美國特大型污水處理廠處理規(guī)模和運行維護案例分析：鹿島污水處理廠和亥伯龍污水處理廠

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)歷了相當長的時間，在水污染控制方面已頗具成效，并在社會和經(jīng)濟上取得了一定效益。往期介紹了美國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處理廠成熟的運行管理模式[1]。現(xiàn)對美國另兩座處理規(guī)模超100萬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)進行分析介紹，對其處理規(guī)模、運行維護經(jīng)驗進行梳理，旨在為我國特大型污水處理廠升級改造工程的規(guī)模設(shè)計、雨季運營和日常運行維護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年開始部分投入運行，初期僅進行初級處理，二級處理工藝于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，處理污水主要來自于波士頓及周邊43個社區(qū)分流制污水收集系統(tǒng)的市政污水和工業(yè)污水，設(shè)計最大處理量為492萬m3/d，設(shè)計日均處理量為141萬m3/d[2](圖1)。

圖1 鹿島污水處理廠俯瞰圖Fig.1 Overlook of Deer Island Sewage Treatment Plant

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，再進入純氧曝氣池進行二級處理，隨后分別通過投加次氯酸鈉和亞硫酸氫鈉進行消毒和脫氯，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5 299.6 m3的初沉池(56.7 m×12.5 m×7.3 m)，純氧供應量為130～220 t/d，54座體積為5 148.2 m3的二沉池，2座容積為151.4萬m3的消毒池。處理尾水排放管渠位于海平面下30.5 m，長15.3 km，直徑為7.3 m，管渠上分布著50個單獨的排放管道，每個排放管有8個小孔，確保處理尾水與海水混合均勻，從而得到有效稀釋[2]。

1.1.2 污泥處理工藝

由一級處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥和浮渣采用重力濃縮，由二級處理系統(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)的隧道運送到造粒廠，進一步加工制成農(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行，余熱用于辦公室取暖和設(shè)備加熱等[2]。

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)負責波士頓及周邊社區(qū)共250萬人口的供水和排水系統(tǒng)服務，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)進行處理。據(jù)MWRA統(tǒng)計，2016年該市原水需求量為79.1萬m3/d，自來水銷售量為76.1萬m3/d，污水產(chǎn)生量為107.5萬m3/d，而鹿島污水處理廠的日均處理量為98.8萬m3/d，1月～6月的月均進廠污水水量明顯高于7月～12月[3]。

自1998年鹿島污水處理廠與堅果島污水處理廠(Nut Island Sewage Treatment Plant)合并后，鹿島污水處理廠的處理成本明顯降低，達到了規(guī)模經(jīng)濟效益。在運營管理方面，兩廠合并后工作人員適度縮減；在工藝優(yōu)化方面，由于堅果島污水處理廠被改造為鹿島污水廠的預處理系統(tǒng)，該廠的能耗和化學試劑投加量明顯降低[3]。

1.3 雨季運營策略

鹿島污水處理廠雨季運營時主要采取的措施包括：啟用6座初沉池、4座二沉池和備用泵等備用設(shè)施；調(diào)整二級處理的工藝參數(shù)；調(diào)整消毒劑投加量等。當進水流量超出二級處理能力時，初級處理出水將直接超越二級處理，消毒、脫氯后排放[4]。

1.4 出水指標與運行狀況

鹿島污水處理廠的處理尾水僅有一個排放口，雨季超出一級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)的主要濃度指標及處理尾水的實際水質(zhì)情況如表1所示。

表1 鹿島污水處理廠主要出水指標標準與實際處理尾水水質(zhì)Tab.1 Discharge Standard and Actual Tail Water Quality of Deer Island Sewage Treatment Plant

注：a實際尾水水質(zhì)為月均值；b尾水pH限值為6.0～9.0，同時還需滿足受納水體pH值為6.5～8.5的要求；c超出該限值的樣品數(shù)目若小于10%，且不存在有連續(xù)3個樣品超出該限值的情況，依然可視為達標；d受試生物的半數(shù)致死濃度大于出水水樣與受納水體水樣以高于50%比例混合時的溶液濃度

除上述指標外，針對處理尾水未設(shè)置具體的濃度限值，但需進行監(jiān)控的指標包括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(氯丹、DDT、狄氏劑、七氯、艾氏劑、環(huán)氧七氯)、砷、苯酚、VOCS等[4]。

1.5 運行維護經(jīng)驗

鹿島污水處理廠建廠伊始就著手設(shè)計輔助污水處理廠運行和維護的計算機系統(tǒng)。輔助運行的計算機系統(tǒng)包括工藝信息控制系統(tǒng)(process information control system，PICS)和運行管理系統(tǒng)(operation management system，OMS)。PICS提供全廠的實時工藝數(shù)據(jù)(處理系統(tǒng)狀態(tài)、流量等)，OMS則根據(jù)實驗室測試數(shù)據(jù)對PICS數(shù)據(jù)進行校準，從而跟蹤、分析全廠運行狀態(tài)，保證出水負荷符合美國EPA和其他部門的有關(guān)環(huán)保標準，同時優(yōu)化處理成本。輔助維護管理的計算機系統(tǒng)則采用Maximo系統(tǒng)。該廠的長期維護策略是改善廠房設(shè)備狀況，必要時對設(shè)備進行檢修和更換。MWRA對維護人員進行培訓，確保維護人員能夠在最大程度上利用現(xiàn)代計算機系統(tǒng)，提升工作效率[2]。

