丹麦Lynetten、Damhusåen污水处理厂运行与管理

丹麦Lynetten、Damhusåen污水处理厂运行与管理

崔成武^{1, a} 方成¹ Carsten Thirsing² Kaare Press-Kristensen¹ Jens Ejbye Schmidt¹

（1. 丹麦技术大学环境与资源学院，Lyngby，丹麦，2800； 2. Lynettefællesskabet公司，哥本哈根，丹麦，1432）

　　摘要：本文对丹麦第一大污水处理厂——Lynetten污水处理厂和第三大污水处理厂——Damhusåen污水处理厂的运行和日常管理进行了详细介绍。同时对这两个污水处理厂的能耗状况、污泥处理工艺以及污水和污泥处理费用进行了介绍与分析。
　　关键词：丹麦，污水处理，污泥处理，运行管理，污水处理费用，Lynetten污水处理厂，Damhusåen污水处理厂
　　中图分类号：X703.1　　文献标识码：A

The Maintenance and Management in Lynetten、Damhusåen Wastewater Treatment Plant, Denmark

Cui Chengwu^{1, a} Fang Cheng¹ Carsten Thirsing² Kaare Press-Kristensen¹ Jens Ejbye Schmidt¹

（1. Environmental & Resource Institute, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, 2800 2. Lynettefællesskabet I/S, Copenhagen, Denmark, 1432）

Abstract: This paper concentrates on the maintenance and management of the largest wastewater treatment plant--Lynetten WWTP and the third largest wastewater treatment plant --Damhusåen WWTP in Denmark. The energy saving process and sludge treatments in the WWTP are being emphasized. Moreover, the costs of wastewater and sludge treatment in Lynetten and Damhusåen WWTP have been calculated.

Keyword: Denmark, wastewater treatment, sludge treatment, operation, fee of wastewater treatment, Lynetten wastewater treatment plant, Damhusåen wastewater treatment plant

1．简介

　　Lynetten污水处理厂和Damhusåen污水处理厂由丹麦Lynettenfællesskabet公司（Lynetten联合公司）经营，分别位于丹麦西兰岛哥本哈根市东部和南部临海区域，负责哥本哈根市及其周边7个行政区约123km²、73万人口的生活污水和工业废水处理。其中，Lynetten污水处理厂是丹麦最大的市政污水处理厂，始建于1980年，到目前为止已正常运行27年。最初并没有考虑脱氮除磷工艺，只进行二级生物处理。Damhusåen是丹麦第三大污水处理厂, 始建于1930年，具有悠久的历史。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，Lynetten和Damhusåen污水处理厂分别于1997和1996年进行了设备改造和工艺更新，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。以2005年为例，Lynetten污水处理厂处理水量为5600万m³/年（750000P.E）；Damhusåen污水处理厂处理水量为2400万m³/年（约合350000P.E）。两个污水处理厂年处理8000万m³污水，其中约有50%的进水来自于雨、雪水。2005年8个行政区的进水水量比例见图 1。2003—2005年进水水质见表 1。

图 1 2005年各行政区的进水水量比例

Figure 1 The percentage of wastewater distribution for each municipality

表 1 Lynetten、Damhusåen污水处理厂进水水质

Table 1 The characteristic of wastewater influent for Lynetten、Damhusåen WWTP

水质指标 2003年 2004年 2005年 平均 低值域 中值域 高值域 L D L D L D L D COD/BOD₅ 1.62 1.99 1.61 1.83 1.49 1.86 1.57 1.89 1.5~2 2~2.5 2.5~3.5 COD/TN 13.0 12.0 13.4 11.3 15.1 11.8 13.8 11.7 6~8 8~12 12~16 COD/TP 65.1 59.2 66.5 54.7 75.6 62.3 69.1 58.7 20~30 30~45 45~60

注：L: Lynetten WWTP; D: Damhusåen WWTP.

　　对Lynetten、Damhusåen污水处理厂进水水质进行分析后发现，COD/BOD₅在文献中规定的低值域范围内，属于易降解水体。而COD/TN和COD/TP基本上都处在高值域范围内，这对反硝化和生物除磷都是有益的^[2]。

2．运行工艺与操作管理

　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂均采用传统活性污泥工艺。Lynetten污水处理厂工艺流程见图 2 ^[3]，Damhusåen污水处理厂工艺流程见图 3 ^[3]。

