水厂视界 | 探访德国Ruhleben污水厂

在非雨期，污水在生化处理单元水力停留时间总共为18小时，对于不同区域分别为: 厌氧区3小时， 缺氧区6小时，好养区9小时。

各个区域的设计容积之比为2:3:5，同时各个区域之间通过隔墙分隔。每一个厌氧池都配备一个搅拌器，以保证来水和活性污泥充分混合。而在缺氧区域，是通过水平式的旋转器来实现的。

好养区域依据传统曝气池的形式建造，通过池底均匀布置的微孔曝气装置供养，同时延水流方向曝气强度依次递减。

在好养区域末端设置额外的脱气区域，保证没有气泡一起同泥水混合物流入后续的二沉池，以此可以提高二沉池中的污泥沉降性能。同时的脱气区域的一部分泥水混合物会再次回流到缺氧区始端，进行反硝化。

如果通过生物除磷不能使出水达标，可以投加氯化亚铁进入生化反应池，去除水中超标的磷。贮藏罐中流体形态的氯化亚铁，通过环形导管泵入每一个生化池所属的投料站，然后从那里投加到反应池中。

生物脱磷

当污水在排水管网中，或者一些特定的池体中停留一定的时间，就会在其中产生可轻易降解的有机酸。这些有机酸可以被微生物（PAO）吸收并转换成生物内的能量储存物质。该合成过程所需的能量来自分解储存在细胞内的多磷酸盐，同时多磷酸盐也作为能量来源，支撑细胞在厌氧环境中的生存。在好养环境下，这些之前在厌氧环境中合成的能量储存物质以及外部可轻易降解的底物，将会作为细胞繁殖的能量源。通过利用内部的能量储存物质，可以使细胞快速的适应好养环境，同时立刻开始新陈代谢和生长。通过这样的方式，使得微生物开始吸收水中的磷酸盐，并将其储存为多磷酸盐。并且在好养环境下所吸收的磷酸盐要远远多于在厌氧环境中释放的磷酸盐，以此达到除磷的效果。

1．3 二沉池

生化处理单元之后就是二沉池，在此处通过沉降，将会把活性污泥和净水分隔开来。在Ruhleben污水厂有三种不同形式的二沉池正在服役，其中多特蒙德池型24个，直径12.5m，深15m,总容积2952 m2，表面负荷非雨期为1.0 m3 / m2h，雨期为2.5 m3 / m2h。圆形池6个，直径50.4 m, 深6m, 总容积11940 m2，表面负荷非雨期为0.91 m3 / m2h，雨期为1.9 m3 / m2h。柏林池24个，直径16.3 m, 深8.3m, 总容积6360 m2，表面负荷非雨期为0.57 m3 / m2h，雨期为1.4 m3 / m2h。所有池型的水力停留时间均为3-5h。

多特蒙德池

24个地下式的竖向流的多德蒙德池（Dortmundbecken）的上部区域是圆柱体的，底部是圆锥体式的泥斗。污泥沉降在底部，并通过污泥泵排出。清水通过水表面下0.5米处设置的钻孔导流管排出。水池表面产生的浮渣将会通过泥板刮除。

圆形池

厂区有6座水平流向的圆形二沉池，池体为圆柱体，泥斗底部扁平倾斜。池底沉降的污泥会通过刮泥机推向池体的中部，然后定期去除。清水的排出同样也是通过水表面下0.5米处的钻孔导流管实现的。水表面产生的浮渣会通过板式刮泥机推入汇流管，然后回流至分流井或者生化处理单元前端。

柏林池

24个竖向流的，底面形状为正方形的柏林池，以棋盘式的连接方式组合在一起。沉降的污泥会被周边式刮泥机的旋转臂推入中心的泥斗，然后通过污泥泵去除。清水的排出同样也是通过水表面下0.5米处的钻孔导流管实现的。表面污泥的去除是通过刮泥桥实现的，每一座刮泥桥可以服务前后相连而布置的6座二沉池。

