图1  迄今为止厌氧消化和好氧消化工艺与污水处理设备规格大小的关系

为了更好地评估从好氧消化到活性污泥分解的厌氧-好氧技术改造的经济性，我们开发了费用计算函数和评估流程图这2项工具。这些工具供污水处理设备的设计师和使用者评估污水消化设备厌氧-好氧技术改造是否合算。在相应的基本框架条件下，设计能力大于10000EW的污水处理厂的厌氧-好氧活性污泥分解技术改造是非常经济的。本报告将介绍有关的背景资料，介绍它们在能源和活性污泥产能平衡时的作用以及费用计算函数、评估流程图的制定方法。

在过去的工程实践中，凡遇到活性污泥的好氧消化或者活性污泥分解时总是有一些相对比较清晰的条条框框，这些条条框框和规则有些是根据经济性观点提出来的；但从费用投资以及流程工艺技术的角度来看，提出这些规则的年代也是电力价格比较低的年代。迄今为止一般情况下采用的厌氧污泥消化（酶解发酵）工艺可以根据污水处理设备的产能按照图1来确定。

根据这一确定方法，过去当污水处理设备的产能<20000EW时，主要是采用好氧污泥消化的工艺方案；而当产能大约30000EW时，一般都使用活性污泥分解发酵的污水处理设备了。早在1995年时，Meyer先生和Biedersdorf先生就利用有关计算证明：当活性污泥分解设备的设计符合专业技术规范时，产能15000~20000EW的污水处理厂就能够经济地使用活性污泥分解工艺技术了。但不断提高的电力价格、不断增加的排污费用、能源政策的刺激和使用可再生能源的要求又一次激起了人们关于“活性污泥分解工艺技术经济性界限”的大讨论。今天要在完全不同于过去的基本条件下进行经济性的可行性分析了。30年前，在讨论好氧消化工艺或者活性污泥分解发酵工艺时考虑的是新的污水消化设备应该采用哪种工艺技术；30年后的今天再次提起这一话题时则是讨论：把好氧消化的污水处理设备改造成活性污泥分解发酵设备的厌氧-好氧技术改造是否经济？

图2  能源平衡图：产能20000EW样板设备的好氧消化时的能源平

这里需要解决的问题是：如何把仍在使用的、产能在10000~30000EW之间的污水消化处理设备经济地改造成活性污泥发酵分解设备，包括活性污泥分解无需的发酵分解池、储气设备以及必要的中水处理设备。

本文介绍了“莱茵-普法尔茨州污水消化处理厂厌氧污泥处理设备在新的能源和污水处理技术条件下的重新评估”项目（简称重新评估项目（NAwaS1））的主要研究成果。这一项目是在2009~2011年期间完成的主要负责单位是凯泽斯劳滕技术大学污水处理创新技术中心（tectraa），参与重新评估项目的合作伙伴有卢森堡大学以及受联邦德国合同委托的Siekmann博士工程技术有限公司。

图3  能源平衡图：产能20000EW样板设备的厌氧消化时的能源平衡

技术改造在污水消化处理设备和污泥平衡中的作用

发酵分解的能源平衡

图2和图3表示的分别是采用好氧技术和厌氧技术、产能20000EW污水处理设备的能源平衡比较图。从能源的角度来看，改造为发酵分解设备之后有着明显的节能优点。好氧消化设备对外部能源的需求大约为34kwh/EW/a；而厌氧的发酵分解消化设备只需购买约14.5kwh/EW/a的外部能源（比较图2和图3）。