图 2 Lynetten污水处理厂工艺流程

Figure 2 Flow chart of Lynetten WWTP

图 3 Damhusåen污水处理厂工艺流程

Figure 3 Flow chart of Damhusåen WWTP

2.1 机械处理设备及运行
　　从图 2和图 3 中可以看出，Lynetten和Damhusåen污水处理厂使用的机械处理设备几乎相同。污水经过格栅、沉砂池和初沉池处理后再进入生物处理部分。值得注意的是，经机械设备处理后的废物和废气都经过合理处理后再排放到环境中。废物（主要是砂子）经过脱水后外运到垃圾填埋场。Lynetten和Damhusåen污水处理厂机械设备一些重要参数见表 2。根据2005年两个污水处理厂内部统计数据显示，经过脱水后，格栅所拦截废物总量为392吨（约合0.36kg/(P.E·年)）；曝气沉砂池共产砂1069吨（约合0.97kg/(P.E·年)）。初沉池沉降后的剩余污泥均经过污泥浓缩后进行厌氧消化和焚烧处理。

表 2 Lynetten和Damhusåen污水处理厂机械处理设备参数^[3-5]

Table 2 Parameters of mechanical equipments in Lynetten and Damhusåen WWTP

机械设备 Lynetten WWTP Damhusåen WWTP 格栅 10mm，6组 10mm，6组 曝气沉砂池 3组，3450m³，HRT_av=32min 2组，1840m³，HRT_av =40min 初沉池 8组，19200m³，HRT_av =3h 7组，11500m³，HRT_av =4.2h

　　机械处理过程中，由于曝气和搅动会产生废气，如H₂S等，在这两个污水处理厂中，产生的废气均进行收集并排入污泥焚烧炉中进行焚烧处理。
2.2 生物处理工艺操作、运行与控制
2.2.1 工艺简介及操作
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂采用BIO-DENIPHO^TM（Krüger公司专利技术）去除污水中的有机物和氮、磷。BIO-DENIPHO^TM技术基于PI型氧化沟，在丹麦的污水处理厂中应用非常广泛。该技术的特点是自动化控制程度高，有机物和氮磷的去除效果良好。尤其是生物除磷效果好于传统生物除磷工艺。
　　 BIO-DENIPHO^TM技术运行分为两步，污水首先进入Bio-P反应池进行厌氧放磷，在这一过程中，由于污水中有机酸含量较高，硝酸盐和亚硝酸盐浓度较低，有利于聚磷菌在厌氧条件下释放磷。随后，污水进入PI氧化沟进行硝化反硝化和除磷过程。该阶段运行分为四个阶段（见图 4），其中两个氧化沟为一组，采用交替曝气的方式运行以达到硝化反硝化和好氧/缺氧除磷。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，聚磷菌则在好氧状态下吸磷，最后污水从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进行硝化和除磷反应，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中残留的氨氮和磷；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。BIO-DENIPHO^TM技术良好的除磷效果在Lynetten污水处理厂得到进一步验证，进水中70%~80%的磷被生物去除。

图 4 BIO-DENIPHO^TM工艺流程图

Figure 4 Flow chart of BIO-DENIPHO^TM process

　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂在采用BIO-DENIPHO^TM技术去除污水中的磷的同时，还辅助使用化学除磷的方法，投放物质为FeCl₃，投放地点为生物除磷池（Bio-P tank）后。曝气池后安装了磷在线监控装置，当发现TP浓度超标时会自动投加FeCl₃进行化学除磷。2005年，Lynetten和Damhusåen污水处理厂中FeCl₃使用量分别为3492吨（约合4.7kg/(P.E·年)）和1314吨（约合3.8kg/(P.E·年)）。最后，污水进入二沉池进行沉淀后排水。一部分剩余污泥则回流到Bio-P反应池，另一部分则直接进入厌氧消化池中。
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂各生物反应池的重要参数见表 3^[5]。

表 3 Lynetten和Damhusåen污水处理厂生物反应池参数
Table 3 Parameters of Biological units in Lynetten and Damhusåen WWTP

机械设备 Lynetten WWTP Damhusåen WWTP Bio-P反应池 V=24000m³；HRT=3.75h V=8300m³；HRT=3.0h PI型氧化沟 V=147000m³；HRT=23h V=71000m³；HRT=25.7h 二沉池 V=59100m³；HRT=9.23h V=26900m³；HRT=9.7h

2.2.2 控制系统简介
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂均采用SCADA (Supervisory Controland Data Acquisition)系统进行控制。SCADA 技术建立在3C+S (Computer、Communication、Cont rol、Sensor)基础上^[6]。污水处理厂通过SCADA技术来设定和控制氧化沟的运行。同时，PI氧化沟中的探头会自动向微机传送信号，工作人员可以实时了解氧化沟的运行情况。在非工作时间，SCADA系统也会正常运行。如果设备一旦发生问题，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。Lynetten和Damhusåen污水处理厂通过SCADA系统实现了自动化控制。
2.2.3 处理效果
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂2003—2005年处理效果见表 4^[3-5]。

