丹麥大型城市污水處理廠運行、維護和管理

崔成武1,* Gert Petersen1,2
（1. 丹麥技術(shù)大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，Lyngby，丹麥，2800； 2. EnviDan，Kastrup，丹麥，2770）

　　摘要：本文簡要介紹了丹麥城市污水處理的現(xiàn)狀，包括城市污水處理廠數(shù)量、類型、處理負荷以及歐盟和丹麥環(huán)保部門的相關(guān)要求等。另外，針對大型城市污水處理廠，本文以Lynetten、Damhusen、Lundtofte 和Avedre 四大城市污水處理廠為例，介紹其運行維護和管理方面的經(jīng)驗。最后，本文還介紹了丹麥以及上述四大城市污水廠的污水和污泥處理費用。
　　關(guān)鍵詞：丹麥，污水處理，污泥處理，氣體處理，城市污水處理廠，運行管理，運行費用
　　 中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A

The operation, maintenance and management of big domestic wastewater treatment plants in Denmark
Cui Chengwu1,* Gert Petersen1,2
（1. Institute of Environment & Resources, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, 2800 2. EnviDan, Kastrup, Denmark, 2770）

Abstract: This paper briefly introduces the situation of domestic wastewater treatment in Denmark, which includes the numbers, types, capacities of domestic wastewater treatment plants and the effluent requirements from both EU and Danish EPA. The operational experiences and management of the big domestic wastewater treatment plants are explained mainly based on the data from Lynetten, Damhus?en, Lundtofte and Aved?re WWTP in Denmark. At last, this paper also introduces the average wastewater treatment fee in Denmark and the operational cost of both wastewater treatment and sludge treatment in those 4 WWTPs.
Key words: Denmark, wastewater treatment, sludge treatment, gas treatment, domestic wastewater treatment plant, operation and management, operation fee

1．簡介

　　 丹麥位于歐洲北部，經(jīng)濟發(fā)達，人均國民生產(chǎn)總值居于世界前列。同時，丹麥政府對環(huán)保建設(shè)非常重視，尤其是城市污水處理問題。在歐盟委員會關(guān)于91/271/EEC 法案（城市污水處理法案）執(zhí)行情況的第三次和第四次總結(jié)報告中[1,2]，丹麥與德國、奧地利等國共同被歸屬于歐盟城市污水處理較好的國家之列。自執(zhí)行歐盟91/271/EEC 法案后，丹麥城市污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠出水質(zhì)量均得到明顯改善。自1989 年到2004 年，丹麥城市污水處理的發(fā)展可分為兩個階段，分別是1989～1996 年的快速成效階段和1996～2004 年的平穩(wěn)下降階段。例如：在1989 年，丹麥城市污水處理廠出水中BOD5 總量為35000 噸，到1996 年，這一數(shù)據(jù)快速下降到5000 噸，而到2004 年，則平穩(wěn)下降到2500 噸。
　　丹麥政府規(guī)定，當人口當量大于30PE¹ 時需建設(shè)相應(yīng)的污水處理設(shè)備。根據(jù)2004 年統(tǒng)計結(jié)果[3]，丹麥全國共有1193 個城市污水廠，其中237 個為私營污水廠。自1993 年到2004年的12 年間，丹麥城市污水處理廠的類型發(fā)生了巨大的變化。具有脫氮功能的生物污水處理廠的比例從1993 年的54%提高到2004 年90.4%。與此變化相符合的是城市污水廠出水氮磷含量明顯降低。2004 年，城市污水處理廠TN 平均去除率為80%，TP 平均去除率高達96%。
　　在丹麥，盡管城市污水處理廠的數(shù)量較多，但規(guī)模普遍較小。在1193 個城市污水處理廠中，處理規(guī)模小于1000 m³/天的污水廠占到了77.5%，但卻只處理全國6%的城市污水。絕大多數(shù)的城市污水是由大規(guī)模集中式城市污水處理廠處理的。如：處理規(guī)模大于10000 m³/ 天的污水廠只有62 個，但卻處理了全丹麥70%的城市污水。
　　丹麥城市污水處理廠出水標準遵照歐盟91/271/EEC 法案以及丹麥環(huán)保部門和地方行政 區(qū)所制定的出水標準來執(zhí)行。具體出水標準見表 1。