清水泵站

净化过的污水会在4月到9月之间通过泵站沿着16千米长的有压管流输送至柏林南部Teltow运河。该经水泵站由4组离心泵组成，合计流量为3.5 m3/s。为了确保有压管流不受水锤冲击带来的损害，设立了一座容积为3000立方米的水塔。同时为了更好地调节泵站的输水量，配套设立了一座平衡池。一旦污水的进水量超过泵站的最大输送量，会将多余的水量短流至Spree河。在10月至3月之间出厂的净水会直接排放至Spree河。

因为排入Spree河域的出水指标必须达到游泳水标准（Badegewässer Kriterien），所以才在1973年设立这座清水泵站。而2021年开始这座清水泵站也将退役，因为当Ruhleben污水厂的四级处理单元投入运行后，出水将达到游泳水标准，可以直接排放至临近的Spree河。

运行储备处理量

为了确保污水厂在长期的翻新改造过程依然能出水达标，特别保留了两座初沉池和一条生化处理线作为运行储备。储备处理量占整体初沉池容积的8 %，占整体生化处理池的12 %。

1.4 污泥处理

自1985年开始，Ruhleben污水厂的污泥处理就在两条不同的流程线上进行，也就是机械脱水处理线和污泥焚烧处理线。所有在污水处理过程中产生的污泥都会被泵至污泥处理单元。首先需要去除污泥中的水分，减小污泥的体积，然后脱水污泥中的有机物会被焚烧。每日大概有3000立方米固体质量分数为3%到3.5%的混合污泥被焚烧，这也就相当于100吨干物质。这其中还包含了来自Tegel地表水处理厂的含磷污泥和其他自来水厂的含铁锰污泥，以及柏林其他污水处理厂产生的脱水消化污泥。

污泥处理单元包含三条平行运行的处理线，其中流程包括：离心脱水机，流化床焚烧炉，余热锅炉。

由静电布袋除尘器和湿式冲洗塔组成的烟气处理单元，其中冲洗塔会产生可回用的剩余产物石膏。

污泥贮存

厂内的污泥储存功能由两个构筑物承担：污泥平衡池和消化池（已不进行污泥消化）。容量为2000立方米的混合污泥平衡池只会储存很小一部分的污泥，因为同时还有8个容积为6500立方米的消化池作为更大的储存空间保证污泥处理环节的运行安全。污泥平衡池中的污泥会通过4个转速可调节的单通道齿轮泵（每个泵的流量30至275 m3/h不等）泵至环形回路，最后进入污泥脱水环节。

污泥脱水

三条平行运行的焚烧线中的每一条都拥有两个离心脱水机。混合污泥进入离心机的入口时，会被聚电解的絮凝剂化学调节，每一吨干物质需要添加5kg调节剂。脱水后可以使得污泥的固体质量分数达到24%至30%。功率为110kw的离心式脱水机每小时可产出污泥1.9-2.4吨，污泥中的有机物质组分占到约68%（Loss on ignition），污泥的燃烧热值（Lower heating value）为每千克干物质15.5MJ。固体质量分数小于0.1 %的离心剩余产物会通过汇流管，然后泵至污水厂的前端分流井。脱水后的污泥会被运送到污泥焚烧设备之前的泥饼储存仓。泥饼储存仓的容积大约为90 m3，泥饼会在此大约停留9小时。两个偏心螺杆泵会通过40米长的管路运送泥饼到流化床焚烧炉前的四个进料点。螺杆泵的运送速率可调节在0-20 m3/h，输送压力在10-30 bar之间。通过喷射少量的润滑剂（比如：工艺用水）可以大大的降低输送阻力。

流化床焚烧炉

每一个焚烧炉的最大功率为13兆瓦（13 MW），也就是说4.7亿兆焦每小时（47 GJ/h）。每一个焚烧炉每小时可以燃烧3.7吨的干物质，也就相当于固体质量分数为25 %的15吨泥饼。

为了保证有机组分良好的燃烧效果和后端烟气的中性，必须保证在炉膛头部达到法定规定的最低燃烧温度850度。这可以通过在预燃室添加燃油或者直接用油枪喷射到流化床上。被涡流鼓风机吹入的助燃空气会在余热锅炉中加热至420°C，然后再预燃室通过燃油加热至最多800°C，最终被导入风箱。助燃空气使布风板上方35吨重的石英床处于悬浮状态。

