前言

美國的污水處理廠的發(fā)展歷史最早可以追溯到19世紀，1887年馬薩諸塞州建成了美國第一套生化處理裝置 - 間歇砂濾池。截至目前，美國的公有污水廠總數(shù)達到了14,780 座，服務于約2.3億人口。經(jīng)污水處理廠處理后的水越來越多被再次使用，尤其是在發(fā)展迅速的美國西南地區(qū)。而污水處理過程中產(chǎn)生的生物污泥有54%被有益利用，大多用于農(nóng)田。美國污水廠的發(fā)展管理趨勢是從新建污水廠逐漸轉(zhuǎn)為維護現(xiàn)有的污水廠，水和污水處理每年耗用美國總用電量的2%。

 

在美國，污水處理的概念已經(jīng)從單純的污染物處理，轉(zhuǎn)化為把污水看作是可再生的資源。污水處理工業(yè)是符合經(jīng)濟和環(huán)�？沙掷m(xù)發(fā)展的可再生資源工業(yè)。對污水處理的管理整合到污水，雨水，飲用水和資源水的全方位管理策略之中。

在處理后的水被重新利用的同時，污水廠產(chǎn)生的生物污泥也經(jīng)歷了填埋，土壤有益利用，生物沼氣能源到今天的資源回收（熱量，磷回收等）利用等歷程。

 

2012年4月，在美國環(huán)保署在網(wǎng)站上這樣描述污水處理廠：

“處理廢棄物的污水處理廠，應該被認為是可再生資源回收廠，它制造清潔水，回收能源和生產(chǎn)營養(yǎng)物。”

1、污水處理廠，污水產(chǎn)生電力和熱能

下面的工程實例，講述了美國的某座工業(yè)污水處理廠如何成為資源回收廠，他不但制造清潔水，而且回收污水中的能源用于發(fā)電，最終的產(chǎn)品成為當?shù)剞r(nóng)民喜歡的肥料。未來還將利用污水生產(chǎn)車用天然氣。

 

該污水廠成立于2012年，主要接收本地食品和飲料制造商（圖1）的食品廢棄物和污水。進水經(jīng)過厭氧處理制造沼氣。沼氣經(jīng)過調(diào)性后通過2個發(fā)電機發(fā)電，總裝機容量3.2兆瓦，同時產(chǎn)生電力和熱能。當能量從水中移除后，水變得清潔并達到標準排放。

圖1  污水廠在圖左中心位置。右邊是乳清蛋白廠，下面是牛奶廠。

污水廠工藝流程

圖2   罐裝卡車在污水廠卸污水。

圖3   平衡罐，帶管道和泵將高濃度污水送入預調(diào)性罐 (PCT)

污水廠操作員將收到的污水導入每個罐中，保證正確的化學需氧量濃度（COD）。COD值和填充率被輸入計算機。污水廠可以控制消化器可以制造的能量數(shù)值。

 

高濃度污水接著從平衡罐移動到預調(diào)性罐 (PCT)。

 

在預調(diào)性罐 (PCT)里，高濃度污水和消化脫氣后的水混合（圖4）。高濃度污水在這里開始分解消化。同時這里也回收和保存部分消化器堿度，幫助節(jié)省化學物料成本。然后，混合物從與調(diào)性罐移入消化器。

圖4  預調(diào)性罐 (PCT)帶有泵站，將污水送入消化器。

 

這里的熱交換器將發(fā)電機產(chǎn)生的熱量和進入消化器的污水進行熱交換，加熱污水。

污水廠有7600立方米容量的上流式厭氧接觸(UAC)消化器，污水中的能量在這里被轉(zhuǎn)化為沼氣（圖5）。

 

污水從預調(diào)性罐（PCT）進入循環(huán)消化污水流。循環(huán)流調(diào)整污水以防止沖擊消化器中的細菌。高濃度污水被消化后進入污水清潔工藝流程。

圖5  上流厭氧接觸（UAC）消化器帶有分配口，用于進料到消化器底部。可以看到大循環(huán)泵在走廊中部。

從上流厭氧接觸（UAC）出來，污水被送到脫氣罐，和污泥分離系統(tǒng)（圖6）。更多的沼氣從水中提出，污泥開始沉淀。

 

在圖6，能看到沼氣管道沿著車間頂部延伸到沼氣調(diào)性單元。氣體移動路徑在本文后部描述。從污泥分離系統(tǒng)分離出的污水或者進入生物污泥罐，或者進入主溶氣氣浮裝置(DAF)(圖7)。

圖6  脫氣罐和污泥分離系統(tǒng)。消化后的污水進入白色筒內(nèi)，被真空擊碎到底部。這樣可以得到更多沼氣。

污泥分離系統(tǒng)在白色筒狀脫氣罐之間。污泥分離系統(tǒng)讓污泥和水分離開。

圖7   DAF系統(tǒng)，帶空氣溶解管和絮凝罐。

在溶氣氣浮裝置（DAF）圖7，污水和絮凝劑混合，絮凝物同溶解空氣被噴入水中。這讓固體顆粒可以浮在上部，然后可以收集送入生物污泥罐。清潔后的水被泵送入好氧處理系統(tǒng)(圖8)。

 

好氧處理后，水被送入二級溶氣氣浮裝置（DAF）系統(tǒng)，再次清潔后排放。

圖8    好氧移動床反應器。

圖9    污水廠的水利配置

生物污泥從系統(tǒng)中分離，作為玉米農(nóng)田的液體肥料。污水廠有脫水能力，用帶機制造泥餅（圖10）。壓濾后的水回到系統(tǒng)中用于好氧系統(tǒng)。污泥帶有許多有益植物的養(yǎng)分。