2．丹麥大型城市污水廠的運行和維護

　　丹麥大型城市污水處理廠（人口當量大于100000 PE，即進水量大于20000 噸/天的城市污水廠）所具有的共同特點之一就是污水和污泥處理的工藝非常接近。就下文重點討論的Lynetten、Damhus?en、Lundtofte 和Aved?re 污水廠來說，其污水處理的核心技術(shù)均采用基于氧化溝工藝的Biodenitro 或Biodenipho 技術(shù)。而對于污泥處理，一般都需要經(jīng)過厭氧硝化、離心脫水和焚燒處理后，外排到垃圾填埋場。
　　另外一個共同的特點就是污水廠的管理方式非常類似。一般來說，丹麥大型城市污水處理廠有兩個具有不同功能的管理機構(gòu)，分別稱為董事會和市政業(yè)務(wù)委員會。董事會成員由污水廠管轄范圍內(nèi)的幾個行政區(qū)的工作人員組成。董事會成員代表其所在行政區(qū)，主要工作是協(xié)調(diào)行政區(qū)與污水廠之間的關(guān)系以及監(jiān)督污水廠的日常運行情況。同時，還需對該行政區(qū)污水處理進行詳細的規(guī)劃和總結(jié)。而市政業(yè)務(wù)委員會則主要負責(zé)污水廠的日常運行維護和管理工作。同時，在市政業(yè)務(wù)委員會中也會有各個行政區(qū)的負責(zé)人員，其主要負責(zé)與董事會成員進行對接，確保行政區(qū)與污水處理廠之間關(guān)系的通暢。以Aved?re 污水廠機構(gòu)為例，該污水廠的污水來源于10 個行政區(qū)。該污水廠管理結(jié)構(gòu)見圖 1。

2.1 基本情況簡介
　　Lynetten、Damhus?en、Lundtofte 和Aved?re 污水廠均位于丹麥西蘭島上，負責(zé)周邊行政區(qū)的城市污水和工業(yè)廢水處理[4,5]。2004 年，污水廠處理負荷和進水負荷情況見表 2。

　　Lynetten 是丹麥最大的城市污水處理廠，設(shè)計處理能力為15 萬噸/天，2004 年實際進水負荷近20 萬噸/天。Damhus?en 為丹麥第三大城市污水處理廠，設(shè)計處理能力為7 萬噸/天。Damhus?en 與Lynetten 共屬Lynettenf?llesskabet 公司（Lynetten 聯(lián)合公司）經(jīng)營管理。Aved?re 為丹麥第五大污水處理廠，設(shè)計處理能力6.4 萬噸/天，歸屬丹麥Spildevandscenter Aved?re （Aved?re 污水中心）經(jīng)營管理。Lundtofte 相對較小，設(shè)計處理量為2.2 萬噸/天。
　　上述四個污水廠進水水質(zhì)特性和出水情況見表 3 和表 4。

　　對進水水質(zhì)分析后發(fā)現(xiàn)：4 個污水廠進水水質(zhì)的COD/BOD5 值屬文獻中[6]的中低值域范圍，這可能與工業(yè)廢水匯入有關(guān)。經(jīng)過總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：丹麥城市污水的COD/TN 和 COD/TP 均處于文獻中[6]規(guī)定的中高值域范圍內(nèi)。

　　 從中發(fā)現(xiàn)，四個城市污水廠的重點污染物出水指標均低于歐盟91/271/EEC 法案以及丹麥環(huán)保部門的相關(guān)要求。
2.2 工藝流程
　　丹麥城市污水處理廠工藝一般可分為三部分：污水處理單元、污泥和廢物處理單元以及廢氣處理單元。Lundtofte 污水廠是丹麥非常典型的城市污水廠，下面基于Lundtofte 污水廠的工藝流程對各部分進行討論。Lundtofte 污水處理廠的具體工藝流程見圖 2 所示。

