美國特大型污水處理廠處理規(guī)模和運(yùn)行維護(hù)案例分析
——底特律污水處理廠和斯蒂克尼污水處理廠

宋姍姍，姚 杰，陳 廣，周新宇，馬 艷

(1.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082；2.上海城投污水處理有限公司，上海 201203)

美國污水處理廠的建設(shè)和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)長的時(shí)間，截至2017年底，全美共有14 748座污水處理廠，其中設(shè)計(jì)處理能力超過100萬m3/d的污水處理廠有6座，在水污染控制方面已頗具成效，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)上也取得了一定的效益[1]。

我國的污水治理在起步晚、基礎(chǔ)差、要求高的嚴(yán)峻形勢(shì)下迅速發(fā)展。近年來，隨著國家和地方政府對(duì)污水處理廠建設(shè)投資力度的增大，政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的健全，城鎮(zhèn)污水處理廠的數(shù)量和處理能力大幅上升。截至2017年12月，全國城鎮(zhèn)累計(jì)建成運(yùn)行的污水處理廠有4 119座，污水處理能力達(dá)1.82億m3/d[2]。目前我國設(shè)計(jì)處理能力超過50萬m3/d的污水處理廠有16座，其中設(shè)計(jì)處理能力超100萬m3/d的特大型污水處理廠有4座[3]。

針對(duì)美國2座處理規(guī)模超100萬m3/d的特大型污水處理廠——底特律污水處理廠(Detroit Wastewater Treatment Plant)和斯蒂克尼污水處理廠(Stickney Water Reclamation Plant)，本文對(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)營和日常運(yùn)行維護(hù)提供可借鑒和參考的信息。

1 底特律污水處理廠

1.1 工程概況

底特律污水處理廠(圖1)位于美國底特律市西南端，毗鄰底特律河和胭脂河，總占地面積約0.53 km2。該廠于1940年2月開始正式運(yùn)行，初期設(shè)計(jì)服務(wù)240萬人，采用一級(jí)處理工藝，投資成本近1 132萬美元，是美國最大的污水處理廠之一。20世紀(jì)60年代開始引入二級(jí)處理工藝，現(xiàn)階段服務(wù)人口達(dá)到300萬，服務(wù)面積超過2 450 km2[4]。

圖1 底特律污水處理廠鳥瞰圖Fig.1 Bird’s Eye View of Detroit Wastewater Treatment Plant

1.1.1 污水處理工藝

該廠的污水處理工藝包括預(yù)處理和生物處理，進(jìn)水經(jīng)過設(shè)計(jì)處理能力為645萬m3/d的初級(jí)處理系統(tǒng)后投加氯化鐵除磷，再進(jìn)入設(shè)計(jì)處理能力為352萬m3/d的二級(jí)處理系統(tǒng)，二級(jí)處理工藝為純氧曝氣活性污泥法，最后經(jīng)過加氯消毒、脫氯處理后排放?，F(xiàn)有的主要構(gòu)筑物包括12座矩形澄清池、6座圓形澄清池、4座純氧活性污泥反應(yīng)池和25座二沉池[4-5]。

1.1.2 污泥處理工藝

該廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)過重力濃縮后進(jìn)入離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，脫水后的污泥一部分進(jìn)行焚燒，另一部分加入石灰后填埋[4-5]。

1.2 處理規(guī)模分析

美國底特律市的供水和排水皆由底特律供排水部(Detroit Water and Sewerage Department，DWSD)負(fù)責(zé)。供水服務(wù)系統(tǒng)總面積達(dá)2 795 km2，日均供水量為231萬m3/d；排水系統(tǒng)服務(wù)總面積為2 450 km2，排水體系為合流制，收集污水全由底特律污水處理廠進(jìn)行處理，日均處理量為246萬m3/d[4]。

1.3 雨季運(yùn)營策略

如圖2所示，底特律污水處理廠的尾水排放口共有三個(gè)，分別為排放口049、排放口050和排放口084，其中排放口049通向底特律河，排放口050和排放口084通向胭脂河。