在考虑到环境保护和资源的有效利用等因素之后，并假定转化成电力效率的40%，则污泥发酵分解技术可以在一级消化阶段节能23%。

在污泥的好氧消化过程中需要输入大量的电力能源；而在污泥的厌氧分解过程中由于发酵分解出来的沼气可以用于发电、因此能源消耗明显降低。

污泥量和脱水性能

在好氧消化工艺剩余污泥中检测到的单位TR-Fracht值为58.7g/EW/d；而在分开的厌氧消化过程中从一次污泥和剩余污泥中检测到的单位TR-Fracht值总量为72.3g/EW/d。这些需要去除的物质在后一步发酵降解池的有机降解过程中进一步减少到大约49.8g/EW/d。考虑到发酵分解的污泥一般都比好氧消化的污泥有更好的机械脱水性能这一事实，因此需要处理的污泥量符合表1中规定的数据。

图4  确定单项资金成本的费用函数

这也就是说：在采用发酵分解工艺技术之后污泥量可以减少大约30%；因此也对排污费用有着积极的、有利的影响。

从好氧消化改造成为厌氧消化时的费用计算函数过程和方法

这一项目中要回答的一个核心问题就是：把正在生产使用中的好氧消化设备改造成厌氧消化设备是否经济？

为了能够比较准确的进行检验，我们制定了一个成本费用计算函数、并根据这一项目检验这一函数是否可以推广应用到其他项目中。制定这一成本费用计算函数时，假定污水处理厂的污水消化能力在5000~50000EW之间；对技术改造有重要影响的成本费用因素有：

（改造为发酵分解时）所需的曝气量；

一级消化池容积（tA=1.0 h）和一级消化池输入泵组；

一级消化池泵组；

沼气罐（发酵时间＝16~20 d）和技术建筑设施；

原污泥池；

机械预增稠设备；

储气设备（双膜储气罐）；

局部供电的热电联产设备。

以最近招标结果的经验以及具体的房价为基础，计算出了污水处理不同阶段中样板型污水处理设备建造费用的总合。在成本费用计算图中清楚地汇总了这些计算结果，并能够从这一汇总图中得出不同污水处理阶段建筑和设备费用的预算数值。另外，项目工程所产生的所有费用都汇总在一个总成本函数中。

图5  可能节约的使用运行费用函数

成本费用函数

在成本费用计算中，假设的基本条件如下：

污水处理工艺过程要新建1个一级消化池、增加1套一级消化池泵组；

基本上不考虑利用现有的建筑设施；对于现有建筑设施使用的可能性单独进行评估、核查（参见评估流程图）；

对于小型污水处理设备（产能至10000EW），考虑为单线式的生物降解流水线；大型污水处理设备为双线式生物降解流水线；

从产能15000EW起，考虑使用可以关停的曝气池，从而节约生产运行成本和电力费用；

可供自由使用的曝气池容积被用做备用水池或者生产用水的临时蓄水池使用，这就假定了在污水消化过程中无需单独处理生产用水；

普通池底。对于深基坑的建筑（一级消化池，一级消化池泵组地面和原污泥池）等假定其池底地面有着足够的承载能力。前基坑的建筑（发酵分解池，技术设备安装地面）等，考虑地基换土，深度1米；

深基坑土方挖掘时应有护坡（坡角45）。一般的地下水条件。

上述费用中各包含了10%的建筑施工附加费以及19%的增值税。对上述所有的单项建筑工程和设备都建立了相应的成本费用函数；并汇总为一个总成本费用函数。

从这一总成本费用函数中的资本回收系数可通过计算出资金成本。具体的资金成本可根据不同的使用年限从图4中选取。

通过把好氧消化技术改造成污泥的发酵分解可以明显地减少污水处理厂的设备运行费用。之所以能够节约，是因为在生物降解过程中节省了能源消耗，能够利用发酵分解的沼气发电以及由于生物降解、由于更好的脱水干燥而节省了污泥排污的数量。同时，也应考虑到污水处理设备复杂程度的提高而带来较高的设备维护保养费用和设备安装费用，同时污水处理设备操作人员的数量也有所增加。

