亿发国际登陆 -解读德国2017年最新污泥处理处置法规 技术动向
2017-8-14
来源:中国给水排水
点击数: 5679          作者:未知
  • 原标题:高颖博士为您解读德国2017年最新污泥处理处置法规 技术动向

    经过十多年的修订,德国污水处理厂污泥法(AbfKlärV)将在2017年8月正式宣布生效。新版规范明确规定, 在规定的过渡期(12年或15年)之后,所有规模超过5万人口当量的污水厂都必须从污泥或者污泥灰烬内进行磷回收,同时禁止污泥土地利用。

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    背 景

    长期以来,德国关于市政污泥农用的争论从未停止过, 以前反对农用的原因是市政污泥内重金属含量超标,而目前的矛头直指有机污染物质,主要指污泥内的残留药物和化妆品物质。

    根据德国联邦统计局(Destatis)2016年12月公布的德国市政污泥处置的最新数据,2015年产生约180万吨市政污泥(DS),约36%用于农田、景观建设和土壤改善剂。虽然市政污泥内的一些有害物质(镉、汞、二恶英、各种全氟烷化合物PFC)的含量在最近20年内已经大幅下降(最高可达95%),许多作为农肥的市政污泥成分符合法规要求并不会影响土壤,但市政污泥直接作为肥料的作法,在德国的接受程度仍在不断下降。

    另外约64%的市政污泥经过热处置后填埋或者作为灰烬用于道路建设或矿井填埋, 在此过程中,有用的磷资源被丢失。从2015年的数据来看,“焚烧增加,农用减少”的趋势仍在持续发展。

    另一方面从全球磷储存量(磷酸岩)分析,在不久的将来可能会导致磷的供给瓶颈。欧盟在2014年5月26日列出了一个紧缺原料的清单,磷 (磷矿石) 位列其中。对于矿化性磷来说,德国和几乎所有欧盟国家均依赖进口, 而且都是从一些政治不稳定的国家或地区进口。

    因此,不管是按照“垃圾资源回收原则”进行分析,还是从长期确保磷资源供给角度来看,都应该从污水或市政污泥内进行磷回收,因为这部分磷物质流是最主要的次级磷资源主要来源。理论估算,在市政污泥或污水中的总磷量(通常是以正磷酸盐形式出现),可以覆盖农业化肥需要量的50%~60%。

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    新版法规的主要更新

    新版市政污泥规范中的主要更新内容:一方面对今后过渡时期内还进行“土地利用”的污泥处置提出了更严格的要求,另一方面要求在过渡期之后,大型污水处理厂必须在市政污泥或者从市政污泥焚烧厂的灰烬进行磷回收。

    2.1法律强制规定大型污水厂进行磷回收

    根据这一规范法则,所有大于10万人口当量[德国人口当量解释:60 gBOD/(人&dot;?d)。德国人均耗水150~200 L/(人&dot;?d),污水BOD的平均浓度300~350 mg/L]的污水处理厂必须最晚在规范生效之后12年内,所有大于5万人口当量的污水处理厂必须最晚在规范生效之后15年内完成磷回收装置。在这些大型污水处理厂内,只有以下例外情况可以免除磷回收义务:即市政污泥内始终能够证明含有很低的磷含量(<20 gP/kgDS)。

    伴随12和15 年两个个阶梯式过渡期的是逐步禁止以土地利用为基础的市政污泥处置途径。简单地说: 在12年过渡期之后,对于所有来自大于10万人口当量的污水处理厂的市政污泥不再允许土地利用; 在15年过渡期之后,对于所有来自大于5万人口当量的污水处理厂的市政污泥不再允许土地利用。

    此规范没有规定所必须采用的具体磷回收工艺技术;污水处理厂既可以建造单独污泥焚烧装置,然后从污泥灰烬内进行磷回收, 也可以采用化学结晶沉淀工艺进行磷回收(例如鸟粪石MAP工艺)。

    此规范为大面积采用磷回收工艺提供了足够的过渡时期。主要原因是目前只有一部分从市政污泥(或者污水)进行磷回收的工艺是成熟技术,而从市政污泥灰烬内进行磷回收的工艺,目前在德国还没有大型装置运转的成功经验。

    各种磷回收利用方法只有在以下情况下才被定义为磷回收处置工艺, 即从市政污泥或者从市政污泥单焚烧装置的灰烬或者在特殊市政污泥混烧装置内产生的污泥灰烬内进行磷回收。

    在采用化学沉淀结晶工艺的市政污水处理厂内, 一般都可以产生磷酸铵镁(MAP)。但此规范规定, 再采用此工艺必须保证被处理后的市政污泥内磷含量<20 gP/kgDS或者至少降低污泥内磷含量50%。回收之后的磷大部分作为肥料或者进一步加工制成化肥。

