美国特大型污水处理厂处理规模和运行维护案例分析——底特律污水处理厂和斯蒂克尼污水处理厂

宋姗姗，姚 杰，陈 广，周新宇，马 艳

(1.上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082；2.上海城投污水处理有限公司，上海 201203)

美国污水处理厂的建设和发展已经经历了相当长的时间，截至2017年底，全美共有14 748座污水处理厂，其中设计处理能力超过100万m3/d的污水处理厂有6座，在水污染控制方面已颇具成效，在社会和经济上也取得了一定的效益[1]。

我国的污水治理在起步晚、基础差、要求高的严峻形势下迅速发展。近年来，随着国家和地方政府对污水处理厂建设投资力度的增大，政策法规和标准体系的健全，城镇污水处理厂的数量和处理能力大幅上升。截至2017年12月，全国城镇累计建成运行的污水处理厂有4 119座，污水处理能力达1.82亿m3/d[2]。目前我国设计处理能力超过50万m3/d的污水处理厂有16座，其中设计处理能力超100万m3/d的特大型污水处理厂有4座[3]。

针对美国2座处理规模超100万m3/d的特大型污水处理厂——底特律污水处理厂(Detroit Wastewater Treatment Plant)和斯蒂克尼污水处理厂(Stickney Water Reclamation Plant)，本文对其处理规模、运行维护经验进行梳理，旨在为我国特大型污水厂升级改造工程的规模设计、雨季运营和日常运行维护提供可借鉴和参考的信息。

1 底特律污水处理厂

1.1 工程概况

底特律污水处理厂(图1)位于美国底特律市西南端，毗邻底特律河和胭脂河，总占地面积约0.53 km2。该厂于1940年2月开始正式运行，初期设计服务240万人，采用一级处理工艺，投资成本近1 132万美元，是美国最大的污水处理厂之一。20世纪60年代开始引入二级处理工艺，现阶段服务人口达到300万，服务面积超过2 450 km2[4]。

图1 底特律污水处理厂鸟瞰图Fig.1 Bird’s Eye View of Detroit Wastewater Treatment Plant

1.1.1 污水处理工艺

该厂的污水处理工艺包括预处理和生物处理，进水经过设计处理能力为645万m3/d的初级处理系统后投加氯化铁除磷，再进入设计处理能力为352万m3/d的二级处理系统，二级处理工艺为纯氧曝气活性污泥法，最后经过加氯消毒、脱氯处理后排放。现有的主要构筑物包括12座矩形澄清池、6座圆形澄清池、4座纯氧活性污泥反应池和25座二沉池[4-5]。

1.1.2 污泥处理工艺

该厂产生的污泥经过重力浓缩后进入离心机和带式压滤机进行脱水，脱水后的污泥一部分进行焚烧，另一部分加入石灰后填埋[4-5]。

1.2 处理规模分析

美国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)负责。供水服务系统总面积达2 795 km2，日均供水量为231万m3/d；排水系统服务总面积为2 450 km2，排水体系为合流制，收集污水全由底特律污水处理厂进行处理，日均处理量为246万m3/d[4]。

1.3 雨季运营策略

如图2所示，底特律污水处理厂的尾水排放口共有三个，分别为排放口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。

旱季时，排放口049主要承担完全处理后尾水的排放。雨季时，当污水水量超出底特律污水处理厂最大二级处理能力(352万m3/d)，而未达到其最大一级处理能力(645万m3/d)，即污水处理量在352万～645万m3/d时，对超出二级处理能力部分的污水进行一级处理后超越，在排放口049水力负荷能承受的情况下，经消毒、脱氯后通过排放口049排出。当污水水量超出其最大一级处理能力，或尾水排放量超出排放口049的水力负荷，则通过排放口050排出，排放口050排放尾水暂未设消毒。预计2019年后，排放口050将被新建排放口084取代，届时尾水经排放口084排放前将进行消毒、脱氯。该方案经底特律环境质量部(Department of Environmental Quality)许可并颁发排放许可证(NPDES Permit)[5]。

