美国特大型污水处理厂处理规模和运行维护案例分析：鹿岛污水处理厂和亥伯龙污水处理厂

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，在水污染控制方面已颇具成效，并在社会和经济上取得了一定效益。往期介绍了美国底特律污水处理厂和斯蒂克尼污水处理厂两座特大型污水处理厂成熟的运行管理模式[1]。现对美国另两座处理规模超100万m3/d的特大型污水处理厂——鹿岛污水处理厂(Deer Island Sewage Treatment Plant)和亥伯龙污水处理厂(Hyperion Water Reclamation Plant)进行分析介绍，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处理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 鹿岛污水处理厂

1.1 工程概况

鹿岛污水处理厂位于波士顿港，投资逾38亿美元，于1995年开始部分投入运行，初期仅进行初级处理，二级处理工艺于1997年起正式投入使用，2000年随着处理尾水排放管渠的建成，建设工程全部完工。该厂现由马萨诸塞州水资源局管理，处理污水主要来自于波士顿及周边43个社区分流制污水收集系统的市政污水和工业污水，设计最大处理量为492万m3/d，设计日均处理量为141万m3/d[2](图1)。

图1 鹿岛污水处理厂俯瞰图Fig.1 Overlook of Deer Island Sewage Treatment Plant

1.1.1 污水处理工艺

该厂污水处理采用纯氧曝气活性污泥工艺，进水经过提升泵站从深层隧道提升后分别经过沉砂池和初沉池，再进入纯氧曝气池进行二级处理，随后分别通过投加次氯酸钠和亚硫酸氢钠进行消毒和脱氯，最后通过处理尾水排放管渠排放至马萨诸塞港。该厂有48座体积为5 299.6 m3的初沉池(56.7 m×12.5 m×7.3 m)，纯氧供应量为130～220 t/d，54座体积为5 148.2 m3的二沉池，2座容积为151.4万m3的消毒池。处理尾水排放管渠位于海平面下30.5 m，长15.3 km，直径为7.3 m，管渠上分布着50个单独的排放管道，每个排放管有8个小孔，确保处理尾水与海水混合均匀，从而得到有效稀释[2]。

1.1.2 污泥处理工艺

由一级处理系统产生的污泥和浮渣采用重力浓缩，由二级处理系统产生的污泥和浮渣采用离心浓缩。离心浓缩过程中投加聚合物，提高浓缩效率。浓缩后污泥由12座蛋形消化器进行厌氧消化，每座消化器直径27.5 m，高42.7 m。经过厌氧消化的污泥体积大大减小，通过岛内的隧道运送到造粒厂，进一步加工制成农业化肥，每日产量为75 t。消化过程中产生的沼气用于热电联产，发电用于污水处理厂运行，余热用于办公室取暖和设备加热等[2]。

1.2 处理规模分析

马萨诸塞州水资源管理局(Massachusetts Water Resources Authority，MWRA)负责波士顿及周边社区共250万人口的供水和排水系统服务，老城区排水体制以合流制为主，周边社区排水体制则以分流制为主。排水系统收集的污水由鹿岛污水处理厂和克林顿污水处理厂(Clinton Wastewater Treatment Plant)进行处理。据MWRA统计，2016年该市原水需求量为79.1万m3/d，自来水销售量为76.1万m3/d，污水产生量为107.5万m3/d，而鹿岛污水处理厂的日均处理量为98.8万m3/d，1月～6月的月均进厂污水水量明显高于7月～12月[3]。

自1998年鹿岛污水处理厂与坚果岛污水处理厂(Nut Island Sewage Treatment Plant)合并后，鹿岛污水处理厂的处理成本明显降低，达到了规模经济效益。在运营管理方面，两厂合并后工作人员适度缩减；在工艺优化方面，由于坚果岛污水处理厂被改造为鹿岛污水厂的预处理系统，该厂的能耗和化学试剂投加量明显降低[3]。