    对于污泥灰烬来说,磷回收处理工艺目前还处于开发阶段, 含磷灰烬必须加工处理之后才能够产生磷酸, 可以广泛应用在化肥生产过程中。但是肥效试验显示, 从单污泥焚烧装置内获得含磷灰烬如果不额外进行处理,则一般情况下这些灰烬的肥料不如鸟粪石(MAP)。

    此法律还规定,当市政污泥在单污泥焚烧装置或者在等价的混烧装置内热处置时,必须至少将污泥80%的磷回收利用。这样才能保证在热处置过程中的磷回收效率高于普通的化学沉淀结晶方法。


    图1 德国2017年8月生效的污泥法规(AbfKlärV修订版)实施要求和途径

    2.2免除磷回收义务的例外

    在规范内,描述了在以下2种情况下可以免除磷回收的义务:

    规定在小型市政污水处理厂(小于5万人口当量)内,除了可以进行磷回收之外,今后和至少在过渡期之后也长期可以采用土地利用方式进行污泥处置。

    对于规模大于5万人口当量的污水处理厂来说,只有在长期证明污泥含磷量很低情况下(<20 gP/kgDS)才属于例外情况。在这种情况下,这些市政污泥可以在不进行磷回收情况下直接送水泥厂、垃圾焚烧厂和煤电厂进行焚烧处理。

    如果污水处理厂为了达到出水磷含量法定指标,已经采用了除磷工艺,则也必须按照以上规范进行磷回收。

    最晚至2023年,将在德国所有污水处理厂内检查此规范的执行情况。所有污水处理厂必须根据规范第4条款向有关管理机关提交具体的磷回收实施方案,然后由联邦环保部进行评估。

    2.3一些重要术语概念

    目前在AbfKlärV规范条款2内对一些专业术语的概念做了精确说明和补充。

    * 市政污泥

    污水厂污泥是指在污水处理装置(包括在深度处理装置)内产生的污泥。根据德国污泥处理规范,以下污泥也都属于污水厂污泥,并属于规范处理范围:

    - 所有浓缩、脱水或干化或其他形式处理后的污泥

    - 在家庭污水处理装置或植物床内产生的污泥

    - 污水厂污泥堆肥物料(堆肥之后的污泥混合物)和污水厂污泥混合物[指附件2内,污水厂污泥和德国肥料规范内表格11和12(分别根据相应版本)其他合适物料相互之间的混合物]

    以下污泥不属于德国污泥规范的处理内容:

    - 原生污泥,是指未经处理便从污水处理装置内分离取出的污泥。脱水处理后原生污泥不被认为是污水厂污泥。

    - 通过强化处理后的市政污泥, 例如焚烧之后的灰烬或者热解之后的材料也不属于污水厂污泥。

    * 污泥堆肥

    污泥堆肥的概念在此规范也有具体说明,必须就制作这些堆肥的生产工艺进行补充说明。根据此条例,在这些混合物内除了污水厂污泥之外,只能采用德国肥料法允许的物料作为混合物料。此外,今后对污泥混合物 /污泥堆肥所允许的混合组成将引入新的管理条例。通过使用德国肥料条例规定,对哪些材料能作为混合物料的决定将变得简单容易。

    * 污水

    在此对污水概念做了精确定义。在应用此规范时,污水与污泥一起具有最重要的作用, 在此规范内容内除了由市政污水产生的污泥之外,只要工业废水的组成与市政污水类似,则工业废水处理装置内所产生的污泥也属于规范应用范围。

    2.4污泥质量自管理系统的引入

    以前德国污泥处理规范只是对污泥农用或园林使用做了规定, 而新版污泥处理规范则对各种形式的污泥处置,特别是对景观利用,向污泥混合商/污泥堆肥商供货提供污泥以及污泥混合商/污泥堆肥商供货提供污泥产品时都提出了要求。

    此外,新版污泥规范还第一次对质量合格的污水厂污泥、污泥混合物和污泥堆肥处置时做了具体规定,其中包括对质量管理授权单位和在使用由这些授权单位发出的质量证书所做出的规定。这样做的目的是设法让污水厂自己对污泥进行定期质量检查并形成制度,并由中立的“第三方”(质量管理授权单位)进行管理和颁发产品质量证书。