图2 底特律污水处理厂尾水排放示意图Fig.2 Schematic Diagram of Detroit Wastwater Treatment Plant Outfalls

1.4 出水指标

如图2所示，该厂的尾水排放共设有5个水质监测点，分别为049A、049B、049F、050A和084A。其中，监测点049A监测雨季未经二级处理的尾水水质，049B监测经污水处理厂完全处理后的尾水水质，049F监测049A与049B的混合水质，050A监测雨季未经二级处理且由排放口050排放的尾水水质。许可证对每个监测点控制的污染物类别和限值不尽相同。此外，不同水质项目对30日平均值、7日平均值和瞬时值也有不同要求，主要监测项目的限值以30日平均值和7日平均值为主。

许可证对雨季一级处理超越部分的水质监测点049A的主要日常监测项目如表1所示。除此以外，还须每日向环境质量部上报处理水量及CBOD5、TSS、TP、氨氮和总汞的浓度，每月上报氨氮的30日平均浓度及总汞的30日平均浓度和负荷。

表1 监测点049A的出水污染物排放限值

a注：污染浓度及负荷限值均为30日平均值

b注：总汞的30日平均浓度限值和负荷限值为12个月的滚动均值，即当月结果与前11个月结果的平均值

对于二级处理后尾水的水质监测点049B，排放许可证不仅对尾水污染物的浓度进行控制，对水体造成的污染物负荷也有限制，其污染物控制指标及排放限值如表2所示。除上述许可证规定的污染物排放限值外，底特律污水处理厂还须向环境质量部门报告监测点049B每日的处理水量、CBOD5浓度、TP浓度、氨氮浓度、总汞浓度等数据，以及每月水量、氨氮浓度、总汞浓度及负荷的日平均值。

表2 监测点049B的出水污染物排放限值

a注：括号内为蓝藻暴发期(4月～9月)的TP均值

b注：总汞的30日平均浓度限值和负荷限值为12个月的滚动均值，即当月结果与前11个月结果的平均值

监测点049F作为049B与049A混合出水的水质监测点，监测底特律污水处理厂大部分处理尾水的水质，其主要的污染物控制指标和排放限值如表3所示。除上述主要的监测指标外，对049F处理尾水的监测和上报项目还包括急性毒性、CBOD5、氨氮、氰化物、总铜及溶解氧等。

表3 监测点049F的出水污染物排放限值

a注：污染负荷限值均为30日平均值

监测点050A出水的水质监测指标和排放限值如表4所示。此外还须监测和上报总铜等指标。

表4 监测点050A的出水污染物排放限值

a注：污染负荷限值均为30日平均值

当进厂水量超出二级处理能力，甚至超出一级处理能力时，相关监测点的水质指标限值相对放宽，主要体现在监控点049A和050A的监测指标上，CBOD5的30日平均值放宽至40 mg/L，TSS的30日平均值放宽至70 mg/L，总磷的30日平均值放宽至1.5 mg/L，同时监测项目的数量减少[5]。

1.5 运行维护经验

过去35年间，底特律污水处理厂曾有多次违反许可证规定的记录，原因主要在于污泥处置能力不足以及排放尾水TSS超标。为避免超标排放的再次发生，底特律污水处理厂对设备进行了大范围更新和维护。此外，环境质量部要求底特律污水处理厂制定能令处理效果长期达标的整改计划，以保证近期和远期的污泥脱水、运输、清理能力，同时要求其采取合理的工艺维护、人事安排、设备改建及采购等方面的管理手段。底特律污水处理厂据此制定了设备维护计划，通过分析污水处理厂设备的运行状态，制定合理的目标处理效果，在预算范围内确定达成该处理效果的最佳方案[5]。

