來源：凈水技術(微信號:sh_jsjs)

宋姍姍1，姚 杰2，陳 廣2，周新宇1，馬 艷1

（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和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了相當長的時間，截至2017年底，全美共有14 748座污水處理廠，其中設計處理能力超過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，并在社會和經(jīng)濟上取得了一定效益。

我國污水治理則在起步晚、基礎差、要求高的嚴峻形勢下迅速發(fā)展。近年來，隨著國家和地方政府對污水處理廠建設投資力度的增大，政策法規(guī)和標準體系的健全，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)累計建成運行的污水處理廠有4 119座，污水處理能力達1.82億m3/d。目前我國設計處理能力超過50萬m3/d的污水處理廠有16座，其中設計處理能力超100萬m3/d的特大型污水處理廠有4座。

針對美國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廠升級改造工程的規(guī)模設計、雨季運營和日常運行維護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月開始正式運行，初期設計服務240萬人，采用一級處理工藝，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60年代開始引入二級處理工藝，現(xiàn)階段服務人口達到300萬，服務面積超過2 450 km2。

圖1 底特律污水處理廠鳥瞰圖

1.1.1 污水處理工藝

該廠的污水處理工藝包括預處理和生物處理，進水經(jīng)過設計處理能力為645萬m3/d的初級處理系統(tǒng)后投加氯化鐵除磷，再進入設計處理能力為352萬m3/d的二級處理系統(tǒng)，二級處理工藝為純氧曝氣活性污泥法，最后經(jīng)過加濾消毒、脫氯處理后排放�，F(xiàn)有的主要構筑物包括12座矩形澄清池、6座圓形澄清池、4座純氧活性污泥反應池和25座二沉池。

1.1.2 污泥處理工藝

該廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)過重力濃縮后進入離心機和帶式壓濾機進行脫水，脫水后的污泥一部分進行焚燒，另一部分加入石灰后填埋。

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（DWSD，Detroit Water and Sewerage Department）負責。供水服務系統(tǒng)總面積達2 795km2，日均供水量為231萬m3/d；排水系統(tǒng)服務總面積為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行處理，日均處理量為246萬m3/d。

1.3

雨季運營策略

如圖2所示，底特律污水處理廠的尾水排放口共有三個，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，排放口049主要承擔完全處理后尾水的排放。雨季時，當污水水量超出底特律污水處理廠最大二級處理能力（352萬m3/d），而未達到其最大一級處理能力（645萬m3/d），即污水處理量在352萬~645萬m3/d之間時，對超出二級處理能力部分的污水進行一級處理后超越，在排放口049水力負荷能承受的情況下，經(jīng)消毒、脫氯后通過排放口049排出。當污水水量超出其最大一級處理能力，或尾水排放量超出排放口049的水力負荷，則通過排放口050排出，排放口050排放尾水暫未設消毒。預計2019年后排放口050將被新建排放口084取代，屆時尾水經(jīng)排放口084排放前將進行消毒、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）。

圖2 底特律污水處理廠尾水排放示意圖

1.4

出水指標

如圖2所示，該廠的尾水排放共設有5個水質(zhì)監(jiān)測點，分別為049A、049B、049F、050A和084A。其中，監(jiān)測點049A監(jiān)測雨季未經(jīng)二級處理的尾水水質(zhì)，049B監(jiān)測經(jīng)污水處理廠完全處理后的尾水水質(zhì)，049F監(jiān)測049A與049B的混合水質(zhì)，050A監(jiān)測雨季未經(jīng)二級處理且由排放口050排放的尾水水質(zhì)。許可證對每個監(jiān)測點控制的污染物類別和限值不盡相同。此外，不同水質(zhì)項目對30日平均值、7日平均值和瞬時值也有不同要求，主要監(jiān)測項目的限值以30日平均值和7日平均值為主。

許可證對雨季一級處理超越部分的水質(zhì)監(jiān)測點049A的主要日常監(jiān)測項目如表1所示。除此以外，還須每日向環(huán)境質(zhì)量部上報處理水量及CBOD5、TSS、TP、氨氮和總汞的濃度，每月上報氨氮的30日平均濃度及總汞的30日平均濃度和負荷。

