位于荷兰海牙的Harnaschpolder污水厂始建于2004年，并于2006年投入运行。它每天处理来自海牙地区100万居民和数千家公司产生的约255000m3的污水 ，处理能力约130万人口当量，这使它成为荷兰最大的污水厂。同时它也是荷兰污水处理创新技术的实验工厂。今年3月29日，一个好氧颗粒污泥的中试装置在此污水厂内正式启动，目的是在现有的连续式的传统污水处理厂内培养出颗粒污泥。

图1. 位于Harnaschpolder污水厂的好氧颗粒污泥中试装置

去年10月，污水厂的运营公司Delfluent又与荷兰KWR水资源研究所、Paques公司开展一个中试实验，测试SRB硫酸盐还原菌在冬季的污水处理表现和污泥减量情况。

图2. 位于Harnaschpolder污水厂的SRB工艺中试装置

早在2017年7月的SLUDGETECH污泥技术大会上，Delfluent公司、Delfland水务局以及Mirabella Mulder 污水管理咨询公司就分享了他们从2015年起进行的结合了污泥脱水和生物除磷的优化项目。

工艺简介

Harnaschpolder污水厂的工艺主要为活性污泥法，包括初沉、消化和污泥脱水。 脱水后的污泥由荷兰五个水委会联合使用的专门处理污水污泥的焚烧厂处理（由荷兰HVC Dordrecht负责运营）。

图3 荷兰Harnaschpolder污水厂鸟瞰图

Harnaschpolder污水厂采用生物除磷的除磷方法。聚磷菌PAOs这些微生物在有氧条件下将磷酸盐作为高能聚磷酸盐颗粒，与镁、钙和钾等阳离子一起储存在其细胞内。 在厌氧条件下，多磷酸盐和阳离子再次释放。这些物质的释出对活性污泥工艺和脱水过程造成负面影响。

首先，消化过程中释放的磷酸盐导致污泥脱水产生的污水中磷酸盐浓度很高。这些污水一般回流至处理主线。这部分磷约占了系统总磷负荷的20％（见下图4）。为应付这些额外的磷负荷，污水厂必须另外添加氯化铁以满足磷排放标准（总磷年平均值=1.0mg/L）。

图4.Harnaschpolder污水厂的磷平衡（绿色和红色数字分别代表有和没有鸟粪石沉淀控制的情况）

其次，尽管污水厂已经经常调节控制参数（如聚合物的剂量、流量和扭矩），但因为进水和消化污泥中的磷浓度受天气和季节变化影响，还是妨碍了污泥脱水的稳定运行，导致脱水污泥的含固率较低。

再次，在pH为7的条件下，高浓度的磷酸盐、氮和镁会现成鸟粪石沉淀，而且不受控制。这些鸟粪石沉淀会导致泵、管道、传感器和脱水设备的结垢问题。

对此，在2015年前污水厂的处理方法是将氯化铁投加到活性污泥系统和消化污泥池中，以减少磷酸盐回流到主流进水端的量（见图4），以此防止污泥管道中的鸟粪石结垢。

生物除磷和污泥脱水的理论解释

污水中的镁、钙二价离子对聚磷菌的磷吸收是有益的。有文献显示，进水镁浓度若从15mg/L提升到30mg/L，对应的PAOs平均除磷率将从85％提高到97％。市政污水一般被认为含有充足的镁，所以不会成为生物除磷的限制因素。VFA含量、pH和F/M比等是更重要的影响因子。但是受降雨和季节性变化等影响，像Harnaschpolder这种大型污水厂很有可能定期出现进水所需物质短期或长期的短缺，这可能会导致为了满足出水要求而过量投加导致金属盐，而这会减少PAOs对磷的吸收，造成恶性循环。因此研究团队假设在特定的情况下，额外增加的镁含量或许能促进PAOs对磷的过量吸收。

污水厂出水的磷浓度受污泥浓缩和脱水（如图4）以及雨季天气影响。活性污泥模型的计算显示，如果磷回流得以最小化，生物除磷是能够满足法定的磷排放标准的。而且不需要添加氯化铁。