图6  敏感性检验：在使用运行费用提高和利率i=4%时项目各单项的成本费用现金比较

经过最高-最低成本费用的平衡，即可得到图5所示的厌氧-好氧技术改造后的运行费用节约示意图。

经济性考察

通过比较资金成本与使用运行费用节约额，即可得出厌氧-好氧技术改造后的经济极限。图6所示是产能20000EW污水处理厂当前的能源和排污费用（也就是增长率为0%/a时）的技术改造的经济极限。这里提请注意的是：自2000年以来电价有了提高。而且预计电价不可能出现回落。

假设增长率只有很小的2%/a，即使是产能15000EW的污水处理设备的厌氧-好氧技术改造也有着非常吸引人经济效益。当增长率达到3%/a时，则可在产能10000EW的污水处理厂中实现可观的经济效益。随着人口的增长，尤其是古生物能源的日渐紧缺以及气候变暖等问题不断加重，除了从经济性角度考虑问题以外，人们也越来越多的从环保角度、从资源利用以及节约资源的角度来考虑问题了。

从污泥整体排污考虑，农业中的污泥处理处置会更加困难。取而代之的解决方案是在焚烧设备中焚烧，同时回收磷。但这一解决方案带来的设备维护保养费用和排污费用也相应的要高许多。

上述种种考虑必然导致污水处理厂的领导人要从负责任的、经济性的和有未来保障的角度考虑采用污泥发酵分解的工艺方案。同时，项目费用计算清楚地告诉人们：当污水处理设备的产能大于20000EW时、在年运行费用增长率为0~5%、实际利率为4%时，污泥发酵分解工艺技术也是有益的。

极有实践意义的评估流程图

污水处理厂的负责人和规划设计师们利用在项目工作的框架内研发的评估流程图核查：现有污水处理设备的厌氧-好氧技术改造是否合理，并依此为据进行详细的验证。

整个评估流程图分3大部分。第一部分‘基本数据’采集了污水消化处理设备的负荷数据。它为进一步的考察奠定了基础。基于污水处理设备真实负荷数据基础之上的厌氧-好氧技术改造经济性的粗略估计表明：根据选择的经济性框架条件是否有必要进行进一步的检验核查。第二部分包括了被检查污水处理设备的流程工艺技术的检验结果。

图7  污水净化处理设备配置示意图

这一部分从机械性的分级、生物降解、二次处理等方面进行了考察。在技术改造框架内的必要调整、其他必要的注意事项、现有池类设备是否有改作他用的可能性等也包括在这一部分之中。第三部分是规定框架条件下的“投资费用预测”。整个评估流程图被设计成流程图的形式；这也便于用户利用流程图来检验自己的污水处理设备。

应用举例

根据污水处理的样本设备编制了一套评估流程图。由于评估流程图的基础是样本设备，因此不可能包括所有的可能情况，但却可以使读者更加清楚、准确地了解评估流程图的各个组成部分。

样本设备描述

所考察的污水处理设备是一套机械-生物技术的污水消化处理设备；设计能力13000 EW60；采用的是普通的好氧消化。它由栅篱、沉沙池、生物除磷的逆流厌氧反应器、2个间歇工作的曝气池以及2个澄清池组成。污泥存放在（堆叠式）储泥箱中。利用移动式压力机进行污泥脱水；脱水后的污泥用于农业生产。这些污水消化设备的配置方式如图7所示。各个池的容积参见表2。

图8  基本查询

评估流程图第一部分

“基础数据”的应用

输入的单位污水量

每周，污水处理厂按照24h流入比例抽取检验样本。基于这些良好的数据基础可以测定污水处理设备真实的输入污水负荷。测得的输入污水负荷为17300EW60（85%）。这一数据说明：该污水处理设备严重超负荷运行，大大超过了原设计能力（13000EW）。这一地区的人口统计学预测：到2020年时该地区的人口会下降5%。这样，就排除了所处理污水负荷进一步加重的可能性。