    此污泥规范只是列出少量需要了解的测定参数, 但是明确说明必须参照德国肥料法和德国土地保护和土地修复法规内规定的测试参数。

    在污泥进行农用处置时,所规定的申请和供货程序有以下重大变化:

    土地利用时必须测试的土壤参数: 土壤类型、pH值、 (新的)腐殖质含量、正态磷、重金属、多氯联苯(PCB)和新补充的测试参数苯并芘(Benzopyren)。

    根据不同的土壤类型,pH值或者腐殖质含量,重金属极限指标分别对待处理。

    对于污水厂污泥所测试的参数:除了原来规范规定的测试内容之外, 还必须额外测定磷(总磷)、碱性物质 (以CaO计算)和苯并芘(Benzopyren)。

    在德国肥料规范 DüMV内规定测试铁、砷、铊、Cr6+和全氟辛酸盐(PFOA + PFOS)。

    对污泥的测试频率是每隔3个月一次或者每处理250t绝干污泥之后测试一次。

     必须至少在污泥处置之前3 周时间进行申请。

    新款申请单和供货单。

    此外还补充了以下内容:

    供货至景观利用 (土壤修复、生态景观)

     供货至污泥混合商和污泥堆肥商, 同时提供最终供货地的证明材料(供货单)

    污泥混合物农用时的申请和供货时程序

     质量证书获得之后的报道

     县级政府每年为污泥、污泥混合和污泥堆肥制作污泥处置计划表

    所有供货情况都必须详细登记列出档案,最晚在次年3月15日以电子文件形式递交相关政府部门。

    2.5

    与德国肥料法(DüMV)的区别和絮凝剂的使用

    2012年的德国循环经济法(§ 11 Abs. 2 Satz 3 KrWG)规定,原则上德国肥料法(DüMV) 相对于垃圾处理法规(污水厂污泥和生物垃圾)具有优先权。

    自2015年1月1日开始,在进行污泥土壤利用时,必须严格按照德国肥料规范中的有害物质规定浓度来执行(见表1)。因为污水厂污泥的潜在危害特点, 除了执行肥料法规定的有害物质参数之外,还必须额外符合污泥规范内所确定的有害物质浓度。例如为了确保污泥处置的无害化,要求在土壤利用时污泥内的多氯联苯(PCB)、有机卤素化合物的总和(AOX) 和苯并芘(作为多环芳香族烃的碳水化合物的主要物质PAK)等都必须低于污泥规范内规定的极限含量。除了对有机有害物质的浓度做出规定之外,考虑到欧盟污泥导则中的规定,还对一些重金属物质,例如铜和锌的含量规定了上限含量数值。此外,此规范还进一步做了内容调整,在对污水厂污泥、污泥混合物和污泥堆肥进行研究测试时,垃圾法和肥料法的程序规定也进行了相应的调整。今后在肥料法基础上进行的有害物质测试与污泥规范内被测试的有害物质参数相互承认,可以避免进行双重测试工作。

    表1 自2015年1月1日开始根据德国肥料法实施的上限数值(污泥内含量)

    注:*较轻的土壤,粘土含量<5%和pH值大于5和小于6时。

    根据污泥规范,污泥农用时原则上必须对多氯联苯(PCB)和苯并芘进行测试; 重复测试间隔时间是10年。

    根据肥料规范, 自2017年1月1日开始,当污水处理(污泥脱水)过程中只有生物降解能力至少超过20 %(在2年内)的高分子絮凝剂才能被使用。通过这一规定,希望工业界能够开发出完全和部分可生物降解的絮凝剂。

    这一目标目前显然无法实现。规范也相应进行了内容调整:

    至2018年,对传统的高分子絮凝剂不进行用量限制

    自2019年开始,对无法证明具有至少20%可生物降解的絮凝剂来说,必须实施用量限制措施。污泥农用时,每年输入农田的高分子絮凝剂不能高于15kg/公顷。但对于可部分或全部降解的高分子絮凝剂来说,则不受这一用量规定的限制。

    3

    德国污泥处置途径的历史变化和发展趋势

    图2显示了德国在1998-2015年期间污水厂污泥的处置发展情况。


    图2 德国在1998-2015年期间污水厂污泥的处置发展情况

    - 早在1993年5月14日,德国推出垃圾填埋法(TA Siedlungsabfall,简称TASi),只允许有机物含量不超过3%的垃圾物质才能填埋。这一法律经过12年过渡时期之后彻底禁止污泥填埋,2005年完全关闭了污泥填埋途径。