一些研究显示，引入生物除磷工艺会出现可脱水污泥减少的现象。他们猜测这是因为存在胶体蛋白、铵和钾，但同时缺少钙镁离子造成的。通过活性污泥的生物除磷法，磷酸盐在厌氧消化过程中又重新释放。这些磷往往和钙镁离子一起沉淀形成鸟粪石，然后就剩下高浓度的钾、铵离子，以及高浓度的胶体蛋白。钙、镁和铁等阳离子在污泥和聚合物结合的脱水机制起着重要作用，对污泥脱水性有积极影响：这些二价和三价阳离子可以中和污泥中的负电荷，并在污泥中的分子之间充当桥梁，而单价阳离子不具备这种能力。

在荷兰，实验室和污水厂的实验都证实了这些结果。 通过对消化污泥投加氯化镁，聚合物用量减少40％，脱水污泥的含固率度从22.1％提升至23.0％。如果pH大于7，将形成鸟粪石。研究团队表示他们不确定鸟粪石的生成是否真的有助提高污泥的脱水性。他们猜测可能鸟粪石晶体有助污泥的过滤性。原因是这些晶体像煤、钙和木材等惰性材料那样，可以在污泥中充当通道的角色，水分子可以由此通过，其他物质则被截留。

大型鸟粪石沉淀控制测试

Harnaschpolder污水厂为了优化的污泥脱水和生物除磷表现从2015年8月开始进行大型测试。在此测试中，氢氧化镁加入到消化污泥中。这意味着他们将鸟粪石沉淀限制在消化污泥缓冲池中（见下图5）。这种方法与大多数西欧污水厂的除磷或磷回收项目不大一样：

首先，鸟粪石沉淀在消化污泥中，而不是污泥脱水产生的废水中。

其次，用氢氧化镁代替氯化镁，这对于鸟粪石回收过程更为常见。由于氢氧化镁略带碱性，也不需要为了提高pH值而添加辅助设备去除二氧化碳。这降低了投资成本。氢氧化镁（53％（w / w））购自荷兰公司Nedmag，这家公司生产独一无二的稳定悬浮液。测试期间研究团队还与Nedmag密切合作，开发了专用的储存和加药系统。

图5. 鸟粪石沉淀控制工艺流程图

在2015年的第二季度，污水厂安装了以下临时性设备：

用于添加氢氧化镁的投药单元和输送管道

置于消化污泥缓冲池漂浮式搅拌器

他们还研发出一套实验室方法来预测污泥的含固率（相对精确度±5%）。通过这套方法对不同的投药方式进行测试，来鉴定哪个最为高效。另一个测试内容是控制设定，测试从2015年8月一直进行至今。

实验结果

下图6是从2015年8月以来的实验结果：

图6. Harnaschpolder 污水厂污泥含固率的变化情况

研究人员对2016年和2014年的数据进行对比，发现除了含固率之外，污水厂在其他表现上也有显著改善：

1.     污泥脱水的废水水质。回流到主线的污水的磷浓度可以忽略（<100 mg TSS/L和总磷<50mg/L）。这对生物除磷相当有利。2016年出水的磷浓度相当稳定，年平均值低于0.9mg/L，而且氯化铁投加量减少42%（见图7左）；

2.    聚合物使用量从18g/kg干污泥减少14g/kg，减少率为25%；

3.    脱水污泥的含固率从2014年的22%升至2016年的24%（图6）；

4.   湿污泥产量减少19%（见图7右）。

图7. 氯化铁的用量减少趋势 （左）；脱水污泥和去除COD比值变化趋势（右）

在测试过程中，他们也遇到了一些技术困难，例如氢氧化镁储存和投加系统以及消化污泥缓冲池搅拌器的故障。由于这些技术故障，测试受到几次中断（如15年11月-16年4月期间，以及16年10月-12月间），这对全年的整体表现造成了负面影响：若没有这些技术干扰，氯化铁的用量将低至65％，而不是实测的42％。在2015年，在线流量测量和离心机内部观察到过量的鸟粪石结垢。而从2016年开始，这问题没再发生。