2.3 污水處理單元
2.3.1 機械處理
　　對于城市污水廠來說，污水機械處理通常包括粗格柵、曝氣沉砂池、細格柵、初沉池以及二沉池等工序。由于各種機械處理工藝的設(shè)計已經(jīng)非常成熟，因此無需再進行詳細討論。但是，針對機械處理過程所產(chǎn)生的廢物和廢氣處理問題是值得學(xué)習(xí)和借鑒的。
　　在進入曝氣池前，一系列的機械處理過程會產(chǎn)生大量的廢物。丹麥大型城市污水廠的做法是：固體廢棄物并沒有與剩余污泥混合進入?yún)捬跸?，而是?jīng)過脫水后直接進入污泥焚燒爐進行焚燒處理。這是因為此類固體中無機物含量相對較高，直接進入消化池會影響厭氧消化效果。另外，這類廢物也沒有應(yīng)用于建筑方面的回用，主要原因是此類沙子中含有重金屬以及持久性有機物，對人體健康具有潛在危害。
　　丹麥大型城市污水處理廠十分重視機械處理過程中由于曝氣或攪動所產(chǎn)生廢氣的收集和處理問題。一般來說，曝氣沉砂池全部采用鋁質(zhì)材料封頂。部分污水廠的初沉池上面也會封頂。處理過程中所產(chǎn)生的氣體，如H2S 也會隨特定的氣體管路進入焚燒爐處理。
2.3.2 生物處理
　　如前所述，丹麥大型城市污水廠污水生物處理工藝非常接近。上述四個污水廠均采用Biodenitro 或是Biodenipho 工藝。下面針對這兩種工藝進行簡單介紹。
2.3.2.1 工藝簡介
　　Biodenitro 和Biodenipho 工藝為丹麥Krüger 公司的專利技術(shù)。該種技術(shù)的特點是自動化控制程度高、占地面積小、有機物和氮磷的去除效果良好。與Biodenitro 工藝不同的是，Biodenipho 在前面添加了一個厭氧池（Bio-P tank），因此具有生物除磷功能。而Biodenitro 無法進行生物除磷，只能借助于化學(xué)除磷。
　　下面以Biodenitro 工藝為例，重點介紹該工藝的運行和控制。
　　Biodenitro 工藝的運行是基于氧化溝技術(shù)（丹麥城市污水廠多采用基于表曝的氧化溝技術(shù)）。通常是將兩個氧化溝劃分為一組，采用交替曝氣的方式運行以達到硝化反硝化的目的。Biodenitro 工藝分為四個階段，見圖 3 所示。其中，值得注意的是設(shè)置b 階段和d 階段的主要目的有兩個：一是去除第一階段在缺氧池中殘留的氨氮；二是由于硝化耗時相對較長，為了能夠達到更好的出水標準。

　　 一般來說，盡管Biodenipho 工藝具有較強的生物除磷功能，但污水廠依然會輔助使用化學(xué)除磷的方法已達到更佳的出水TP 濃度。而采用Biodenitro 工藝的污水廠更是如此。投放的物質(zhì)一般為FeCl3 或AlCl3，投放地點設(shè)置在曝氣池前。在曝氣池后安裝了磷在線監(jiān)控裝置，當發(fā)現(xiàn)TP 濃度超標時會自動投加除磷。
2.3.2.2 控制系統(tǒng)
　　上述4個大型城市污水處理廠均采用SCADA和STAR系統(tǒng)來控制污水廠的正常運行。SCADA 技術(shù)建立在3C+S (Computer、Communication、Control、Sensor)基礎(chǔ)上。該系統(tǒng)主要用于控制泵站、流量以及污泥脫水工藝等等。而STAR系統(tǒng)（Krüger公司的專利技術(shù)）是建立在SCADA系統(tǒng)之上，是一種用于控制曝氣池運行的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。在氧化溝中會安裝在線檢測儀器，從而將主要的污染物參數(shù)，如：氨氮、硝酸鹽氮、總磷以及溶解氧濃度的信息發(fā)送到中心PLC上。由微機程序控制曝氣池各階段的運行時間和曝氣模式。因此，圖3中所示的4個階段的具體運行時間是由STAR系統(tǒng)通過曝氣池中具體污染物濃度的數(shù)據(jù)來控制的，但是會有一個最長運行時間。Lundtofte污水廠各階段的最長運行時間為90min。
　　另外，如果設(shè)備一旦發(fā)生問題，程序會自動向技術(shù)人員的手機發(fā)送短信息以告知其出現(xiàn)技術(shù)故障的具體位置。同時，微機程序還會自動向技術(shù)人員發(fā)送電子郵件告知其具體問題，技術(shù)人員可以據(jù)此判斷是否應(yīng)該立即處理該故障問題。
2.4 污泥處理單元
2.4.1 丹麥污泥處理情況簡介
　　歐盟及丹麥政府非常重視城市污水處理廠所產(chǎn)生的污泥及其處理和排放的問題，并制定了相關(guān)的法案，如86/278/EEC 法案、91/271/EEC 法案等。對城市污水廠排放污泥中的重金屬以及持久性有性有機物的含量做出了相關(guān)的規(guī)定。
　　經(jīng)過統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，1999—2005 年，丹麥城市污水廠污泥處理和排放都產(chǎn)生了一定的變化，見表 5 所示?？梢钥闯?，變化最為明顯的是污泥焚燒比例大幅提高和填埋比例明顯下降。其中，污泥焚燒比例從1999 年的6%提高到2005 年的25%。上述的四個丹麥大型城市污水廠的污泥都經(jīng)過焚燒處理。另外，盡管污泥總產(chǎn)量有所提高，但人均污泥產(chǎn)量基本保持不變。