泥饼会通过喷枪加入到750°C左右的流化床上。旋流状的石英砂会碾碎泥饼，获得更大的接触面积。最大燃烧功率下，气体在燃烧室内的停留时间为4秒钟。

余热利用

烟气离开流化床时的温度大概在850-870°C。在余热锅炉中，这些热量会通过换热器进行传递，首先用于产生蒸汽，其次用于空气预热器和节能器，分别加热助燃空气和锅炉内循环水。这之中产生的蒸汽约450°C 46 bar，主要用于发电和产生高压气体。燃烧器的表面主要是通过吹灰器进行清洁。

静电除尘

烟气在余热锅炉降温到170-210°C之后，被烟气风扇排出，然后流经静电布袋除尘器，最后经过碱性冲洗塔后，通过96米高的烟囱排放到大气中。

灰渣清运

第二第三烟道产生的灰渣以及布袋除尘器产生的灰渣都会通过气泵汇集到四个灰渣储存罐中。这些灰渣会被一定程度加湿，然后装车外运。每天产生的30吨左右灰渣也可以继续在其他用途被回用。

烟气淋洗

从1989年二月份开始，污水厂启用了以石灰作为吸附剂的烟气淋洗设备。为了处理每立方米烟气中含有的2 500 mg二氧化硫，需要每天使用2.5吨的石灰（其中氧化钙的质量分数为93 %）。湿式烟气处理法的产物是石膏，每天大约产生7吨，其中残留水分含量不足10%。如此之后，烟气中的二氧化硫含量大概3-5 mg/m3。而过程中产生的石膏也会被回用。

涡轮发电机组

所有蒸汽锅炉产生的蒸汽会被输送到涡轮发电机组。耦合发电机的冷凝式蒸汽轮机可产生高达6 MW的电力，该电力会被输送到污水厂自身的电网之中。

电动压缩机

最多五组电动压缩机会为厂区的生化处理单元提供高压空气，如此可以保证污水处理工艺中理想的气体供应。

涡轮压缩机组

当电动压缩机组出现故障时，可最多有两组涡轮压缩机组转换功能用途，将之前流程工艺产生的蒸汽变成高压空气，并供应到生化处理单元。

冷凝和其他用水的处理

冷凝水会在离子交换器中完全脱盐，然后再回用到蒸汽锅炉中。该设备由两条性能为70 m3/h的流线组成。运行中，锅炉内循环水的损失会通过额外的，性能为3-4 m3/h为水处理设备来补充。该设备包含阳离子过滤器，二氧化碳脱气机，阴离子过滤器和混合床过滤器。

应急蒸汽锅炉

厂区安装了燃油应急锅炉，以确保在污泥焚化炉故障或高峰负荷时能够产生必要的蒸汽。

能量供应

Ruhleben污水厂有比较高的的电能需求，主要用于电动机，水泵，曝气设备和刮泥机。这些总共高达8300 kW的电能需求主要由临近的Reuter发电厂供应。通过数次变压调节，将30KV的高压电降至0.4KV，驱动厂区内大约2000个 电动机的运转。

不中断的电力供应

对于个别重要的用电器，短短20秒的电力中断也会造成特别大的损害。于是我们在厂区为此特殊的设置了400V三相供电网络。该供电网络由两个220V的电池通过逆变器在电力中断时为整个控制系统供应电力，以保证不会有任何信息的丢失。

控制系统

Ruhleben污水厂的过程控制由43个分散的自动化单元组成，它们调节，控制，监视和报告过程事件。在废水处理和污泥处理的细分区域内，它们通过双总线系统（专用数据传输线）进行通信，并在区域之间以及与中央控制室交换指定信息。

监测技术

高质量的监测技术是自动控制，远程控制以及过程优化的基本前提。Ruhleben污水处理厂拥有超过1000个测量电路，并带有远程传输的信号，用于流量，温度，压力，氧气含量，密度，阀门位置，电功率，电流，电压等。