旱季時(shí)，排放口049主要承擔(dān)完全處理后尾水的排放。雨季時(shí)，當(dāng)污水水量超出底特律污水處理廠最大二級(jí)處理能力(352萬m3/d)，而未達(dá)到其最大一級(jí)處理能力(645萬m3/d)，即污水處理量在352萬～645萬m3/d時(shí)，對(duì)超出二級(jí)處理能力部分的污水進(jìn)行一級(jí)處理后超越，在排放口049水力負(fù)荷能承受的情況下，經(jīng)消毒、脫氯后通過排放口049排出。當(dāng)污水水量超出其最大一級(jí)處理能力，或尾水排放量超出排放口049的水力負(fù)荷，則通過排放口050排出，排放口050排放尾水暫未設(shè)消毒。預(yù)計(jì)2019年后，排放口050將被新建排放口084取代，屆時(shí)尾水經(jīng)排放口084排放前將進(jìn)行消毒、脫氯。該方案經(jīng)底特律環(huán)境質(zhì)量部(Department of Environmental Quality)許可并頒發(fā)排放許可證(NPDES Permit)[5]。

圖2 底特律污水處理廠尾水排放示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Detroit Wastwater Treatment Plant Outfalls

1.4 出水指標(biāo)

如圖2所示，該廠的尾水排放共設(shè)有5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為049A、049B、049F、050A和084A。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)049A監(jiān)測(cè)雨季未經(jīng)二級(jí)處理的尾水水質(zhì)，049B監(jiān)測(cè)經(jīng)污水處理廠完全處理后的尾水水質(zhì)，049F監(jiān)測(cè)049A與049B的混合水質(zhì)，050A監(jiān)測(cè)雨季未經(jīng)二級(jí)處理且由排放口050排放的尾水水質(zhì)。許可證對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制的污染物類別和限值不盡相同。此外，不同水質(zhì)項(xiàng)目對(duì)30日平均值、7日平均值和瞬時(shí)值也有不同要求，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的限值以30日平均值和7日平均值為主。

許可證對(duì)雨季一級(jí)處理超越部分的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)049A的主要日常監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。除此以外，還須每日向環(huán)境質(zhì)量部上報(bào)處理水量及CBOD5、TSS、TP、氨氮和總汞的濃度，每月上報(bào)氨氮的30日平均濃度及總汞的30日平均濃度和負(fù)荷。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)049A的出水污染物排放限值

a注：污染濃度及負(fù)荷限值均為30日平均值

b注：總汞的30日平均濃度限值和負(fù)荷限值為12個(gè)月的滾動(dòng)均值，即當(dāng)月結(jié)果與前11個(gè)月結(jié)果的平均值

對(duì)于二級(jí)處理后尾水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)049B，排放許可證不僅對(duì)尾水污染物的濃度進(jìn)行控制，對(duì)水體造成的污染物負(fù)荷也有限制，其污染物控制指標(biāo)及排放限值如表2所示。除上述許可證規(guī)定的污染物排放限值外，底特律污水處理廠還須向環(huán)境質(zhì)量部門報(bào)告監(jiān)測(cè)點(diǎn)049B每日的處理水量、CBOD5濃度、TP濃度、氨氮濃度、總汞濃度等數(shù)據(jù)，以及每月水量、氨氮濃度、總汞濃度及負(fù)荷的日平均值。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)049B的出水污染物排放限值

a注：括號(hào)內(nèi)為藍(lán)藻暴發(fā)期(4月～9月)的TP均值

b注：總汞的30日平均濃度限值和負(fù)荷限值為12個(gè)月的滾動(dòng)均值，即當(dāng)月結(jié)果與前11個(gè)月結(jié)果的平均值

監(jiān)測(cè)點(diǎn)049F作為049B與049A混合出水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)底特律污水處理廠大部分處理尾水的水質(zhì)，其主要的污染物控制指標(biāo)和排放限值如表3所示。除上述主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)外，對(duì)049F處理尾水的監(jiān)測(cè)和上報(bào)項(xiàng)目還包括急性毒性、CBOD5、氨氮、氰化物、總銅及溶解氧等。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)049F的出水污染物排放限值

a注：污染負(fù)荷限值均為30日平均值

監(jiān)測(cè)點(diǎn)050A出水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和排放限值如表4所示。此外還須監(jiān)測(cè)和上報(bào)總銅等指標(biāo)。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)050A的出水污染物排放限值

a注：污染負(fù)荷限值均為30日平均值

當(dāng)進(jìn)廠水量超出二級(jí)處理能力，甚至超出一級(jí)處理能力時(shí)，相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)限值相對(duì)放寬，主要體現(xiàn)在監(jiān)控點(diǎn)049A和050A的監(jiān)測(cè)指標(biāo)上，CBOD5的30日平均值放寬至40 mg/L，TSS的30日平均值放寬至70 mg/L，總磷的30日平均值放寬至1.5 mg/L，同時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)量減少[5]。

