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我國(guó)特大型污水處理廠存在運(yùn)行壓力大、負(fù)荷率高、運(yùn)行管理難度大等問題。同時(shí)，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理廠需應(yīng)對(duì)工程擴(kuò)建和提標(biāo)改造，其擴(kuò)建規(guī)模的確定需要兼顧經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。美國(guó)已有幾座建設(shè)與運(yùn)行相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的特大型污水處理廠，其運(yùn)行效果較為穩(wěn)定，具有一定的借鑒價(jià)值。本文對(duì)鹿島污水處理廠和亥伯龍污水處理廠兩座特大型污水處理廠的處理規(guī)模、運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行梳理，為我國(guó)特大型污水處理廠今后的發(fā)展需求和運(yùn)行管理提供參考。
美國(guó)污水處理廠的建設(shè)和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在水污染控制方面已頗具成效，并在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)上取得了一定效益。在往期介紹了美國(guó)底特律污水處理廠和斯蒂克尼污水處理廠兩座特大型污水廠成熟的運(yùn)行管理模式�，F(xiàn)對(duì)美國(guó)另兩座處理規(guī)模超100萬(wàn)m3/d的特大型污水處理廠——鹿島污水處理廠（Deer Island Sewage Treatment Plant）和亥伯龍污水處理廠（Hyperion Water Reclamation Plant）進(jìn)行分析介紹，對(duì)其處理規(guī)模、運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理，旨在為我國(guó)特大型污水廠升級(jí)改造工程的規(guī)模設(shè)計(jì)、雨季運(yùn)營(yíng)和日常運(yùn)行維護(hù)提供可借鑒和參考的信息。
1
鹿島污水處理廠
1.1
工程概況
鹿島污水處理廠位于波士頓港，投資逾38億美元，于1995年開始部分投入運(yùn)行，初期僅進(jìn)行初級(jí)處理，二級(jí)處理工藝于1997年起正式投入使用，2000年隨著處理尾水排放管渠的建成，建設(shè)工程全部完工。該廠現(xiàn)由馬薩諸塞州水資源局管理，處理污水主要來(lái)自于波士頓及周邊43個(gè)社區(qū)分流制污水收集系統(tǒng)的市政污水和工業(yè)污水，設(shè)計(jì)最大處理量為492萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)日均處理量為141萬(wàn)m3/d。
圖1 鹿島污水處理廠俯瞰圖
1.1.1 污水處理工藝
該廠污水處理采用純氧曝氣活性污泥工藝，進(jìn)水經(jīng)過提升泵站從深層隧道提升后分別經(jīng)過沉砂池和初沉池，再進(jìn)入純氧曝氣池進(jìn)行二級(jí)處理，隨后分別通過投加次氯酸鈉和亞硫酸氫鈉進(jìn)行消毒和脫氯，最后通過處理尾水排放管渠排放至馬薩諸塞港。該廠有48座體積為5 299.6m3的初沉池（56.7 m×12.5 m×7.3 m），純氧供應(yīng)量為130~220 t/天，54座體積為5 148.2m3的二沉池，2座容積為151.4萬(wàn)m3的消毒池。處理尾水排放管渠位于海平面下30.5 m，長(zhǎng)15.3 km，直徑為7.3 m，管渠上分布著50個(gè)單獨(dú)的排放管道，每個(gè)排放管有8個(gè)小孔，確保處理尾水與海水混合均勻，從而得到有效稀釋。
1.1.2 污泥處理工藝
由一級(jí)處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥和浮渣采用重力濃縮，由二級(jí)處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥和浮渣采用離心濃縮。離心濃縮過程中投加聚合物，提高濃縮效率。濃縮后污泥由12座蛋形消化器進(jìn)行厭氧消化，每座消化器直徑27.5 m，高42.7 m。經(jīng)過厭氧消化的污泥體積大大減小，通過島內(nèi)的隧道運(yùn)送到造粒廠，進(jìn)一步加工制成農(nóng)業(yè)化肥，每日產(chǎn)量為75 t。消化過程中產(chǎn)生的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電用于污水處理廠運(yùn)行，余熱用于辦公室取暖和設(shè)備加熱等。
