HUEBR喂料仓RoSF7，洗涤转鼓RoSF9，主要是将污泥中的粗大垃圾和砂取出来，剩余的尾水进入到污水厂处理。污水厂沉砂池的砂通过HUBER洗砂器RoSF 4分离、清洗和脱水后排出。
1：喂料仓； 2：洗涤转股；3：洗砂器及栅渣筐
正在作业的通沟污泥处理站
鸟粪石回收设备
利用HUBER洗砂器RoSF4将鸟粪石晶体分离、清洗后脱水，得到干净的可资源利用的材料。
Erlangen污水处理厂展示了当今最先进的工艺，也树立了环境保护、能源中和、资源可持续利用的典范。HUBER公司的产品为该污水厂的高效稳定运行做出了重要贡献。