1.5 運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

過去35年間，底特律污水處理廠曾有多次違反許可證規(guī)定的記錄，原因主要在于污泥處置能力不足以及排放尾水TSS超標(biāo)。為避免超標(biāo)排放的再次發(fā)生，底特律污水處理廠對(duì)設(shè)備進(jìn)行了大范圍更新和維護(hù)。此外，環(huán)境質(zhì)量部要求底特律污水處理廠制定能令處理效果長期達(dá)標(biāo)的整改計(jì)劃，以保證近期和遠(yuǎn)期的污泥脫水、運(yùn)輸、清理能力，同時(shí)要求其采取合理的工藝維護(hù)、人事安排、設(shè)備改建及采購等方面的管理手段。底特律污水處理廠據(jù)此制定了設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，通過分析污水處理廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，制定合理的目標(biāo)處理效果，在預(yù)算范圍內(nèi)確定達(dá)成該處理效果的最佳方案[5]。

1.6 升級(jí)改造與發(fā)展規(guī)劃

為更好地控制合流制排水污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)，底特律污水處理廠制定了CSOs長期控制計(jì)劃，內(nèi)容包括新建兩座68.1萬m3的初沉池和增加進(jìn)水泵數(shù)量，以提高一級(jí)處理能力；沿底特律河及胭脂河岸建設(shè)9座CSOs調(diào)蓄設(shè)施，部分設(shè)施具備過濾、消毒能力，可削減CSOs排放量。

根據(jù)DWSD對(duì)排水系統(tǒng)未來服務(wù)人口、服務(wù)面積和污水水量的預(yù)測(cè)，底特律污水處理廠的污水處理能力基本能夠滿足發(fā)展需求，底特律污水處理廠至2030年暫無擴(kuò)建計(jì)劃[6]。

2 斯蒂克尼污水處理廠

2.1 工程概況

斯蒂克尼污水處理廠(圖3)位于美國芝加哥西南部，建于芝加哥環(huán)境衛(wèi)生和航行運(yùn)河(Chicago Sanitary and Ship Canal)沿岸，占地1.67 km2。該廠分為西廠和西南廠兩個(gè)部分，西廠于1930年建成投入運(yùn)行，僅具有對(duì)全廠40%的污水進(jìn)行初級(jí)處理的能力。1935年開始在西廠的西南側(cè)建設(shè)以活性污泥法為主要處理工藝的西南污水處理廠，并于1939年正式投入運(yùn)行，能夠?qū)θ珡S60%的污水進(jìn)行初級(jí)處理，同時(shí)對(duì)全廠的污水進(jìn)行二級(jí)處理。經(jīng)過1949年和1975年的兩次擴(kuò)建，斯蒂克尼污水處理廠形成了現(xiàn)有的455萬m3/d的二級(jí)處理規(guī)模。

圖3 斯蒂克尼污水處理廠鳥瞰圖Fig.3 Bird’s Eye View of Stickney Water Reclamation Plant

斯蒂克尼污水處理廠處理的污水包括市政污水和少部分工業(yè)廢水。市政污水主要來自芝加哥中心城區(qū)以及周邊46個(gè)社區(qū)的合流制污水收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)服務(wù)人口數(shù)量約230萬，服務(wù)區(qū)域面積約673.4 km2。進(jìn)水中工業(yè)廢水的水量約占全部處理量的7.4%[7-8]。

2.1.1 污水處理工藝

斯蒂克尼污水處理廠設(shè)計(jì)日均處理量為455萬m3/d，設(shè)計(jì)最大處理量為545.1萬m3/d，處理全過程需要約12 h。2017年日均處理量為256.3萬m3/d。

進(jìn)入西廠的污水首先經(jīng)過粗格柵、細(xì)格柵過濾，再由撇渣池除去浮沫和油脂，隨后進(jìn)入雙層沉淀池進(jìn)行沉淀，最后進(jìn)入西南廠進(jìn)行二級(jí)處理。

