图1 农村的环境：实现有利于气候环保的能源生产

KLEA开发项目是德语“农村地区利用天然的厌氧污水处理厂实现环保能源生产”的缩写，KLEA开发项目要开发出由厌氧技术和好氧技术组合而成的新型气候环境保护技术，使农村地区污水处理厂不仅仅能够很好地完成水质净化，而且也能够高效地生产出能源、回收宝贵的资源，同时，也要把目前小型污水处理厂的温室气体排放和较高的能源需求都降到最低的程度。

目前，污水中的能源仅在大型污水处理厂中的污泥产沼气过程中得到了利用，目前来说，污水中的能源没有得到充分利用，甚至完全相反：污水处理池还向周围环境释放出有害的气体成分。

在农村地区，利用天然的厌氧污水处理厂实现环保的能源生产，要求研发一种将生产能源的厌氧-沼气处理技术、污水前期处理技术和低能源含量的污水后期处理技术组合在一起的新技术，以及适销对路的污水能源利用设备，尤其是适合于天然池塘类的污水处理池能源利用的新模式。其目的是：在农村地区的污水净化处理中实现能源供应的自给自足。这里对科学技术提出的要求是：开发出在低温环境下、相对污染程度较低且有很大程度的甲烷脱气环境下的厌氧-沼气应用技术。

厌氧的污水处理

迄今为止，在农村地区的污水和嗜冷的温度下应用厌氧-沼气技术的情况非常罕见。厌氧-沼气技术的主要应用领域是有着较高有机物含量的工业水处理或者是热带和亚热带地区的污水处理，主要是因为厌氧过程所需的温度较高。当农村地区的污水中混入了来自其他地方的水后，则农村当地的污水通常具有较低的有机物含量，因此就不足以维持生物降解系统中所需的生物质浓度，也就不会生成足够的沼气了。

本文表1给出了污水厌氧处理技术和污水好氧处理技术的对比。通过比较可以看出：厌氧-沼气技术的优点是较低的异味负荷，利用气密性的容器盖避免了温室气体的泄露、溢出。

图2 不同温度条件下3种甲烷生成的曲线

不同的嗜冷厌氧-沼气技术可以构成污水厌氧处理种种可能的方案。为满足欧盟环境保护标准的要求和规定，它们只有一个有氧处理阶段以便消除残留在水中的污垢。合适的好氧后处理过程可以使水中得到更多的营养物质，例如氮、磷等，从而可以在其他地方的灌溉中重新利用这些处理过的水。

下列厌氧技术可以与小型的、有着通风换气设备的好氧后处理工艺、有着SBR厌氧悬浮床反应器或者植物湿地的污水净化技术组合起来使用：

UASB，上流式厌氧污泥床技术；

ASBR，厌氧活性污泥技术；

废水厌氧池；

厌氧固定床反应器；

双层污水清化池；

UAF上流式厌氧滤池；

ABR折流式厌氧反应器。

为了更好地控制厌氧过程，可以考虑上游采用厌氧水解。这样做的优点是：有利于发酵加速，以及两级过程中更好的优化可能性。除了停留时间和分解池处理能力以外，对于高效厌氧降解具有重要意义的参数是污水的温度。在中温（30~40℃）和低温（<20℃）的环境中，可以清楚地看到厌氧菌不同的生长率。而能够形成足够污水净化处理能力的厌氧菌生存繁衍的污水温度应高于15℃，最好是高于20℃（图2）。

当污水温度低于最佳温度时，则需要更长的厌氧分解时间、更多的有机污垢以及相关的工艺技术测试来补偿较低的降解率。

根据Austermann-Haun先生的观点，厌氧技术最适合处理有机物含量高的污水（化学需氧量COD>2000mg/L的污水）。当化学需氧量COD值较低时也能够降解。与其他方法相比，这种方法可以在化学需氧量COD>400mg/L时就降解。德国北部地区特有的、互不联通的下水道中的污水排放量大约是50m3，污水处理前流入时COD值大约为900mg/L。在农村地区，具体的化学需氧量COD值理论上可以提高到1500mg/L。在规划设计的试验设备中，污水流入时的化学需氧量COD值只考虑了平均为960mg/L，可以认为具有足够有机物浓度水平了。这样，看起来在农村地区利用有着前级厌氧处理的污水净化设备是能够从污水净化过程中附带生产出沼气的，这一点还需要由未来的现场试验来验证。利用外部的生物质能一起发酵以提高有机物含量是能够提高沼气产量的。