图9  污水处理设备厌氧-好氧技术改造单项费用的计算函数

EWplanung=17300EW（参见图8）

经济性的粗略检验

根据上面测定的EWplanung值可以对厌氧-好氧技术改造的经济性进行粗略的评估。正如去年的经济发展所证实的那样：不仅仅是电力价格而且排污费用也都有了提高。经济性检验时的基本条件如下：

实际利率i=4.0%；

能源和排污费用的增长率在每年0~5%之间。

图6所示的情况表明：即使是电力能源的价格增长率在大约1%/a时，厌氧-好氧的技术改造就能够带来经济性更好的好处了。当能源价格的增长幅度更大时，技术改造的好处就更加明显，厌氧-好氧技术改造也就更有意义。这样，评估流程图第一部分“基础数据”的结论就是：经核查污水消化处理设备的厌氧-好氧技术改造是非常有意义的；在规定的经济性框架条件内应制定进一步的评估流程图。

图10  好氧消化与发酵分解所需的曝气池容积

第二部分：污水处理工艺-机械性污水处理阶段

所安装使用的栅篱是栅篱间距很小的细栅篱。没有必要采取进一步的技术改进措施。

现有沉沙池有足够的容量容纳输入污水中的沉淀下来的杂质；满足了沉沙池功能的要求。这里也没有必要采取进一步的技术改造措施。

根据污水处理厂工作记录的记载：污水处理厂旱季时的污水输入流量为56.2L/S。满足这一流量的粗滤消化池1h容量：V=56.2 L/S x3.6x1h=202m2。迄今为止一直没有这样的粗滤消化池。

而该污水处理厂目前没有可以改做粗滤消化池使用的空闲设备。可以考虑将3个厌氧池中的1个容积为217m3的厌氧池改造为粗滤消化池。这样，污水在粗滤消化池中的停留时间会大于1h。

从技术和经济的角度检验将厌氧池改造为粗滤消化池。

替代解决方案：新建粗滤消化池。

评估流程图第二部分：

污水处理工艺-生物降解

曝气池容积

曝气池的容量取决于污水处理设备的工作负荷17300EW和粗滤消化池25%前期沉积VBBerf=2940m2（参见图10）。目前污水处理厂现有两个曝气池和两个厌氧池（假设一个厌氧池改为粗滤消化池）的总容积为：VBBvorh=5059m2
VBBvorh=5059m2>>VBBerf=2940m2

评估流程图第三部分：投资费用

估算投资费用的基础是第一部分中确定的污水处理设备的负荷EWplanung。根据本例的EWplanung=17300EW可以得出单位污水处理费用为y = 81.098 x 17.300-0,684 ≈102欧元/EW（参见图9）及总投资17.300EW x 102 €/EW≈1.77百万欧元。评估流程图整体检验的结论是：

把现有厌氧污水处理设备改造成好氧污水处理设备在经济上是有益的；

厌氧池可改造为粗滤消化池使用；

2号曝气池可以停用（外环），仅使用1号曝气池单独工作。

建议：对污泥发酵分解设备土建工程进行技术审核。

小结和展望

在污水消化处理设备厌氧-好氧技术改造经济性的粗略估算时，我们开发了投资费用估算函数供污水处理企业对其具体设备改造的经济性进行评估。通过比较资金成本与实现的资金节约，可以得到在当前能源费用和排污费用情况下产能大约20000EW污水处理技术改造后的经济性极限值。当这些费用的年增长率在2%、利率4%时，产能为15000EW的污水处理设备厌氧-好氧的技术改造具有最大效益。当能源、排污费用的年增长率达3%时，产能约10000EW的污水处理设备技术改造就已经能够受益了。

项目开发出来的评估流程图能够在污水处理厂进行厌氧-好氧技术改造的经济性评估时提供有力的帮助。还能对污水消化流程进行检验。一般情况下，评估流程图依据的是污水处理设备现有的生产运行数据。