1.2
處理規(guī)模分析
馬薩諸塞州水資源管理局（Massachusetts Water Resources Authority，MWRA）負(fù)責(zé)波士頓及周邊社區(qū)共250萬(wàn)人口的供水和排水系統(tǒng)服務(wù)，老城區(qū)排水體制以合流制為主，周邊社區(qū)排水體制則以分流制為主。排水系統(tǒng)收集的污水由鹿島污水處理廠和克林頓污水處理廠（Clinton Wastewater Treatment Plant）進(jìn)行處理。據(jù)MWRA統(tǒng)計(jì)，2016年該市原水需求量為79.1萬(wàn)m3/d，自來(lái)水銷售量為76.1萬(wàn)m3/d，污水產(chǎn)生量為107.5萬(wàn)m3/d，而鹿島污水處理廠的日均處理量為98.8萬(wàn)m3/d，1~6月的月均進(jìn)廠污水水量明顯高于7~12月。
自1998年鹿島污水處理廠與堅(jiān)果島污水處理廠（Nut Island Sewage Treatment Plant）合并后，鹿島污水處理廠的處理成本明顯降低，達(dá)到了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。在運(yùn)營(yíng)管理方面，兩廠合并后工作人員適度縮減；在工藝優(yōu)化方面，由于堅(jiān)果島污水處理廠被改造為鹿島污水廠的預(yù)處理系統(tǒng)，該廠的能耗和化學(xué)試劑投加量明顯降低。
1.3
雨季運(yùn)營(yíng)策略
鹿島污水處理廠雨季運(yùn)營(yíng)時(shí)主要采取的措施包括：?jiǎn)⒂?座初沉池、4座二沉池和備用泵等備用設(shè)施；調(diào)整二級(jí)處理的工藝參數(shù)；調(diào)整消毒劑投加量等。當(dāng)進(jìn)水流量超出二級(jí)處理能力時(shí)，初級(jí)處理出水將直接超越二級(jí)處理，消毒、脫氯后排放。
1.4
出水指標(biāo)與運(yùn)行狀況
鹿島污水處理廠的處理尾水僅有一個(gè)排放口，雨季超出一級(jí)處理能力的水量將由指定的合流制污水溢流（CSOs）排放口排出。旱季處理尾水水質(zhì)的主要濃度指標(biāo)及處理尾水的實(shí)際水質(zhì)情況如表1所示。
表1 鹿島污水處理廠主要出水指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際處理尾水水質(zhì)
除上述指標(biāo)外，針對(duì)處理尾水未設(shè)置具體的濃度限值，但需進(jìn)行監(jiān)控的指標(biāo)包括SS、汞、氨氮、凱氏氮、硝態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、農(nóng)藥/殺蟲劑（包括：氯丹、DDT、狄氏劑、七氯、艾氏劑、環(huán)氧七氯）、砷、苯酚、VOCS等。
1.5
運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)
鹿島污水處理廠建廠伊始就著手設(shè)計(jì)輔助污水處理廠運(yùn)行和維護(hù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。輔助運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括工藝信息控制系統(tǒng)（process information control system，PICS）和運(yùn)行管理系統(tǒng)（operation management system，OMS）。PICS提供全廠的實(shí)時(shí)工藝數(shù)據(jù)（包括處理系統(tǒng)狀態(tài)、流量等），OMS則根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)PICS數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而跟蹤、分析全廠運(yùn)行狀態(tài)，保證出水負(fù)荷符合美國(guó)EPA和其他部門的有關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)優(yōu)化處理成本。輔助維護(hù)管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則采用Maximo系統(tǒng)。該廠的長(zhǎng)期維護(hù)策略是改善廠房設(shè)備狀況，必要時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修和更換。MWRA對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，確保維護(hù)人員能夠在最大程度上利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提升工作效率。
