【热点聚焦】Blue Plains污水处理厂提标改造-后置反硝化、污泥热水解和深层隧道

小编导读

为响应节能减排、保护水环境的号召，我国大部分城镇污水厂相继启动了提标改造工程，对污水厂污染物的去除和物质能量利用提出了更高的要求。本栏目邀请浙江工业大学李军教授带领研究团队精选并深入剖析国内外污水厂不同工艺提标改造的经典案例，为国内同行业设计和工程技术人员提供参考。本文选自《净水技术》2016年第一期”热点聚焦“栏目。文章版权专有，转载请注明出处。

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基本概况和提标改造的必要性

1.1 基本概况

美国Blue Plains污水处理厂位于美国华盛顿哥伦比亚特区（D.C.），主要接收和处理生活污水和雨水，布局如图1所示。1938年，BluePlains污水处理厂作为初级处理设施建成， 采用一级处理工艺， 服务人口65万，处理能力不足3.8 ×10⁵ t/d。1959年，Blue Plains污水处理厂二级处理设施建成，服务人口快速增长，处理能力为9.1×10⁵t/d。1983年，随着深度处理设施的建成，处理能力达到1.14×10⁶t/d。随着环境要求的提高其处理能力和工艺得到不断改进和扩展。目前，Blue Plains污水处理厂平均处理能力达到1.4×10⁶ t/d，峰值达到4.07×10⁶t/d，总占地为0.61 km^２。由DCWater and Sewer Authority建设运行管理。

1.2 提标改造必要性及存在问题

由于Blue Plains污水厂需要满足由美国环保局EPA签署的出水TN含量降低至4.7 ×10⁶ lb/a的排放要求（折合2.13×10⁶ kg/a），按平均处理量1.4×10⁶t/d计算， 出水TN应低于4.14 mg/L，而现有工艺出水TN约为7.5 mg/L。为保证Potomac河的水质安全，污水处理工艺必须进行提标改造。

提标改造前该厂采用处理工艺主要包括：格栅、沉砂池、初沉池、一级曝气池（高有机负荷）、二沉池、二级曝气池（硝化池）、三沉池、多介质滤池和消毒处理，出水排放至Potomac河。 

结合分析提标要求和原有工艺，总结存在主要问题有：（1）该工艺缺少反硝化脱氮阶段， 污水处理过程中总氮（TN）的去除能力有限，TN达不到向Chesapeake海湾排放协议的要求^[1]；（2）用传统石灰法处理产生的美国B级污泥（Class B）^[2]（见附录），污泥体积较大，质量不够高，资源回收利用价值有限^[3]；（3）在许多老城区，大概三分之一的污水管网收集系统仍采用雨污合流制，暴雨季节难以满足输水流量，污水会溢流进入附近水体，导致污染。

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提标改造技术路线及实施

2.1 污水处理工艺的改造

根据工艺存在的主要问题，改造后的污水处理厂工艺流程如图2所示，改造的主要单元见虚线方框所示。改造后的各单元组成为：格栅、曝气沉砂池、初沉池、一级曝气池、二沉池、硝化/反硝化活性污泥系统、三沉池、多介质滤池和消毒处理。

硝化／反硝化系统工艺流程如图3所示，在原有硝化池的后端，增加反硝化段，形成硝化／反硝化活性污泥系统，实现对 ＴＮ 的去除。二沉池污水进入硝化／反硝化池，每组反应器有5格，每格均配有搅拌装置，第1、2和3格保持曝气进行硝化反应，第4和5格仅搅拌，处于缺氧状态，发生反硝化反应，其中在第4格投加甲醇作为反硝化碳源，投加量根据原水水质和季节等因素进行控制。反硝化后的混合液进入三沉池泥水分离，出水进入到多介质滤池进行过滤，滤后水经次氯酸钠消毒处理，余氯在出水排放之前用亚硫酸氢钠去除。

为进一步提高污水处理效率并提高出水水质，该厂目前正在计划将厌氧氨氧化技术（Anammox）应用到主流工艺中。

2.2 污泥处理工艺改造

为减少残余污泥产量，提高剩余污泥质量以达到Class A（见附录），并提升资源回收利用率， 使污泥处理系统实现综合供热供电，污泥处理工艺也需要进行改造。

Blue Plains污水处理厂对浓缩后的污泥进行热水解处理，成为北美第一个采用污泥热水解的污水处理厂，在当时成为世界上最大的污泥热水解装置，其处理工艺如图4所示。在污水处理过程中，从初沉池排出的污泥进行重力浓缩，来自二级处理和硝化／反硝化系统的污泥进行气浮浓缩。污泥混合后经过筛选作用，筛选尺寸5 mm，其目的是减少热水解组件的磨损， 降低压力容器失效的风险，延长泵的使用寿命。随后对污泥进行预脱水，该过程使用离心机脱水至污泥含量15%~18%，预脱水后污泥送至热水解处理装置。