1.3 雨季运营策略

鹿岛污水处理厂雨季运营时主要采取的措施包括：启用6座初沉池、4座二沉池和备用泵等备用设施；调整二级处理的工艺参数；调整消毒剂投加量等。当进水流量超出二级处理能力时，初级处理出水将直接超越二级处理，消毒、脱氯后排放[4]。

1.4 出水指标与运行状况

鹿岛污水处理厂的处理尾水仅有一个排放口，雨季超出一级处理能力的水量将由指定的合流制污水溢流(CSOs)排放口排出。旱季处理尾水水质的主要浓度指标及处理尾水的实际水质情况如表1所示。

表1 鹿岛污水处理厂主要出水指标标准与实际处理尾水水质Tab.1 Discharge Standard and Actual Tail Water Quality of Deer Island Sewage Treatment Plant

注：a实际尾水水质为月均值；b尾水pH限值为6.0～9.0，同时还需满足受纳水体pH值为6.5～8.5的要求；c超出该限值的样品数目若小于10%，且不存在有连续3个样品超出该限值的情况，依然可视为达标；d受试生物的半数致死浓度大于出水水样与受纳水体水样以高于50%比例混合时的溶液浓度

除上述指标外，针对处理尾水未设置具体的浓度限值，但需进行监控的指标包括SS、汞、氨氮、凯氏氮、硝态氮、亚硝酸盐氮、氰化物、农药/杀虫剂(氯丹、DDT、狄氏剂、七氯、艾氏剂、环氧七氯)、砷、苯酚、VOCS等[4]。

1.5 运行维护经验

鹿岛污水处理厂建厂伊始就着手设计辅助污水处理厂运行和维护的计算机系统。辅助运行的计算机系统包括工艺信息控制系统(process information control system，PICS)和运行管理系统(operation management system，OMS)。PICS提供全厂的实时工艺数据(处理系统状态、流量等)，OMS则根据实验室测试数据对PICS数据进行校准，从而跟踪、分析全厂运行状态，保证出水负荷符合美国EPA和其他部门的有关环保标准，同时优化处理成本。辅助维护管理的计算机系统则采用Maximo系统。该厂的长期维护策略是改善厂房设备状况，必要时对设备进行检修和更换。MWRA对维护人员进行培训，确保维护人员能够在最大程度上利用现代计算机系统，提升工作效率[2]。

2 亥伯龙污水处理厂

2.1 工程概况

亥伯龙污水处理厂位于美国洛杉矶西南部，近圣莫妮卡湾处，占地面积为0.58 km2。该厂于1925年开始运行，历经1950年、1985年两次大规模的扩建改造，达到378.5万m3/d的处理能力，现由洛杉矶市公共事务部卫生工程局管理(图2)。该厂服务面积为1 551 km3，服务人口为400万人，污水主要来源为洛杉矶市分流制系统的市政污水、一万多家工商企业排放的工业/商业污水以及部分初期雨水[5]。

图2 亥伯龙污水处理厂Fig.2 Overlook of Hyperion Water Reclamation Plant

2.1.1 污水处理工艺

亥伯龙污水处理厂的污水处理流程包括预处理、强化一级处理和二级处理。预处理系统包括格栅和曝气沉砂池。格栅部分有8台网眼为19 mm的格栅机(外加2台备用)，总处理能力为378.5万m3/d。沉砂池部分有6座尺寸为45.7 m×6.9 m×4.6 m的矩形封闭曝气沉砂池，总处理能力为379.5万m3/d。强化一级处理工艺通过投加三氯化铁提高沉淀效率，该工艺包括4组共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，停留时间约为2 h。二级处理主要采用纯氧曝气活性污泥法，共设有9个反应模块，单个反应模块的处理能力为18.9万m3/d，该厂共有36个处理能力为11.4万m3/d的圆形二沉池。