2
亥伯龍污水處理廠
2.1
工程概況
亥伯龍污水處理廠位于美國(guó)洛杉磯西南部，近圣莫妮卡灣處，占地面積0.58 km2。該廠于1925年開始運(yùn)行，歷經(jīng)1950年、1985年兩次大規(guī)模的擴(kuò)建改造，達(dá)到378.5萬(wàn)m3/h的處理能力，現(xiàn)由洛杉磯市公共事務(wù)部衛(wèi)生工程局管理。該廠服務(wù)面積為1 551 km3，服務(wù)人口400萬(wàn)人，污水主要來(lái)源于洛杉磯市分流制系統(tǒng)的市政污水、一萬(wàn)多家工商企業(yè)排放的工業(yè)/商業(yè)污水以及部分初期雨水。
圖2 亥伯龍污水處理廠
2.1.1 污水處理工藝
亥伯龍污水處理廠的污水處理流程包括預(yù)處理、強(qiáng)化一級(jí)處理和二級(jí)處理。預(yù)處理系統(tǒng)包括格柵和曝氣沉砂池。格柵部分有8臺(tái)網(wǎng)眼為19 mm的格柵機(jī)（外加2臺(tái)備用），總處理能力為378.5萬(wàn)m3/d。沉砂池部分有6座尺寸為45.7 m×6.9 m×4.6 m的矩形封閉曝氣沉砂池，總處理能力為379.5萬(wàn)m3/d。強(qiáng)化一級(jí)處理工藝通過投加三氯化鐵提高沉淀效率，該工藝包括4組共26座初沉池（91.4 m×17.2 m×4.6 m），每座初沉池均配有撇渣器和污泥收集器，停留時(shí)間約為2 h。二級(jí)處理主要采用純氧曝氣活性污泥法，共設(shè)有9個(gè)反應(yīng)模塊，單個(gè)反應(yīng)模塊的處理能力為18.9萬(wàn)m3/d，該廠共有36個(gè)處理能力為11.4萬(wàn)m3/d的圓形二沉池。
二級(jí)處理出水中約有4.2萬(wàn)m3/d將經(jīng)過過濾、消毒用于設(shè)備的冷凝和沖洗，約14.0萬(wàn)m3/d將輸送到西貝森污水處理廠（West Basin Water Reclamation Plant）進(jìn)行深度處理，根據(jù)再生水的用途采用微濾（MF）和反滲透（RO）工藝處理。
2.1.2 污泥處理工藝
亥伯龍污水處理廠預(yù)處理與強(qiáng)化一級(jí)處理過程中產(chǎn)生的可生化性較差的固體在脫水后進(jìn)行填埋，二級(jí)處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥則經(jīng)污泥濃縮、高溫厭氧消化、離心脫水后加工為有機(jī)顆粒產(chǎn)品，運(yùn)送到農(nóng)場(chǎng)作為肥料。
高溫厭氧消化過程中產(chǎn)生的氣體提純后將輸送至亥伯龍污水處理廠周邊的斯卡特古德蒸汽發(fā)電廠（Scattergood Steam Plant）。
2.2
處理規(guī)模分析
2015年洛杉磯供水系統(tǒng)的日均供水量為173.4萬(wàn)m3/d。排水系統(tǒng)采用分流制，分為2塊污水收集管線系統(tǒng)，全市共有4家處理規(guī)模不等的污水處理廠，旱季總處理能力為220萬(wàn)m3/d，其中規(guī)模最大的污水處理廠便是亥伯龍污水處理廠。亥伯龍污水處理廠的設(shè)計(jì)日均處理量為170.3萬(wàn)m3/d，而實(shí)際運(yùn)行中污水處理量?jī)H為95.8萬(wàn)m3/d，主要原因?yàn)槁迳即壥姓?985年開始推廣節(jié)水項(xiàng)目。
2.3
出水指標(biāo)與運(yùn)行狀況
亥伯龍污水處理廠的處理尾水可由兩個(gè)排放口進(jìn)行排放——排放口001與排放口002。排放點(diǎn)001也被稱作“1英里排放口”，排放管道直徑為3.7 m，長(zhǎng)度約1.6 km，走向?yàn)槲鬯幚韽S西-西南向，位于海平面下方15 m；排放點(diǎn)002也被稱作“5英里排放口”，排放管道直徑為3.7 m，長(zhǎng)度為8.1 km，走向?yàn)槲鬯幚韽S西-西南向，位于海平面下方57 m，排放管道末端有Y型擴(kuò)散器，用于確保處理尾水與受納水體更好地混合、稀釋。
排放口002為該廠處理尾水的主要排放口，而排放口001在進(jìn)廠水量超出二級(jí)處理能力、排放水量超出排放口002的排放能力、排放口002檢修維護(hù)等特殊情況下，向當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門通報(bào)并許可后才能使用。