進(jìn)入西南廠的污水首先經(jīng)過粗格柵過濾，再由曝氣沉砂池去除浮渣，隨后進(jìn)入重力沉淀池進(jìn)行沉淀，處理出水和由西廠匯入的初級(jí)處理出水一起進(jìn)入四通道曝氣池(每條通道尺寸為132.3 m×10.4 m×4.6 m)進(jìn)行二級(jí)處理，流入二次沉淀池(直徑為38.4 m，邊緣深度為4.3 m)后排至芝加哥環(huán)境衛(wèi)生與航行運(yùn)河[8]。

2.1.2 污泥處理工藝

斯蒂克尼污水處理廠的污泥處理工藝包括重力濃縮、離心脫水和厭氧消化等環(huán)節(jié)。污泥經(jīng)過上述處理流程后，固體濃度提高約25%～30%，隨后由廠內(nèi)鐵路運(yùn)輸至約9 km遠(yuǎn)的固體處理區(qū)進(jìn)行離心、風(fēng)干等處理，在固體濃度達(dá)到60%～70%后的產(chǎn)物與木屑混合，可用于高爾夫球場(chǎng)和生產(chǎn)草皮等[8]。

2.2 處理規(guī)模分析

美國芝加哥市的供排水系統(tǒng)都屬于大芝加哥供排水體系，該體系供水系統(tǒng)服務(wù)600萬人，供水量為378.5萬m3/d；排水系統(tǒng)服務(wù)500萬人，系統(tǒng)污水處理量為466.0萬m3/d。排水體制為合流制，排水系統(tǒng)共劃分為7個(gè)區(qū)域，終端分別為規(guī)模不同的7家污水處理廠，斯蒂克尼污水處理廠是其中規(guī)模最大的一家。大芝加哥污水處理部門(Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago，MWRD)曾對(duì)比分析當(dāng)?shù)?家污水處理廠的運(yùn)行成本，結(jié)果表明規(guī)模較大的污水處理廠平均運(yùn)行成本低于規(guī)模較小的污水處理廠[9]。

隨著城市發(fā)展，芝加哥市及其周邊地區(qū)排水系統(tǒng)的合流制污水溢流量增加，污水處理廠在雨季經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，迫使未經(jīng)處理的污水流入河道。因此，在20世紀(jì)70年代初期，市政當(dāng)局提出隧道與水庫計(jì)劃(Tunnel and Reservoir Plan，TARP)，該計(jì)劃包括建設(shè)一條160 km長的深層隧道及3座大型調(diào)蓄設(shè)施(圖4)，總調(diào)蓄規(guī)模達(dá)7 779.0萬m3。該計(jì)劃工程分為兩期進(jìn)行，經(jīng)過25年的施工，一期建設(shè)已經(jīng)完成，二期建設(shè)將于2029年完成。隨著TARP的建設(shè)完成，斯蒂克尼污水處理廠雨季進(jìn)廠水量經(jīng)過調(diào)蓄設(shè)施的峰值削減將趨于平穩(wěn)[8]。

圖4 大芝加哥地區(qū)隧道與水庫計(jì)劃Fig.4 The Tunnel and Reservoir Plan of Greater Chicago

2.3 出水指標(biāo)與運(yùn)行狀況

斯蒂克尼污水處理廠的處理尾水通過排放口001排放至芝加哥環(huán)境衛(wèi)生與航行運(yùn)河，其主要污染排放指標(biāo)與濃度限值，以及排放口001的實(shí)際水質(zhì)狀況如表5所示。

表5 斯蒂克尼污水處理廠主要污染指標(biāo)限值與實(shí)際出水水質(zhì)情況

a注：實(shí)際水質(zhì)的CBOD5、SS、氨氮、TP為2017年全年均值，溶解氧和pH值為2017年全年范圍，數(shù)據(jù)來自MWRD官方網(wǎng)站[10]

b注：括號(hào)外的污染負(fù)荷限值根據(jù)設(shè)計(jì)平均水量及濃度限值計(jì)算得到，括號(hào)內(nèi)限值根據(jù)設(shè)計(jì)最大水量及濃度限值計(jì)算得到