    - 随着德国2005年全面禁止污泥填埋之后,污泥总体产量呈现稍微下降的趋势,主要原因是在污泥脱水过程中,石灰添加量下降。

    - 在2005年之后,以物质利用为基础的污泥处置量逐步下降, 相反热处置污泥总量不断增加。主要原因是德国肥料法规(DüMV)对污泥内有害物质的上限含量做出了十分严格的规定。

    - 此外在污泥农用时,2015年出台了更为严格的德国肥料法(DüMV),要求污泥脱水时采用可生物降解的高分子絮凝剂。如果采用不能降解的化学高分子絮凝剂,则污泥农用时的使用量将有数量限制要求。

    - 自2006年以来,德国一直讨论污泥处理法律(AbfKlärV)更新版本。鉴于土地利用的污泥处置途径不安全,许多污水处理厂将污泥处置转到较为安全的热处置途径

    - 在已经热处置的污泥总量中,主要是单污泥焚烧处置量和煤电厂混烧处置量,大约各占一半; 只有少量污泥是在水泥窑和垃圾焚烧厂内被处置。

    马上就要出台的新版德国施肥法(DüV)和新版德国污泥处理法(AbfKlärV)将会进一步导致物质利用的污泥处置量降低,因为:

    - 目前所讨论的新版污泥法规(AbfKlärV),规定对超过5万人口当量的污水处理厂将禁止污泥农用。这将导致今后物质利用的污泥处置量进一步下降。同时,以法律方式强制要求污水处理厂进行磷回收。从污泥产量数据分析,在德国总计约有9300家污水处理厂,符合磷回收规模要求的有500家。这500家大型的污水处理厂所产生的污泥总量约占德国污泥总量的70%。

    - 虽然在德国农村地区拥有数量众多的小型污水处理厂,但是自2015年开始,肥料规范内提出了更为严格的有害物含量上限要求,进一步限制了市政污泥的农用途径。许多污泥虽然可以农用,但是必须进入严格的污泥质量监测系统:污泥浓缩脱水时必须采用可生物降解的絮凝剂,定期检查污泥和农田土壤的各种指标。农用处置的费用也不会便宜。相反,很多小型污水处理厂都开始采用太阳能干化装置进行污泥干化处理,然后干泥被收集去单污泥焚烧厂集中处置。

    污泥干化焚烧将是德国今后主要的污泥处置途径。其中,污泥最后的主要去处是单污泥焚烧装置和煤电厂混烧装置。

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    目前市场上的磷回收技术状况

    在德国污泥规范中,没有强制规定污水厂采用哪种磷回收工艺,考虑到创新开发磷回收工艺和审批手续问题,这次给予的过渡时间相对较长。在污泥规范生效之后,10万人口当量以上的污水厂必须在12年内完成磷回收装置,5万人口当量以上的污水厂必须在15年内完成磷回收装置。

    理论上,可在污水处理厂内许多地方进行磷回收(图 3):

    首先进行污泥焚烧处理,然后从污泥灰烬中浓缩抽提磷物质,

    或者首先从污水或脱水污泥中抽提磷物质,然后进行污泥焚烧处理。

    在对焚烧后的污泥灰烬进行磷回收时,可以采用热化学或湿化学工艺。根据所采用的不同工艺技术,磷回收的效率各不相同,所需要的投资设备、能耗或化学药剂费用也差异很大。此外,就磷回收产品中的有害物质含量和植物可利用性能而言,最终产品的质量有很大区别。

    在图3内显示了在污水污泥处理过程中的各种物流情况和各种磷回收工艺技术的安装地点。目前没有一种磷回收工艺十全十美。


    图3 磷回收工艺技术应用地点

    从液体中进行磷回收时,虽然投资费用不高,但磷回收效率一般在50%以下,无法满足规范要求。

    采用湿氧化工艺对脱水污泥进行磷回收虽然效率很高,但工艺复杂,投资费用很高,一般只能建造集中式大型装置对脱水污泥或干化后污泥进行磷回收,不能对污水或稀浆污泥进行磷回收,磷回收效率一般为70%。

    采用单污泥焚烧也有问题, 主要是焚烧装置造价十分昂贵。虽然磷回收效率很高,甚至可以高达90%,但在对灰烬进行磷回收时,至今还未能将重金属有效去除, 含磷回收物质还不能毫无顾虑地直接作为肥料使用。举例来说,目前在瑞士苏黎世污水处理厂虽然目前计划建造了单污泥焚烧装置,但所产生的含磷灰烬是暂时中间储存,等待今后合适的灰烬磷回收技术出现。