团队特意强调了氯化铁用量减少有以下三方面的好处：

1.     减少氯化铁的采购；

2.    减少化学污泥的产量；

3.    减少需要脱水、运输和焚烧的污泥量。

加入氢氧化镁因为增加了脱水污泥的含固率，因此总体上减少了污泥产量。然而大型测试还表明，鸟粪石产生的化学污泥量比用氯化铁沉淀产生的少。这个假设由上图6得到验证。对于这一现象，团队计划在未来做进一步研究。

污泥含固率检测

在消化污泥中添加氢氧化镁使消化污泥系统获得更稳定的磷浓度和阳离子平衡。这改善了污泥的可脱水性。显然优化的污泥脱水过程控制能进一步提高运行结果。因此，测试团队于2016年6月在其中一台离心机中上测试了Valmet®在线测量装置中脱水污泥的干固体含量（见图8）。

测试也取得预期的成功：在线干燥固体测量值与实验室测试结果相当，只观察到微小偏差（高达+ 0.2％干物质）。测试成功后，所有四台脱水离心机都配备了这个设备。

过去运行人员只能靠每台脱水离心机的单个随机采样获得信息，通过新设备，操作员能够更深入了解污泥脱水系统的不同参数影响并作出调整。他们计划在一台离心机上对污泥脱水废水的总悬浮固体（TSS）进行测试。若测试成功，污水厂将安装一个全自动控制回路用于脱水离心机的过程控制。

图8. Valmet公司的脱水污泥含固率在线测试设备

环境影响

Harnaschpolder污水厂并没有以鸟粪石形式对磷进行回收，而是通过污泥灰进行磷回收。从2018年起焚化污泥灰中的磷将由比利时的EcoPhos公司回收，届时污水厂进水中超过80％的磷将得到回收利用。

磷酸盐去除和污泥处理的环境影响（包括消化、脱水、运输和焚烧）可以根据初始能源使用（primary energy use）情况进行计算。这种计算方法不仅包括污水处理过程中的电力和天然气等化石能源，还包括化学品和运输生产的能耗。如果生产的产品可用作原材料，则可抵扣部分能耗。通过这种方法，可以对各工艺的能耗进行比较。

Harnaschpolder污水厂对鸟粪石沉淀的控制使其环境影响降低了30-40％（见图9）。主要聚合物和氯化铁的用量减少，而生产氢氧化镁的初始能源需求较低。

图9. 考虑了除磷和污泥处理的初始能耗对比

前景展望

在2016年12月经过了一些调整后，这套临时设备再没任何运行问题。因此2017年第一季度的结果比此文发表的结果要更好。例如氯化铁在此期间的用量与2014年相比下降了90％。只有在极端降雨的情况下才需添加氯化铁。

另外工艺运行人员在线污泥含固率设备的使用上也更有经验——他们使系统能以最高含固率运行，并且保持出色的出水质量（低含固率），还使聚合物剂量最小化。最后，通过与其他优化工作的结合，这个大型测试实现了稳定除磷。他们估计氢氧化镁的用量可以进一步优化。他们在2017年定下的目标包括（与2014年参考年相比）：

氯化铁用量减少至少80％

出水总磷提高至<1.0甚至<0.8mgPO4-P / l

脱水污泥的平均含固率>24.5％ds

聚合物用量减少25％

湿污泥产量减少19％

管道和设备中的鸟粪石零结垢和零堵塞

基于这次长期测试的结果，管理团队计划在污水厂安装一批永久性设备。预计到2018年，Harnaschpolder污水处理厂的年运营成本将降低至少4％。投资回报周期约为1.5年。与其他污泥磷回收技术5-10年的投资回报期相比，荷兰这项除磷技术显示出了更高的经济效益，也会对环境产生更正面积极的影响。