在综合性污水处理系统、合流污水下水道系统中，有机物的浓度可因污水和雨水的加入而降低。在这种情况下，也要对利用外部生物质共同发酵的可能性进行检验、核查。

图3 厌氧和好氧方法组合的可能性

KLEA开发项目

KLEA开发项目是德语“农村地区利用天然的厌氧污水处理厂实现环保能源生产”的缩写，KLEA开发项目要开发出由厌氧技术和好氧技术组合而成的新型气候环境保护技术，使农村地区污水处理厂不仅仅能够很好地完成水质净化，而且也能够高效地生产出能源、回收宝贵的资源，同时，也要把目前小型污水处理厂的温室气体排放和较高的能源需求都降到最低的程度。利用这一技术处理后的废水可作为含有营养物质的资源使用，在农业或者能源生产领域中得到利用。所生产出来的生物气体既可送到小型发电厂发电，经中央变电站输送到电网中或者供本地（直接在污水净化处理设备中以及居民区）使用。而所产生的热能应用于污水的温度调节，保证细菌能够在最佳的生存、繁殖环境中发挥其应有的作用。所需的技术设施应开发成产销对路的模块，便于在现有污水净化处理设备中补充安装，尤其是要适合在污水塘形式的污水净化设备中使用。

所要开发的两级污水净化处理技术由厌氧级（用于沼气生产）和进一步净化污水的好氧级（残留COD和有选择的营养物质）组成。现场考察的技术方案是以UASB上流式厌氧污泥床反应器和一个被遮盖起来的池塘，它们作为第一级厌氧级，污水净化池或者植被湿地为好氧的第二级（图3）。

厌氧的、被遮盖起来的池塘是一个用塑料薄膜气密性遮盖起来的池塘。这一薄膜能够很好地防止气体的逃逸和气体的交换，尤其是沼气的逃逸和能够抑制厌氧过程的臭氧进入。同时，这一薄膜还能够防止蒸发和对流引起的热量损失。

UASB上流式厌氧污泥床反应器用于把气体、污泥和液体分离开。流动时，所有的介质都是从厌氧污泥床的下方向上流动穿过污泥床的，在这一流动过程中，随着沉淀而出现了污泥。通常情况下是通过甲烷气泡上升形成的微小涡流来进行混合的。这样，作用在污泥上的剪应力非常小，从而使污泥易于形成有着很好沉降性能的颗粒。这样也就能够大大提高污泥的浓度，缩短厌氧处理的时间。

如今，工业化的污水净化处理大多数是利用高性能的UASB上流式厌氧污泥反应床设备。由于这种高性能设备的流动速度很高，因此即使是浓度很低的污水也可以达到很高的分解处理能力。浓度较低的农村污水也实现了70%的降解率（温度为35℃）。能够开始生物降解过程的最低温度为10℃。但此时的降解率只有10%。输入的COD有19%~35%都转化为甲烷（温度在15~25℃），而残留在排出污水中的甲烷是一个问题。在合作项目的框架内尝试了多种清除污水中残留甲烷的方法（例如干扰脱气、真空脱气等等）。甲烷氧化也是一种可行的方法。在好氧级中，甲烷可以氧化成甲醇。在有了甲醇之后，可以在缺氧条件下脱氮，无需从外部给予氧元素。这将大大提高污水净化处理后的水质，甚至有可能直接排放到河流中。

在梅克伦堡－前波莫瑞州格雷弗斯米伦市供水和污水处理试验设备中，他们决定在现有的污水净化设备中增加一个UASB上流式厌氧污泥床反应器作为前级厌氧处理设备（图4）。现有的2个预处理池，一个改造成了UASB上流式厌氧污泥床反应器；另一个改造成了竖流式斜板沉淀池，用于沉淀污泥。由于扩大了反应器的容积，因此延长了水合时间。这一试验设备配备了大量的检测和调节仪器设备。

图4 现有的池塘类污水净化设备（左）的含气量以及计划的UASB上流式厌氧污泥床反应器和污泥回收设备（右）

这一试验设备研发的目的是：

在现有的污水净化处理设备和污水净化工艺流程中，简单地集成新技术和新设备；

经济的变型配置，尽可能利用模块化的通用设备；

通过能源的自产自用来节约能源，减少好氧过程中的能源消耗；

尽可能使用共基质；

与现有的处理过程相互协调一致，净化过程与后续处理过程相互匹配。

尚不十分明了的问题和计划通过设备改造试验达到的主要目标是：

反应器中厌氧降解的效率（尤其是与污水温度有关的降解效率）；

甲烷溶解度和甲烷滑流。

生产出来的沼气要用于厌氧反应器的加热。

小结

KLEA项目提供了一个机遇：在农村地区完成节能污水净化处理。研发项目的目的是：开发适合于在农村地区小型污水净化处理场中使用的、模块化的设备变型，以便经济、快捷地在农村地区小型污水处理设备中使用。这不仅仅能够避免不受控的沼气外溢，例如从污水池塘中升腾到环境大气中，而且还可以有目的地把这些沼气收集起来、加以利用。