    虽然近10多年来,德国政府投入大量人力和资金开发了各种类型的磷回收装置,但在欧洲正式长期成功运转的大型磷回收装置工艺数量不多。

    从近10年市场上磷回收技术的应用情况来看,比较成功应用的磷回收技术是由有德国PCS公司开发的Struvex工艺(原来称AirPrex工艺),这些以鸟粪石(MAP)工艺为基础的大型商业装置已经成功地应用在德国Mönchengladbach-Neuwerk 污水处理厂, 德国柏林Waßmannsdorf污水处理厂和荷兰阿姆斯特丹污水处理厂。这些装置虽然操作简单,经济效益高,但磷回收效率是在25%~30%,还不能满足现在德国污泥规范所确定的磷回收要求。

    如果在污泥消化塔之前对污泥进行热水解处理, 同时采用改进之后的第二代Struvex磷回收工艺,可设法将磷回收效率提高达到50%以上。许多污水处理厂周围没有污泥单焚烧装置, 可以在污水处理厂内直接采用这些简单技术进行经济有效的液相磷回收。

    除了从污泥液相中直接进行磷回收之外,目前德国还在考虑建造以污泥灰烬为基础的磷回收处理工艺。为了能够高效率回收磷, 一般是以磷酸或者分子磷(P4) 形式进行磷回收,并用于工业用途或者作为农用的磷肥或者作为肥料生产的替代原料。但迄今为止,还没有看到成功运转的大型工程实例。

    考虑到从污泥灰烬内抽提回收磷的技术还未成熟,此污泥新规范规定,污泥单焚烧之后的灰烬可以暂时中间储存和单独填埋,等到以后技术成熟之后再将这些富磷灰烬重新挖出进行磷回收处理。

    污泥规范生效之后,估计整个德国或者各个州政府会进行以下工作:

    - 对所有污水处理厂进行调查工作。大规模地了解污泥中的磷含量,从而确保数据的准确性。

    - 讨论确定经济补助方式,建造磷回收样板工程。

    - 然后在这一基础上,才能讨论在哪些地方采用哪些类型的磷回收处理工艺。通过这些数据,还可以讨论是否建立污水处理厂的网络结构,共同建造集中型磷回收装置。

    - 在2022年之前,每个污水处理厂都必须拿出实施可行的磷回收处理方案, 写明处理工艺并标出装置安装场所。

    估计在评估阶段结束(2023年)之后,德国才会出现井喷式的各种新磷回收技术和大规模的装置投资情况, 因为目前还需要一段时间进行技术研究开发,才能生产出各种高效经济的磷回收设备。

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    总结和展望

    从这一情况来看,联邦德国将是在欧盟内第一个国家通过法规进行磷回收。在此规范生效之后,最晚至2023年,所有规模大于5万人口当量的污水处理厂都必须提交可实施执行的磷回收处理方案; 最晚至2032 年,所有规模大于5万人口当量的污水处理厂都必须进行磷回收处理,同时禁止以土地利用为基础的污泥处置方式。

    这些污水处理厂的脱水污泥都是热处置,两条途径可供选择:

    - 如果污泥干化焚烧之前已经过MAP磷回收处理,则可被混烧处置,污泥处置价格相对便宜。

    - 如果污泥焚烧之前未被脱磷处理,则必须进行单独污泥焚烧处理,然后对灰烬进行磷回收。

    根据这一污泥规范,可将磷从污泥灰烬或者直接从污泥或污水中抽提取出。只有当以下例外情况时可以免除磷回收的义务:

    - 污泥中磷含量特别低

    这些大型的污水处理厂,如果磷含量少于2%(以干物质计算20gP/kgDS),方可允许混合焚烧。

    - 规模小于5万人口当量的污水厂

    如果污泥质量符合标准,可以继续作为肥料直接农用。对于这些土地利用的污泥来说, 今后除了政府监视之外,还将进一步引入建立污泥质量自管理体系。

    德国就污泥处理处置问题经历了30多年争论,先后以法律形式在2005年关闭污泥填埋处置途径,而现在又出台污水厂污泥规范(AbfKlärV),将在2032年关闭所有大中型污水处理厂的污泥农用处置途径。这一法律对今后德国污泥处置和磷回收确定了明确的框架条件:

    - 在今后的15年内,德国联邦政府和各州政府将推出各种资金补贴措施,促进各种磷回收技术的开发

    - 单污泥焚烧和煤电厂混烧今后将转变成德国主要的污泥处置途径。

    单污泥焚烧和技术性磷回收将成为德国污泥处理处置市场上的主流技术。


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