二级处理出水中约有4.2万m3/d将经过过滤、消毒用于设备的冷凝和冲洗，约14.0万m3/d将输送到西贝森污水处理厂(West Basin Water Reclamation Plant)进行深度处理，根据再生水的用途采用微滤(MF)和反渗透(RO)工艺处理[6]。

2.1.2 污泥处理工艺

亥伯龙污水处理厂预处理与强化一级处理过程中产生的可生化性较差的固体在脱水后进行填埋，二级处理过程中产生的剩余污泥则经污泥浓缩、高温厌氧消化、离心脱水后加工为有机颗粒产品，运送到农场作为肥料。

高温厌氧消化过程中产生的气体提纯后将输送至亥伯龙污水处理厂周边的斯卡特古德蒸汽发电厂(Scattergood Steam Plant)[6]。

2.2 处理规模分析

2015年洛杉矶供水系统的日均供水量为173.4万m3/d。排水系统采用分流制，分为2块污水收集管线系统，全市共有4家处理规模不等的污水处理厂，旱季总处理能力为220万m3/d，其中规模最大的污水处理厂便是亥伯龙污水处理厂。亥伯龙污水处理厂的设计日均处理量为170.3万m3/d，而实际运行中污水处理量仅为95.8万m3/d，主要原因为洛杉矶市政府自1985年开始推广节水项目[6]。

2.3 出水指标与运行状况

亥伯龙污水处理厂的处理尾水可由两个排放口进行排放——排放口001与排放口002。排放点001也被称作“1英里排放口”，排放管道直径为3.7 m，长度约1.6 km，走向为污水处理厂西-西南向，位于海平面下方15 m；排放点002也被称作“5英里排放口”，排放管道直径为3.7 m，长度为8.1 km，走向为污水处理厂西-西南向，位于海平面下方57 m，排放管道末端有Y型扩散器，用于确保处理尾水与受纳水体更好地混合、稀释。

排放口002为该厂处理尾水的主要排放口(表2)，而排放口001在进厂水量超出二级处理能力、排放水量超出排放口002的排放能力、排放口002检修维护等特殊情况下，向当地环保部门通报并许可后才能使用。

除上述浓度指标外，该厂BOD5与SS去除率还需高于85%，对每日水样的生物毒性也有所要求。此外，对各类重金属、有机物(包括农药、杀虫剂等)指标根据污水处理厂运行效果设置了尾水目标浓度[6]。

表2 亥伯龙污水处理厂主要出水指标标准与实际处理尾水水质(排放口002)Tab.2 Discharge Standard and Actual Tail Water Quality at Outfall 002 of Hyperion Water Reclamation Plant

注：a数据来源于该厂2010～2015运行数据中的最大月均值

2.4 升级改造与发展规划

据洛杉矶环境卫生局(Sanitation District of Los Angeles County)分析，按照对洛杉矶市人口增长的预估，该市污水处理厂的处理规模将无法应对2020年后的进厂污水水量，因此洛杉矶环境卫生局考虑对已建成的污水处理厂进行规模扩增。经过多个污水处理厂规模扩增方案的对比分析，亥伯龙污水处理厂扩建工程的经济性与其他方案相比略输一筹，因而该厂近期无扩建计划。

由于洛杉矶区域降雨量小，淡水资源匮乏，亥伯龙污水处理厂远期将更加注重尾水的深度处理，提高回用水水量，减小对水环境的影响[7]。

3 总结与建议

在特大型污水处理厂运营方面，美国鹿岛污水处理厂和亥伯龙污水处理厂，以及往期提到的底特律污水处理厂和斯蒂克尼污水处理厂这几座特大型污水处理厂为我们提供了相关的运营、维护经验。通过引进计算机系统为污水处理厂的运行和管理提供辅助，提高人员的工作效率，实现工艺优化，使得出水水质稳定达标。

面对运行压力大、负荷率高、环保标准提升等问题，国内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。特大型污水处理厂远期发展上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。