1.6 升级改造与发展规划

为更好地控制合流制排水污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)，底特律污水处理厂制定了CSOs长期控制计划，内容包括新建两座68.1万m3的初沉池和增加进水泵数量，以提高一级处理能力；沿底特律河及胭脂河岸建设9座CSOs调蓄设施，部分设施具备过滤、消毒能力，可削减CSOs排放量。

根据DWSD对排水系统未来服务人口、服务面积和污水水量的预测，底特律污水处理厂的污水处理能力基本能够满足发展需求，底特律污水处理厂至2030年暂无扩建计划[6]。

2 斯蒂克尼污水处理厂

2.1 工程概况

斯蒂克尼污水处理厂(图3)位于美国芝加哥西南部，建于芝加哥环境卫生和航行运河(Chicago Sanitary and Ship Canal)沿岸，占地1.67 km2。该厂分为西厂和西南厂两个部分，西厂于1930年建成投入运行，仅具有对全厂40%的污水进行初级处理的能力。1935年开始在西厂的西南侧建设以活性污泥法为主要处理工艺的西南污水处理厂，并于1939年正式投入运行，能够对全厂60%的污水进行初级处理，同时对全厂的污水进行二级处理。经过1949年和1975年的两次扩建，斯蒂克尼污水处理厂形成了现有的455万m3/d的二级处理规模。

图3 斯蒂克尼污水处理厂鸟瞰图Fig.3 Bird’s Eye View of Stickney Water Reclamation Plant

斯蒂克尼污水处理厂处理的污水包括市政污水和少部分工业废水。市政污水主要来自芝加哥中心城区以及周边46个社区的合流制污水收集系统，该系统现服务人口数量约230万，服务区域面积约673.4 km2。进水中工业废水的水量约占全部处理量的7.4%[7-8]。

2.1.1 污水处理工艺

斯蒂克尼污水处理厂设计日均处理量为455万m3/d，设计最大处理量为545.1万m3/d，处理全过程需要约12 h。2017年日均处理量为256.3万m3/d。

进入西厂的污水首先经过粗格栅、细格栅过滤，再由撇渣池除去浮沫和油脂，随后进入双层沉淀池进行沉淀，最后进入西南厂进行二级处理。

进入西南厂的污水首先经过粗格栅过滤，再由曝气沉砂池去除浮渣，随后进入重力沉淀池进行沉淀，处理出水和由西厂汇入的初级处理出水一起进入四通道曝气池(每条通道尺寸为132.3 m×10.4 m×4.6 m)进行二级处理，流入二次沉淀池(直径为38.4 m，边缘深度为4.3 m)后排至芝加哥环境卫生与航行运河[8]。

2.1.2 污泥处理工艺

斯蒂克尼污水处理厂的污泥处理工艺包括重力浓缩、离心脱水和厌氧消化等环节。污泥经过上述处理流程后，固体浓度提高约25%～30%，随后由厂内铁路运输至约9 km远的固体处理区进行离心、风干等处理，在固体浓度达到60%～70%后的产物与木屑混合，可用于高尔夫球场和生产草皮等[8]。

2.2 处理规模分析

美国芝加哥市的供排水系统都属于大芝加哥供排水体系，该体系供水系统服务600万人，供水量为378.5万m3/d；排水系统服务500万人，系统污水处理量为466.0万m3/d。排水体制为合流制，排水系统共划分为7个区域，终端分别为规模不同的7家污水处理厂，斯蒂克尼污水处理厂是其中规模最大的一家。大芝加哥污水处理部门(Metropolitan Water Reclamation District of Greater Chicago，MWRD)曾对比分析当地5家污水处理厂的运行成本，结果表明规模较大的污水处理厂平均运行成本低于规模较小的污水处理厂[9]。