表 4 Lynetten和Damhusåen WWTP 2003-2005年处理效果

Table 4 The total mount of effluent for Lynetten and Damhusåen WWTP 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 45040 2840 93.7 44280 2995 93.2 51280 3450 93.3 BOD₅ 26400 190 99.3 26730 280 99.0 32920 435 98.7 TN 3540 455 87.1 3440 575 83.3 3610 447 87.6 TP 710 72 89.9 700 67 90.4 710 50 93.0 污水量/（百万m³） 86 91 80

2.3 污泥处理和运行
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂污泥处理系统较为相似，不同之处是Damhusåen污水处理厂的污泥经过厌氧消化和脱水后会运送到Lynetten污水处理厂进行统一焚烧处理。因此，Lynetten污水处理厂污泥处理是重点研究对象。
2.3.1 污泥处理
　　经初沉池沉降后的污泥经过进一步浓缩后，同二沉池的剩余污泥一起进入厌氧消化池，见图 2。所产生的生物气（Biogas）汇集到气体收集池后进行产热和发电。经过厌氧消化后的污泥固含率约为1.5%。
　　Lynetten污水处理厂污泥脱水分为两步，即旋转浓缩预脱水和离心脱水。经过旋转浓缩和离心脱水后，污泥固含率分别提高到4%和24%。但在进行污泥焚烧之前，还需进一步提高污泥固含率。Lynetten污水处理厂采用污泥干化工艺，可将污泥固含率提高到40%~45%。
　　焚烧后的污泥收集后运送到垃圾填埋场。污泥处理设备参数见表 5。

表 5 污泥处理设备参数

Table 5 The parameters of equipments about sludge treatment

污泥处理设备 Lynetten WWTP Damhusåen WWTP 浓缩池 10000m³ 580m³ 厌氧消化池 18000m³ 7600m³ 生物气体收集池 3000m³ 750m³ 混合池 3000m³ --- 旋转浓缩池 6组，80m³/h 4组，80m³/h 离心脱水 6组，25m³/h 4组，25m³/h 污泥干化池 3组，10m³/h --- 污泥焚烧炉 2组，7t/h ---

　　2005年，Lynetten和Damhusåen污水处理厂产泥量为16441吨干污泥（约合14.9kg干污泥/ (P.E·年)），经过焚烧后产灰6238吨。
2.3.2 气体处理
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂在进行污泥焚烧处理的同时，十分重视产生的气体对大气的污染和气体处理问题，因此，产生的废气均进行深度处理，达到欧盟和丹麦政府的相关要求后才会排放到大气中。
　　从焚烧炉排出的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，水中有溶解的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，经处理后的气体通过90m高的烟筒排放到大气中。
　　2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂污泥焚烧后排放气体污染指标见表 6^[5]。

表 6 2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂污泥焚烧排放气体污染指标

Table 6 The amounts of pollutants from the emission gas after sludge incineration in Lynetten and Damhusåen WWTP, 2005

污染物指标 总量 污染物指标 总量 CO₂ /t/年 28200 镉/kg·年 1 二恶英/mg/年 1.1 铜/kg·年 2 SO₂/kg/年 46000 锌/kg·年 2 颗粒物/kg/年 6600 铬/kg·年 3 HCl/kg/年 1100 汞/kg·年 13 HF/kg/年 120 砷/kg·年 2 铅/kg/年 2 锰/kg·年 3

3．能耗、化学品消耗和新能源利用

3.1 污水处理厂能耗和产能
　　2003—2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂能耗和产能情况见表 7^[3-5]。

表 7 Lynetten和Damhusåen污水处理厂能耗和产能情况

Table 7 Energy production and consumption of Lynetten and Damhusåen WWTP from 2003 to 2005

指标 2003年

2004年

2005年 电能消耗 MWh/年 40818 41621 43470 kWh/(P.E·年) 37.1 37.8 39.5 产电 MWh/年 4000 3976 4313 kWh/(P.E·年) 3.64 3.61 3.92 热能消耗 MWh/年 17184 16295 17703 kWh/(P.E·年) 15.6 14.8 16.1 产热 MWh/年 45008 45350 48013 kWh/(P.E·年) 40.9 41.2 43.6 生物气产量 m³/年 6997800 7403996 6838000 m³/(P.E·年) 6.36 6.73 6.22 油 m³/年 972 540 1338 L/(P.E·年) 0.88 0.49 1.22