除上述主要出水水質(zhì)指標(biāo)外，監(jiān)控的水質(zhì)指標(biāo)還包括硬度、鎘、TN、DO、生物急性毒性等。

該廠須對(duì)所有接收的旱季污水和初期雨水進(jìn)行處理。雨季情況下，當(dāng)進(jìn)廠流量少于旱季平均流量的十倍時(shí)，所有進(jìn)廠污水需經(jīng)過二級(jí)處理；當(dāng)進(jìn)廠流量高于旱季平均流量的十倍時(shí)，超出的流量至少須經(jīng)過一級(jí)處理，由指定CSOs排放口排放[8-9]。

2.4 升級(jí)改造與發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)伊利諾伊州東北規(guī)劃委員會(huì)(Northeastern Illinois Planning Commission)的預(yù)估，2000年～2040年，斯蒂克尼污水處理廠服務(wù)區(qū)域的人口增長約為17%，服務(wù)人口的增長帶來的污水水量增加幅度仍在該廠的設(shè)計(jì)規(guī)模之內(nèi)。該廠平均處理水量因TARP的逐步完成預(yù)計(jì)略有增加，但仍低于設(shè)計(jì)處理量，因此該廠暫無擴(kuò)建計(jì)劃。

斯蒂克尼污水處理廠近期的設(shè)備優(yōu)化項(xiàng)目計(jì)劃將西廠初級(jí)處理系統(tǒng)中于1930年開始投入使用的雙層沉淀池替換為直徑為48.8 m的圓形沉淀池，并建設(shè)曝氣沉砂池。遠(yuǎn)期將注重廠內(nèi)設(shè)施的升級(jí)改造和工藝優(yōu)化，減少能源消耗，目標(biāo)在2023年實(shí)現(xiàn)污水處理能耗的自給自足，同時(shí)將更加側(cè)重于臭味的控制[8]。

3 結(jié)論與建議

針對(duì)不同的氣候環(huán)境特征及發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，美國底特律污水處理廠與斯蒂克尼污水處理廠在旱季與雨季污水處理工藝切換、近期與遠(yuǎn)期處理規(guī)模平衡、污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)及報(bào)告等方面發(fā)展出了符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的運(yùn)行模式，為我國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。

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，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)模的確定建議應(yīng)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)，也從長期角度考慮，分期建設(shè)達(dá)到目標(biāo)。

我國的特大型污水處理廠在遠(yuǎn)期發(fā)展上應(yīng)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。

[1]American Society of Civil Engineers.2017 Infrastructurereport card:Wastewater[EB/OL].[2018-05-10].]https://www.infrastructurereportcard.org/cat-item/wastewater.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于2017年第四季度全國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行情況的通報(bào)[EB/OL].(2018-01-25)[2018-05-10].http://www.jhjsj.gov.cn/xwzx/tzgg/201804/P020180404624622091855.pdf.

[3]中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部.全國投運(yùn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施清單[EB/OL].(2015-05-26)[2018-05-10].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201506/t20150609_303209.htm.

[4]City of Detroit Water and Sewerage Department About DWSD[EB/OL].[2018-05-10].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201506/t20150609_303209.html.

[5]City of Detroit Water and Sewerage Department Wastwater Treatment Plant.National pollutant discharge elimination system (permit No.MI0022802)[EB/OL].[2018-05-10]https://www.michigan.gov/documents/deq/deq-wrd-npdes-DetroitWWTP_Permit_415424_7.pdf.

[6]Detroit Water and Sewerage Department.Wastewater master plan executive summary[EB/OL].[2018-04-20].http:///archive.dwsd.org/pages_n/system_plans.html.

[7]周一平.美國Stickney污水處理廠[J].給水排水,1998,24(2):25-28.

[8]Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago.Wastewater master plan executive summary[EB/OL].[2018-04-20].http://www.mwrd.org/irj/portal/anonymous/Home.

[9]Detroit Water and Sewerage Department.Review of large treatment and collection system[EB/OL].(2003-09)[2018-05-10].http://www.glwater.org/wp-content/documents/procurement/masterplan_wastewater/volume2/Review_of_Large_Treatment_and_Collection_Systems.pdf.

[10]Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago.2017 operating data summary[EB/OL].[2018-05-10].http://www.mwrd.org/irj/portal/anonymous/waterreclamation.