2.4.2 污泥處理
　　初沉池和二沉池排出的剩余污泥首先進行脫水、絮凝，之后進行厭氧消化。丹麥城市污水廠多采用中溫厭氧消化工藝，溫度控制在32～37℃，SRT 控制在25～30 天。一般來說，經(jīng)過厭氧消化后，污泥的固含率約為1.55～3%。
　　污泥經(jīng)過厭氧消化后，進入離心機脫水，污泥固含率提高到20%～32%。經(jīng)過離心脫水后的剩余污泥將會和沉砂池內(nèi)的污泥混合，并進入焚燒爐。經(jīng)過焚燒處理后的污泥收集后運送到垃圾填埋場。
2.4.3 生物氣
　　一般來說，丹麥城市污水廠厭氧消化池產(chǎn)生的生物氣中甲烷含量在65%左右，而每產(chǎn)生1m³ 生物氣會削減1.15 kg 干污泥。生物氣能夠得到有效的收集并回用?；赜弥饕姆绞接袃煞N：一是產(chǎn)熱、產(chǎn)電，供本廠內(nèi)部使用；另一部分則出售給附近的工廠或天然氣公司等。
2.5 廢氣處理單元
　　丹麥城市污水廠在污泥焚燒處理過程中，十分重視潛在的大氣污染問題。自焚燒爐產(chǎn)生的廢氣都要經(jīng)過深度處理后才能排放到大氣中。下面以Lundtofe 污水廠為例，簡單介紹污泥焚燒后氣體深度處理設(shè)備和裝置。
　　從焚燒爐中排出的廢氣首先經(jīng)過降溫后進入旋風(fēng)分離器，在這一過程中有85%～90%的灰分會從氣體中分離出來。隨后，氣體進入湮滅爐中進行深度處理。在湮滅爐中，首先用水噴澆，使氣體進一步降溫。在水體內(nèi)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 氣體，并轉(zhuǎn)化為Na2SO4、NaCl 以及NaF?；钚蕴縿t用來吸附汞等重金屬。最后，經(jīng)過處理后的氣體進入布袋分離器進行固氣分離，所有固體連同污泥被運送到垃圾填埋廠，而經(jīng)過處理后的氣體則通過煙筒排放到大氣中。