對于二級處理后尾水的水質(zhì)監(jiān)測點049B，排放許可證不僅對尾水污染物的濃度進行控制，對水體造成的污染物負荷也有限制。其污染物控制指標及排放限值如表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)量部門報告監(jiān)測點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、總汞濃度及負荷的日平均值。

表2 監(jiān)測點049B的出水污染物排放限值

監(jiān)測點049F作為049B與049A混合出水的水質(zhì)監(jiān)測點，監(jiān)測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和排放限值如表3所示。除上述主要的監(jiān)測指標外，對049F處理尾水的監(jiān)測和上報項目還包括急性毒性、CBOD5、氨氮、氰化物、總銅及溶解氧等。

表3 監(jiān)測點049F的出水污染物排放限值

監(jiān)測點050A出水的水質(zhì)監(jiān)測指標和排放限值如表4所示。此外還須監(jiān)測和上報總銅等指標。

表4 監(jiān)測點050A的出水污染物排放限值

當進廠水量超出二級處理能力，甚至超出一級處理能力時，相關監(jiān)測點的水質(zhì)指標限值相對放寬，主要體現(xiàn)在監(jiān)控點049A和050A的監(jiān)測指標上，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，同時監(jiān)測項目的數(shù)量減少。

1.5

運行維護經(jīng)驗

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。為避免超標排放的再次發(fā)生，底特律污水處理廠對設備進行了大范圍更新和維護。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標的整改計劃，以保證近期和遠期的污泥脫水、運輸、清理能力，同時要求其采取合理的工藝維護、人事安排、設備改建及采購等方面的管理手段。底特律污水處理廠據(jù)此制定了設備維護計劃，通過分析污水處理廠設備的運行狀態(tài)，制定合理的目標處理效果，在預算范圍內(nèi)確定達成該處理效果的最佳方案。

1.6

升級改造與發(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長期控制計劃，內(nèi)容包括新建兩座68.1萬m3的初沉池和增加進水泵數(shù)量，以提高一級處理能力；沿底特律河及胭脂河岸建設9座CSOs調(diào)蓄設施，部分設施具備過濾、消毒能力，可削減CSOs排放量。

根據(jù)DWSD對排水系統(tǒng)未來服務人口、服務面積和污水水量的預測，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年暫無擴建計劃。

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部分，西廠于1930年建成投入運行，僅具有對全廠40%的污水進行初級處理的能力。1935年開始在西廠的西南側(cè)建設以活性污泥法為主要處理工藝的西南污水處理廠，并于1939年正式投入運行，能夠?qū)θ珡S60%的污水進行初級處理，同時對全廠的污水進行二級處理。經(jīng)過1949年和1975年的兩次擴建，斯蒂克尼污水處理廠形成了現(xiàn)有的455萬m3/d的二級處理規(guī)模。

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個社區(qū)的合流制污水收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)服務人口數(shù)量約230萬，服務區(qū)域面積約673.4 km2。進水中工業(yè)廢水的水量約占全部處理量的7.4%。

圖3 斯蒂克尼污水處理廠鳥瞰圖

2.1.1 污水處理工藝

斯蒂克尼污水處理廠設計日均處理量為455萬m3/d，設計最大處理量為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。

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

進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，隨后進入重力沉淀池進行沉淀，處理出水和由西廠匯入的初級處理出水一起進入四通道曝氣池（每條通道尺寸為132.3 m×10.4 m×4.6 m）進行二級處理，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)生與航行運河。

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)鐵路運輸至約9 km遠的固體處理區(qū)進行離心、風干等處理，在固體濃度達到60%~70%后的產(chǎn)物與木屑混合，可用于高爾夫球場和生產(chǎn)草皮等。

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600萬人，供水量為378.5萬m3/d；排水系統(tǒng)服務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（MWRD，Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago）曾對比分析當?shù)?家污水處理廠的運行成本，結(jié)果表明規(guī)模較大的污水處理廠平均運行成本低于規(guī)模較小的污水處理廠。