　　从表 7结果分析以及结合对丹麦另一个污水处理厂（Lundtofte WWTP）的研究结果得出，丹麦大型城市污水处理厂电耗一般在35~40kWh/(P.E·年)。而利用生物气产热能为30~40 kWh/(P.E·年)。污水处理厂生物气所产热能完全能够满足本厂热能需要。一些丹麦污水处理厂（Lynetten WWTP）的做法是与天然气公司建连接管道，将多余部分生物气外卖。另一些污水处理厂则利用多余生物气产热、产电外卖。
　　另外，值得一提的是Lynetten污水处理厂十分重视新能源开发和利用。厂内建有风能和太阳能设施，所产生的能量转化为电能，主要用于污水提升。2005年，所产风能和太阳能分别为4796MWh和9MWh^[5]。
3.2 化学品消耗
　　2003—2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂化学品消耗情况见表 8^[3-5]。

表 8 Lynetten和Damhusåen污水处理厂化学品消耗情况
Table 8 Chemicals dosage of Lynetten and Damhusåen WWTP from 2003 to 2005

指标 2003年 2004年 2005年 FeCl₃ t/年 4499 4405 4806 kg/(P.E·年) 4.09 4.00 4.37 AlCl₃ t/年 557 614 423 kg/(P.E·年) 0.51 0.56 0.38 清洁水 m³/年 44431 38211 35644 m³/(P.E·年) 0.04 0.03 0.03 聚合物 t/年 155 169 154 kg/(P.E·年) 0.14 0.15 0.14 NaOH t/年 1003 986 681 kg/(P.E·年) 0.91 0.90 0.61 TMT15 kg/年 3300 2200 4700 kg/(P.E·年) 0.003 0.002 0.004

　　表 8中FeCl₃和AlCl₃主要用于化学除磷。由于Lynetten和Damhusåen污水处理厂采用BIO-DENIPHO^TM技术去除污水中的磷。因此，实际上有20%~25%的磷是通过投加化学药剂去除的。所以，FeCl₃和AlCl₃的用量相对较少。

4．总费用

　　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。但是，了解国外污水处理厂污水和污泥处理费用以及污水处理运转费用对我国今后污水处理厂建设、评估以及污水处理费评定都有参考意义。
　　2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂运行费用为1.86亿DKK。主要分为四部分：员工工资、税费、能耗和化学药品费以及运行管理费用，具体比例分配见图 5。

图 5 2005年Lynetten和Damhusåen污水处理厂运行费用分配比例

Figure 5 The percentage of cost for Lynetten and Damhusåen WWTP in 2005

　　一般情况下，丹麦污水处理厂最大的费用支出为员工工资。同时，在运行管理中还有相当部分是用于场地租用等。另外，丹麦污水处理厂需向政府缴纳污水和污泥处理税费，污泥焚烧以及外运到垃圾填埋场也都需要缴税。在丹麦，只有污泥回用时不用向政府交税。
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂污水处理费用约为4.66DKK/m³（雨、雪水不计），约合170DKK/P.E·年。值得一提的是，丹麦平均污水处理费用为15DKK/m³。这与核算后的Lynetten和Damhusåen污水处理厂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。而市政污水管道的维护和管理属于各行政区所管。

5．总结

　　本文综合介绍、分析了丹麦第一大污水处理厂——Lynetten污水处理厂和第三大污水处理厂——Damhusåen污水处理厂的日常运行和管理。这两个污水处理厂均采用基于PI氧化沟工艺的BIO-DENIPHO^TM技术去除污水中的有机物和氮磷，并利用SCADA系统实现了运行自动化控制。作为分析对象的Lynetten和Damhusåen污水处理厂出水情况良好，2005年COD、BOD₅、总氮以及总磷的年平均去除率分别达到了93.3%、98.7%、87.6%和93%。两个污水处理厂年产生污泥量为16441吨干污泥，污泥经过厌氧消化、离心脱水、干化和焚烧后外运到垃圾填埋场。焚烧过程中产生的气体经深度处理达到欧盟和丹麦政府的相关要求后通过90m高的烟囱排放到大气中。
　　Lynetten和Damhusåen污水处理厂电耗为35~40kWh/P.E·年，而利用生物气产热能为30~40 kWh/P.E·年。污水处理厂年运转费用在1.86亿DKK左右，平均污水处理费用为4.66DKK/m³。

参考文献

[1] Council Directive 91/271/EEC of 21 May 191 concerning urban wastewaer treatment.
[2] Henze M, Harremoes P, La Cour Jansen, Arvin Erik. Wastewater Treatment Biological and Chemical Processes [M]. Springer, third edition.
[3] 2003年LynettenDamhusåen污水处理厂运行报告[M].
[4] 2004年LynettenDamhusåen污水处理厂运行报告[M].
[5] 2005年LynettenDamhusåen污水处理厂运行报告[M].
[6]杨立福, 赵静生, 张公度. 自动化技术( SCADA)综述.《给水排水》, Vol126(13),2000, 72-76.

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a. 作者简介：崔成武（1981—），研究方向为水污染控制，污水处理厂工艺运行维护管理。联系方式：[email protected]。