3．能耗、化學(xué)品消耗及污水廠運行費用

　　 由于丹麥大型城市污水廠采用的工藝、運行方式以及管理結(jié)構(gòu)大同小異，因此污水廠能耗、運行費用等統(tǒng)計數(shù)據(jù)也存在一定的一致性。對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計核算對于今后我國擬采用或已經(jīng)采用類似工藝的城市污水廠的設(shè)計、運行、管理和評估工作具有一定的價值和意義。
　　但是，鑒于國情不同，環(huán)境和污水管理方式也有所差異，因此，利用單一貨幣形式（如歐元）來描述污水處理廠的運行費用是不合理的。因此，在運行費用的具體核算上，分以下幾方面進行討論。化學(xué)藥品以藥品使用量作為衡量標準；能量采用kWh 作為衡量標準。
3.1 污水處理廠能耗
　　丹麥大型城市污水廠電耗在35～45 kWh/（PE·年），和0.5～0.6 kWh/m³ 污水。而生物污水處理電耗約為0.20～0.25 kWh/m³ 污水，占總電耗的30%～50%；污泥處理電耗約占總電耗的30%～40%；而污水提升、機械處理和管理電耗約占總電耗的15%～35%。對于污泥處理來說，處理1kg 干污泥需耗能0.02～0.06 kWh。
3.2 化學(xué)藥品使用量
　　污水廠化學(xué)物質(zhì)主要用于化學(xué)除磷和污泥脫水等。針對化學(xué)除磷，不同污水廠采用的物質(zhì)不同。例如：Lynetten 污水廠采用FeCl3；而Lundtofte 污水廠采用AlCl3?；瘜W(xué)物質(zhì)投加量與污水水質(zhì)、工藝以及出水指標有直接關(guān)系。Lynetten 和Lundtofte 污水處理廠化學(xué)除磷的情況見表 6。

　　 從表 6 的數(shù)據(jù)可以看出，在進水TP 濃度基本相當?shù)那闆r下，采用具有生物除磷功能的Biodenipho 工藝更加節(jié)省化學(xué)除磷物質(zhì)量，而且可以獲得更好的出水TP 效果。
3.3 污水處理廠運行費用
　　丹麥城市污水廠運行費用主要費為四部分：員工工資、稅費、能耗和化學(xué)藥品費以及運行維護費用。以Lynetten 和Damhus?en 為例，2005 年兩個污水廠運行費用為1.86 億DKK，具體比例分配見圖 4。

　　 一般情況下，丹麥污水處理廠最大的費用支出為員工工資。同時，在運行維護中還有相當部分是用于場地租用等。另外，丹麥污水處理廠需向政府繳納污水和污泥處理稅費。污泥焚燒以及外運到垃圾填埋場也都需要繳稅。在丹麥，只有污泥回用時不用向政府交稅。一般來說，丹麥城市污水處理廠污泥處理費用占總運行費用（不含人工費用和稅費）的40%～50%。
　　上述四個污水廠運行費用統(tǒng)計見下表 7。

　　 值得一提的是，丹麥平均污水處理費用為15 DKK/m³，這與核算后的城市污水處理廠污水處理費存在較大差異。主要原因是丹麥總污水處理費用不但包括污水處理廠的運行費用，還需計算污水管道的建設(shè)和維護費用。而市政污水管道的維護和管理歸各行政區(qū)。

4．結(jié)論

　　 丹麥自20 世紀90 年代至今，城市污水處理發(fā)生了巨大的變化。這一變化得益于丹麥政府積極執(zhí)行歐盟91/271/EEC 法案及制定更為嚴格的相關(guān)出水標準。丹麥大型城市污水廠無論是運行工藝還是管理方式比較相似。總結(jié)其發(fā)展經(jīng)驗和管理體制，對有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并吸收消化對處于發(fā)展中的中國城市污水處理是十分有益的。

參考文獻：
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[2] 4th Report from the Commission to the Council, the European Parliament, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions - Implementation of Council Directive 91/271/EEC of 21 May 1991 concerning urban waste water treatment, as amended by Commission Directive 98/15/EC of 27 February 1998. Access via Internet (20/08/2007):
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[5] Cui Chengwu et al. The Maintenance and Management in Lynetten Wastewater Treatment Plant, Denmark. Water & Wastewater. (In Press)
[6] Henze M., Harremoes P., La Cour J., Arvin E. (2001) Wastewater treatment biological and chemical processes. Third edition, Springer, Berlin, Germany.

*作者簡介：崔成武，研究方向為水污染控制管理，污水處理廠運行控制。E-mail：c_ch_w@126.com
此稿件入選《中國給水排水》黃山會議
1．本文中1PE（Population Equivalence）的含義為每人每天產(chǎn)0.2m³ 的污水。