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洛杉磯西南部，近圣莫妮卡灣處，占地面積為0.58 km2。該廠于1925年開始運行，歷經(jīng)1950年、1985年兩次大規(guī)模的擴建改造，達到378.5萬m3/d的處理能力，現(xiàn)由洛杉磯市公共事務部衛(wèi)生工程局管理(圖2)。該廠服務面積為1 551 km3，服務人口為400萬人，污水主要來源為洛杉磯市分流制系統(tǒng)的市政污水、一萬多家工商企業(yè)排放的工業(yè)/商業(yè)污水以及部分初期雨水[5]。

圖2 亥伯龍污水處理廠Fig.2 Overlook of Hyperion Water Reclamation Plant

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處理、強化一級處理和二級處理。預處理系統(tǒng)包括格柵和曝氣沉砂池。格柵部分有8臺網(wǎng)眼為19 mm的格柵機(外加2臺備用)，總處理能力為378.5萬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m3/d。強化一級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，停留時間約為2 h。二級處理主要采用純氧曝氣活性污泥法，共設(shè)有9個反應模塊，單個反應模塊的處理能力為18.9萬m3/d，該廠共有36個處理能力為11.4萬m3/d的圓形二沉池。

二級處理出水中約有4.2萬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m3/d將輸送到西貝森污水處理廠(West Basin Water Reclamation Plant)進行深度處理，根據(jù)再生水的用途采用微濾(MF)和反滲透(RO)工藝處理[6]。

2.1.2 污泥處理工藝

亥伯龍污水處理廠預處理與強化一級處理過程中產(chǎn)生的可生化性較差的固體在脫水后進行填埋，二級處理過程中產(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顆粒產(chǎn)品，運送到農(nóng)場作為肥料。

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)[6]。

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)計日均處理量為170.3萬m3/d，而實際運行中污水處理量僅為95.8萬m3/d，主要原因為洛杉磯市政府自1985年開始推廣節(jié)水項目[6]。

2.3 出水指標與運行狀況

亥伯龍污水處理廠的處理尾水可由兩個排放口進行排放——排放口001與排放口002。排放點001也被稱作“1英里排放口”，排放管道直徑為3.7 m，長度約1.6 km，走向為污水處理廠西-西南向，位于海平面下方15 m；排放點002也被稱作“5英里排放口”，排放管道直徑為3.7 m，長度為8.1 km，走向為污水處理廠西-西南向，位于海平面下方57 m，排放管道末端有Y型擴散器，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(表2)，而排放口001在進廠水量超出二級處理能力、排放水量超出排放口002的排放能力、排放口002檢修維護等特殊情況下，向當?shù)丨h(huán)保部門通報并許可后才能使用。

除上述濃度指標外，該廠BOD5與SS去除率還需高于85%，對每日水樣的生物毒性也有所要求。此外，對各類重金屬、有機物(包括農(nóng)藥、殺蟲劑等)指標根據(jù)污水處理廠運行效果設(shè)置了尾水目標濃度[6]。

表2 亥伯龍污水處理廠主要出水指標標準與實際處理尾水水質(zhì)(排放口002)Tab.2 Discharge Standard and Actual Tail Water Quality at Outfall 002 of Hyperion Water Reclamation Plant

注：a數(shù)據(jù)來源于該廠2010～2015運行數(shù)據(jù)中的最大月均值

2.4 升級改造與發(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，按照對洛杉磯市人口增長的預估，該市污水處理廠的處理規(guī)模將無法應對2020年后的進廠污水水量，因此洛杉磯環(huán)境衛(wèi)生局考慮對已建成的污水處理廠進行規(guī)模擴增。經(jīng)過多個污水處理廠規(guī)模擴增方案的對比分析，亥伯龍污水處理廠擴建工程的經(jīng)濟性與其他方案相比略輸一籌，因而該廠近期無擴建計劃。

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期將更加注重尾水的深度處理，提高回用水水量，減小對水環(huán)境的影響[7]。

3 總結(jié)與建議

在特大型污水處理廠運營方面，美國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)的運營、維護經(jīng)驗。通過引進計算機系統(tǒng)為污水處理廠的運行和管理提供輔助，提高人員的工作效率，實現(xiàn)工藝優(yōu)化，使得出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

面對運行壓力大、負荷率高、環(huán)保標準提升等問題，國內(nèi)特大型污水處理廠的規(guī)模提升與提標改造十分必要。特大型污水處理廠擴建規(guī)模的確定建議與城市發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，透徹分析擴建規(guī)模需求，從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等多角度評估可行方案，同時確保污水處理廠擴建規(guī)模在經(jīng)濟上和環(huán)境影響上的平衡。在項目短期規(guī)劃的同時，也從長期角度考慮，分期建設(shè)達到目標。特大型污水處理廠遠期發(fā)展上進一步考慮臭味控制、污泥處置、能源利用和尾水深度處理等設(shè)備優(yōu)化升級方向。污水處理廠內(nèi)可通過增設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施應對雨季峰值流量，建立雨季管理預案，應對雨季流量。