圖10   帶式壓濾機用于污泥脫水

沼氣從上流厭氧接觸(UAC)消化器和脫氣罐中提出。沼氣在沼氣調(diào)性系統(tǒng)中調(diào)性（圖11）。沼氣剔除水分后送入發(fā)電機（圖12）。產(chǎn)生的電力被送到電網(wǎng)，電力公司支付電費給污水廠。

圖11  沼氣凈化裝置

圖12    2臺發(fā)電機總發(fā)電量3.2兆瓦

2、中央控制系統(tǒng)與實驗室，確保系統(tǒng)運行正常

污水廠配備監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，允許一個操作者控制所有的工廠運行。

 

在中控室，可以對許多廠內(nèi)的系統(tǒng)進行監(jiān)控，包括儲罐液位，過程pH值，過程溫度，水流，沼氣流，和發(fā)動機輸出。許多讀數(shù)，同時可以在廠內(nèi)的物理流量計處取得。

 

污水廠內(nèi)的實驗室，裝備有分光光度計，可以運行氨氮，總磷，揮發(fā)性酸，總氮和化學需氧量測試。實驗室還可以測量堿度，水的硬度，pH值，總固體，揮發(fā)性固體，懸浮物，沉降污泥體積，和氯含量。

 

典型工藝控制包括檢測pH值，總磷，揮發(fā)性酸，堿度，氨，總懸浮固體，和化學需氧量。這些測試可以確定運行過程是否在可控范圍內(nèi)，幫助預防出現(xiàn)問題。實時體積，流量，pH值，溶解氧和溫度儀表保證工廠運行穩(wěn)定。這使污水廠可以良好控制出水質(zhì)量和沼氣的產(chǎn)生。

圖13    平衡罐。操作者可以看到客車卸污水，監(jiān)控進入預調(diào)性罐的流量和數(shù)量。監(jiān)控PH值，溫度和液位。

圖14   預調(diào)性罐和反應器。操作者可以監(jiān)控水流量，PH值，溫度，液位和化學物添加。

圖15   脫氣和污泥沉淀裝置。監(jiān)控真空，沼氣流量，水流量�？梢哉{(diào)整污泥沉淀裝置，讓污水回到消化器或送到生物污泥罐。

圖16  主溶氣氣浮裝置（DAF）�？梢员O(jiān)控三氯化鐵和聚合物添加劑，液位和運行。

圖17  好氧曝氣系統(tǒng)，二級溶氣氣浮裝置（DAF），和除臭系統(tǒng)。風機風量可以監(jiān)控和調(diào)整�？杀O(jiān)控化學物質(zhì)填加，液位，流量，PH，溶解氧，和溫度。

圖18   帶式脫水機。帶機的實際運行在另一個控制箱上控制，污泥液位和泵也可在這里監(jiān)控。

圖19   沼氣調(diào)性和發(fā)電機。監(jiān)控沼氣到發(fā)電機的氣流和火炬。

圖20    熱能利用，通風和空調(diào)系統(tǒng)。可以在中控室控制。建筑物和反應器的加熱熱量通過熱交換器來自發(fā)電機引擎。

圖21   進水設置。操作者可以根據(jù)化學需氧量設置進水量。這可以很好地控制反應器中的沼氣產(chǎn)量。

圖22   工廠信息連續(xù)被監(jiān)控，包括流量，氣量，PH值等，并記錄下來作為參考。

圖23   實驗室。配有分光光度計和測試包，平衡，污泥沉淀錐斗，PH計，滴定設置。帶除臭和安全裝置的污泥測試烤箱。

3、進出水水質(zhì)參數(shù)

典型進水水質(zhì)：

	某月總	毫克/升
客戶	立方米	化學需氧 量COD	磷	氯	TSS總懸浮物
1	765	49,000	300	1,100	14,000
2	1,856	41,000	200	1,600	1,000
3	258	57,000	800	39,000	9,100
4	3,048	100,000	260	1,880	3,000
5	666	16,500	100	320	2,000
6	394	103,000	140	<100	2,300
7	2,700	355,000	920	8,700	17,000
8	320	62,000	700	850	21,000
9	201	182,000	350	4,000	27,000
10	62	51,000	300	1,650	2,700

典型出水水質(zhì)：

化學需氧量 COD	磷	氯	TSS 總懸浮物
750	80	3700	60

目前的出水需要再送入附近3公里左右的城市污水處理廠，進行再處理。

4、對未來的展望

為達到更高的可持續(xù)發(fā)展目標，污水廠和當?shù)丨h(huán)保部合作共同探討新的發(fā)展計劃:

 

提高生物污泥含固率，加強同當?shù)剞r(nóng)場的合作。

 

增加超濾和反滲透系統(tǒng)，提高出水水質(zhì)，降低城市污水廠負荷。增加超濾和反滲透系統(tǒng)將讓工廠可以增加污水接受量，并讓排水達到地表水排放質(zhì)量。地表水排放將消除額外的市政污水處理費和運輸費。增加入水量可以讓工廠的運行更經(jīng)濟。

 

擴大包裝食品廢棄物（如啤酒、罐頭等）的接收系統(tǒng)，讓更高COD含量的污水進入消化裝置。特別是處理飲料的成本低，產(chǎn)氣率高。

 

取得美國再生能源識別號(RIN)s，取得政府補貼。

 

生物天然氣，進一步凈化沼氣，生產(chǎn)生物天然氣，可用于公司擁有的卡車和城市軌道交通。

 

增加熱水解工藝，處理更高含固率污水。

目前該工程正在升級改造，尋求大型國際投資企業(yè)合作。

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