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)常超負荷運行，迫使未經(jīng)處理的污水流入河道。因此，在20世紀70年代初期，市政當局提出隧道與水庫計劃（Tunnel and Reservoir Plan，TARP），該計劃包括建設一條160 km長的深層隧道及3座大型調(diào)蓄設施（如圖4所示），總調(diào)蓄規(guī)模達7 779.0萬m3。該計劃工程分為兩期進行，經(jīng)過25年的施工，一期建設已經(jīng)完成，二期建設將于2029年完成。隨著TARP的建設完成，斯蒂克尼污水處理廠雨季進廠水量經(jīng)過調(diào)蓄設施的峰值削減將趨于平穩(wěn)。

圖4 大芝加哥地區(qū)隧道與水庫計劃

2.3

出水指標與運行狀況

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)生與航行運河，其主要污染排放指標與濃度限值，以及排放口001的實際水質(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限值與實際出水水質(zhì)情況

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

該廠須對所有接收的旱季污水和初期雨水進行處理。雨季情況下，當進廠流量少于旱季平均流量的十倍時，所有進廠污水需經(jīng)過二級處理；當進廠流量高于旱季平均流量的十倍時，超出的流量至少須經(jīng)過一級處理，由指定CSOs排放口排放。

2.4

升級改造與發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)伊利諾伊州東北規(guī)劃委員會（Northeastern Illinois Planning Commission）的預估，2000年至2040年間，斯蒂克尼污水處理廠服務區(qū)域的人口增長約為17%，服務人口的增長帶來的污水水量增加幅度仍在該廠的設計規(guī)模之內(nèi)。該廠平均處理水量因TARP的逐步完成預計略有增加，但仍低于設計處理量，因此該廠暫無擴建計劃。

斯蒂克尼污水處理廠近期的設備優(yōu)化項目計劃將西廠初級處理系統(tǒng)中于1930年開始投入使用的雙層沉淀池替換為直徑48.8 m的圓形沉淀池，并建設曝氣沉砂池。遠期將注重廠內(nèi)設施的升級改造和工藝優(yōu)化，減少能源消耗，目標在2023年實現(xiàn)污水處理能耗的自給自足，同時將更加側(cè)重于臭味的控制。

3

總結(jié)與建議

針對不同的氣候環(huán)境特征及發(fā)展規(guī)劃目標，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、近期與遠期處理規(guī)模平衡、污染指標監(jiān)測及報告等方面發(fā)展出了符合當?shù)貙嶋H情況的運行模式，為我國特大型污水處理廠今后的發(fā)展需求和運行管理提供參考。

面對運行壓力大、負荷率高、環(huán)保標準提升等問題，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)模的確定建議應與城市發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，透徹分析擴建規(guī)模需求，從技術、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，分期建設達到目標。

我國的特大型污水處理廠在遠期發(fā)展上應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備優(yōu)化升級方向。污水處理廠內(nèi)可通過增設雨水調(diào)蓄設施應對雨季峰值流量，建立雨季管理預案，應對雨季流量。

編輯扎記

美國是特大型污水處理廠相對集中的國家之一，在特大型污水廠的運維方面已具備相對成熟的經(jīng)驗。隨著我國環(huán)境生態(tài)要求的不斷提高，污水處理行業(yè)的重心也將逐漸從建設轉(zhuǎn)向優(yōu)化和管理。通過學習他山之玉，求同存異，以期快速發(fā)展。

推薦參考

宋姍姍,姚杰,陳廣,等.美國特大型污水處理廠處理規(guī)模和運行維護案例分析：底特律污水處理廠和斯蒂克尼污水處理廠[J].凈水技術,2018,37(6):8-15.

Song Shanshan, Yao Jie, Chen Guang, et al. Case study on capacity, operation and maintenance of extra-large WWTPs in USA: Detroit Wastewater Treatment Plant and Stickney Water Reclamation Plant[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(6):8-15.