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小編導讀
我國特大型污水處理廠存在運行壓力大、負荷率高、運行管理難度大等問題。同時，隨著環保標準的提高，污水處理廠需應對工程擴建和提標改造，其擴建規模的確定需要兼顧經濟、社會和環境效益。美國已有幾座建設與運行相對較長時間的特大型污水處理廠，其運行效果較為穩定，具有一定的借鑒價值。本文對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模、運行維護經驗等進行梳理，為我國特大型污水處理廠今后的發展需求和運行管理提供參考。
美國污水處理廠的建設和發展已經經歷了相當長的時間，在水污染控制方面已頗具成效，并在社會和經濟上取得了一定效益。在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廠成熟的運行管理模式。現對美國另兩座處理規模超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，對其處理規模、運行維護經驗進行梳理，旨在為我國特大型污水廠升級改造工程的規模設計、雨季運營和日常運行維護提供可借鑒和參考的信息。
1
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，建設工程全部完工。該廠現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個社區分流制污水收集系統的市政污水和工業污水，設計最大處理量為492萬m3/d，設計日均處理量為141萬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，進水經過提升泵站從深層隧道提升后分別經過沉砂池和初沉池，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5 299.6m3的初沉池（56.7 m×12.5 m×7.3 m），純氧供應量為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。
1.1.2 污泥處理工藝
由一級處理系統產生的污泥和浮渣采用重力濃縮，由二級處理系統產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。經過厭氧消化的污泥體積大大減小，通過島內的隧道運送到造粒廠，進一步加工制成農業化肥，每日產量為75 t。消化過程中產生的沼氣用于熱電聯產，發電用于污水處理廠運行，余熱用于辦公室取暖和設備加熱等。
1.2
處理規模分析
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共250萬人口的供水和排水系統服務，老城區排水體制以合流制為主，周邊社區排水體制則以分流制為主。排水系統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MWRA統計，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，1~6月的月均進廠污水水量明顯高于7~12月。
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，達到了規模經濟效益。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，該廠的能耗和化學試劑投加量明顯降低。
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施；調整二級處理的工藝參數；調整消毒劑投加量等。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。
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。旱季處理尾水水質的主要濃度指標及處理尾水的實際水質情況如表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
除上述指標外，針對處理尾水未設置具體的濃度限值，但需進行監控的指標包括SS、汞、氨氮、凱氏氮、硝態氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、農藥/殺蟲劑（包括：氯丹、DDT、狄氏劑、七氯、艾氏劑、環氧七氯）、砷、苯酚、VOCS等。
1.5
運行維護經驗
鹿島污水處理廠建廠伊始就著手設計輔助污水處理廠運行和維護的計算機系統。輔助運行的計算機系統包括工藝信息控制系統（process information control system，PICS）和運行管理系統（operation management system，OMS）。PICS提供全廠的實時工藝數據（包括處理系統狀態、流量等），OMS則根據實驗室測試數據對PICS數據進行校準，從而跟蹤、分析全廠運行狀態，保證出水負荷符合美國EPA和其他部門的有關環保標準，同時優化處理成本。輔助維護管理的計算機系統則采用Maximo系統。該廠的長期維護策略是改善廠房設備狀況，必要時對設備進行檢修和更換。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代計算機系統，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年開始運行，歷經1950年、1985年兩次大規模的擴建改造，達到378.5萬m3/h的處理能力，現由洛杉磯市公共事務部衛生工程局管理。該廠服務面積為1 551 km3，服務人口400萬人，污水主要來源于洛杉磯市分流制系統的市政污水、一萬多家工商企業排放的工業/商業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處理、強化一級處理和二級處理。預處理系統包括格柵和曝氣沉砂池。格柵部分有8臺網眼為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將經過過濾、消毒用于設備的冷凝和沖洗，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處理與強化一級處理過程中產生的可生化性較差的固體在脫水后進行填埋，二級處理過程中產生的剩余污泥則經污泥濃縮、高溫厭氧消化、離心脫水后加工為有機顆粒產品，運送到農場作為肥料。
高溫厭氧消化過程中產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電廠（Scattergood Steam Plant）。
2.2
處理規模分析
2015年洛杉磯供水系統的日均供水量為173.4萬m3/d。排水系統采用分流制，分為2塊污水收集管線系統，全市共有4家處理規模不等的污水處理廠，旱季總處理能力為220萬m3/d，其中規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年開始推廣節水項目。
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，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，向當地環保部門通報并許可后才能使用。
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（排放口002）
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（包括農藥、殺蟲劑等）指標根據污水處理廠運行效果設置了尾水目標濃度。
2.4
升級改造與發展規劃
據洛杉磯環境衛生局（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模將無法應對2020年后的進廠污水水量，因此洛杉磯環境衛生局考慮對已建成的污水處理廠進行規模擴增。經過多個污水處理廠規模擴增方案的對比分析，亥伯龍污水處理廠擴建工程的經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，減小對水環境的影響。
3
總結與建議
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的運營、維護經驗。通過引進計算機系統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，實現工藝優化，使得出水水質穩定達標。
面對運行壓力大、負荷率高、環保標準提升等問題，國內特大型污水處理廠的規模提升與提標改造十分必要。特大型污水處理廠擴建規模的確定建議與城市發展規劃相結合，透徹分析擴建規模需求，從技術、經濟、環境等多角度評估可行方案，同時確保污水處理廠擴建規模在經濟上和環境影響上的平衡。在項目短期規劃的同時，也從長期角度考慮，分期建設達到目標。特大型污水處理廠遠期發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備優化升級方向。污水處理廠內可通過增設雨水調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。
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[J].凈水技術,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.