随着城市发展，芝加哥市及其周边地区排水系统的合流制污水溢流量增加，污水处理厂在雨季经常超负荷运行，迫使未经处理的污水流入河道。因此，在20世纪70年代初期，市政当局提出隧道与水库计划(Tunnel and Reservoir Plan，TARP)，该计划包括建设一条160 km长的深层隧道及3座大型调蓄设施(图4)，总调蓄规模达7 779.0万m3。该计划工程分为两期进行，经过25年的施工，一期建设已经完成，二期建设将于2029年完成。随着TARP的建设完成，斯蒂克尼污水处理厂雨季进厂水量经过调蓄设施的峰值削减将趋于平稳[8]。

图4 大芝加哥地区隧道与水库计划Fig.4 The Tunnel and Reservoir Plan of Greater Chicago

2.3 出水指标与运行状况

斯蒂克尼污水处理厂的处理尾水通过排放口001排放至芝加哥环境卫生与航行运河，其主要污染排放指标与浓度限值，以及排放口001的实际水质状况如表5所示。

表5 斯蒂克尼污水处理厂主要污染指标限值与实际出水水质情况

a注：实际水质的CBOD5、SS、氨氮、TP为2017年全年均值，溶解氧和pH值为2017年全年范围，数据来自MWRD官方网站[10]

b注：括号外的污染负荷限值根据设计平均水量及浓度限值计算得到，括号内限值根据设计最大水量及浓度限值计算得到

除上述主要出水水质指标外，监控的水质指标还包括硬度、镉、TN、DO、生物急性毒性等。

该厂须对所有接收的旱季污水和初期雨水进行处理。雨季情况下，当进厂流量少于旱季平均流量的十倍时，所有进厂污水需经过二级处理；当进厂流量高于旱季平均流量的十倍时，超出的流量至少须经过一级处理，由指定CSOs排放口排放[8-9]。

2.4 升级改造与发展规划

根据伊利诺伊州东北规划委员会(Northeastern Illinois Planning Commission)的预估，2000年～2040年，斯蒂克尼污水处理厂服务区域的人口增长约为17%，服务人口的增长带来的污水水量增加幅度仍在该厂的设计规模之内。该厂平均处理水量因TARP的逐步完成预计略有增加，但仍低于设计处理量，因此该厂暂无扩建计划。

斯蒂克尼污水处理厂近期的设备优化项目计划将西厂初级处理系统中于1930年开始投入使用的双层沉淀池替换为直径为48.8 m的圆形沉淀池，并建设曝气沉砂池。远期将注重厂内设施的升级改造和工艺优化，减少能源消耗，目标在2023年实现污水处理能耗的自给自足，同时将更加侧重于臭味的控制[8]。

3 结论与建议

针对不同的气候环境特征及发展规划目标，美国底特律污水处理厂与斯蒂克尼污水处理厂在旱季与雨季污水处理工艺切换、近期与远期处理规模平衡、污染指标监测及报告等方面发展出了符合当地实际情况的运行模式，为我国特大型污水处理厂今后的发展需求和运行管理提供参考。

面对运行压力大、负荷率高、环保标准提升等问题，特大型污水处理厂的规模提升与提标改造十分必要。特大型污水处理厂扩建规模的确定建议应与城市发展规划相结合，透彻分析扩建规模需求，从技术、经济、环境等多角度评估可行方案，同时确保污水处理厂扩建规模在经济上和环境影响上的平衡。在项目短期规划的同时，也从长期角度考虑，分期建设达到目标。

我国的特大型污水处理厂在远期发展上应进一步考虑臭味控制、污泥处置、能源利用和尾水深度处理等设备优化升级方向。污水处理厂内可通过增设雨水调蓄设施应对雨季峰值流量，建立雨季管理预案，应对雨季流量。

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

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.住房城乡建设部关于2017年第四季度全国城镇污水处理设施建设和运行情况的通报[EB/OL].(2018-01-25)[2018-05-10].http://www.jhjsj.gov.cn/xwzx/tzgg/201804/P020180404624622091855.pdf.

[3]中华人民共和国生态环境部.全国投运城镇污水处理设施清单[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.美国Stickney污水处理厂[J].给水排水,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.