表2 亥伯龍污水處理廠主要出水指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際處理尾水水質(zhì)（排放口002）
除上述濃度指標(biāo)外，該廠BOD5與SS去除率還需高于85%，對(duì)每日水樣的生物毒性也有所要求。此外，對(duì)各類重金屬、有機(jī)物（包括農(nóng)藥、殺蟲劑等）指標(biāo)根據(jù)污水處理廠運(yùn)行效果設(shè)置了尾水目標(biāo)濃度。
2.4
升級(jí)改造與發(fā)展規(guī)劃
據(jù)洛杉磯環(huán)境衛(wèi)生局（Sanitation District of Los Angeles County）分析，按照對(duì)洛杉磯市人口增長(zhǎng)的預(yù)估，該市污水處理廠的處理規(guī)模將無(wú)法應(yīng)對(duì)2020年后的進(jìn)廠污水水量，因此洛杉磯環(huán)境衛(wèi)生局考慮對(duì)已建成的污水處理廠進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)增。經(jīng)過多個(gè)污水處理廠規(guī)模擴(kuò)增方案的對(duì)比分析，亥伯龍污水處理廠擴(kuò)建工程的經(jīng)濟(jì)性與其他方案相比略輸一籌，因而該廠近期無(wú)擴(kuò)建計(jì)劃。
由于洛杉磯區(qū)域降雨量小，淡水資源匱乏，亥伯龍污水處理廠遠(yuǎn)期將更加注重尾水的深度處理，提高回用水水量，減小對(duì)水環(huán)境的影響。
3
總結(jié)與建議
在特大型污水處理廠運(yùn)營(yíng)方面，美國(guó)鹿島污水處理廠和亥伯龍污水處理廠，以及往期提到的底特律污水處理廠和斯蒂克尼污水處理廠這幾座特大型污水處理廠為我們提供了相關(guān)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。通過引進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為污水處理廠的運(yùn)行和管理提供輔助，提高人員的工作效率，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，使得出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
面對(duì)運(yùn)行壓力大、負(fù)荷率高、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提升等問題，國(guó)內(nèi)特大型污水處理廠的規(guī)模提升與提標(biāo)改造十分必要。特大型污水處理廠擴(kuò)建規(guī)模的確定建議與城市發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，透徹分析擴(kuò)建規(guī)模需求，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多角度評(píng)估可行方案，同時(shí)確保污水處理廠擴(kuò)建規(guī)模在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境影響上的平衡。在項(xiàng)目短期規(guī)劃的同時(shí)，也從長(zhǎng)期角度考慮，分期建設(shè)達(dá)到目標(biāo)。特大型污水處理廠遠(yuǎn)期發(fā)展上進(jìn)一步考慮臭味控制、污泥處置、能源利用和尾水深度處理等設(shè)備優(yōu)化升級(jí)方向。污水處理廠內(nèi)可通過增設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施應(yīng)對(duì)雨季峰值流量，建立雨季管理預(yù)案，應(yīng)對(duì)雨季流量。
推薦參考
宋姍姍,姚杰,陳廣,等.美國(guó)特大型污水處理廠處理規(guī)模和運(yùn)行維護(hù)案例分析：鹿島污水處理廠和亥伯龍污水處理廠[J].凈水技術(shù),2018,37(10):8-12，24.
Song S, Yao J, Chen G, et al. Case study on capacity, operation and maintenance of extra-large WWTPs in USA: Deer Island Sewage Treatment Plant and Hyperion Water Reclamation Plant[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(10):8-12,24.