热水解处理过程中，首先是在碎浆机中加热经预脱水后的污泥；然后向6组反应器中注入蒸汽加热到310~335(154~168℃)，满足EPA规定的Class A污泥要求，即300（148.8℃）温度下维持20min；最后释放闪蒸罐压力，蒸汽压力骤降，污泥粘性降低。

经热水解后的污泥，用污水厂出水冷却至82~85 ℃之后进入4个1.4 ×10⁴ｍ³的厌氧消化器中温消化。消化后的污泥进行最终脱水，产生符合Class A标准的污泥，Class A污泥体积较小，质量较好，作为土壤肥料用于城市的公园、花园和绿色基础设施，可增加林木产量，给农田提供养分， 污泥质量的提高使DC Water的污泥适合作为有机肥或营养土进行商业销售。并且在处理过程中产生的沼气可以实现综合产电供热，投运以来，该系统热电联产的能量累计已达13MW，全部回用于该厂的运行，节约了上百万美元的运营成本，能源得到进一步回收利用。

（图片来源：网络）

2.3 污水雨水收集管道建设改造

为减少合流制管网溢出水对水体的污染，实现对过去溢流量98%的收集率，管网收集系统需要进行改造。

在华盛顿哥伦比亚特区，合流制管道溢出水进入Anacostia河、Potomac河和RockCreek的污水量达到9.46×10⁶ t/a，这些水中含有大量微生物和有害物质，影响着水环境的安全。通过对已有管网的改造，已实现溢流污水减少40%，但为了实现98%的收集率，DCWater河流清洁工程将建造几个地下深层隧道。这些隧道以混凝土衬砌，平时处于干燥状态。暴雨期间，这些深隧能储存过量的雨污水，暴雨过后，这些深层隧道又能将雨污水缓缓释放到Blue Plains 污水处理厂进行处理，很好地起到了雨水调蓄作用。

目前，已有几个深隧项目正在建设中，最大的深层隧道系统位于Anacostia河和Potomac河100英尺（30ｍ）深处，长4英里（6.4 km），直径23英尺（7 m）。该段深层隧道于2015年建成，将污水运送至Blue Plains污水厂经处理后，排放至Potomac河，是DC Water清洁河流项目的一个重要里程碑。另外，Nannie段隧道预计2018年完成，该地区更长远的计划包括沿Potomac河和Rock Creek段深层隧道，预计将在2025年完工。

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改造效果

污水处理通过增加反硝化工艺，出水已符合当地污水处理排放要求。年平均值基本控制在以下水平：BOD₅≤5.0 mg/L，SS≤7.0 mg/L，TP≤0.18 mg/L，NH₃-N≤1.0 mg/L，TN≤４ mg/L， 最低溶解氧≥5.0mg/L，总余氯≤0.02 mg/L，ｐＨ＝6.0~8.5，大肠杆菌≤200个／100ｍＬ。

污泥经过热水解作用，具有更高的消化能力^[4]，传统工艺消化能力为４％ ～６％，热水解后的污泥消化能力为9％～12％；传统的挥发性固体负荷为150～250lb/1000 ft³（折合 2.4～4kg/m³），热水解工艺挥发性固体负荷为380~550 lb/1000 ft³（折合6.1～8.8 kg/m³）；传统甲烷产量60%~65%，热水解后甲烷产量62%~68%。热水解之后的污泥，生物降解速率更高，挥发性固体去除率达55%~59%，消化器压力比传统高50%。热水解和厌氧消化产生的能源能提供13MW电力，能够降低该水厂三分之一的碳排放。

合流制管道的截污深层隧道逐步建成后，可有效减少污水进入到附近河流。DC Water正在提议绿色基础设施建设（Green Infrastructure,GI）。GI系统包含树木、树框、雨水桶、多孔渗水铺路材料和雨水园林等，缓存足够多的雨水使隧道最小化，有利于降低投资。

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结语

Blue Plains污水处理厂通过对污水处理、污泥处理和雨污收集系统的提标改造，满足了环境提出的新要求，实现了水质达标、污泥资源化、雨水收集缓存和处理的目标，是城镇污水处理厂提标改造的一个经典案例。

附录

美国联邦法律（40 CFR Part 503）中针对生物污泥的利用和处置有明确的规定，并以ClassA和Class B的级别加以区分。

Class A和Class B污泥必须分别达到Pat 503中关于重金属含量、病原体去除、载体（蚊蝇和啮齿动物）吸引等方面不同的限值水平，方可不受限制或部分受限地在草坪和花园中利用。但在达到Part 503限定的条件情况下，均可用于农用、森林、公共接触土地、土地复垦等。

在美国，Class A是污泥处理的首选，Part 503推荐的几种工艺包括55℃以上堆肥3～15ｄ；超过80℃或将含水率减少到10％以下的热干化；在180℃条件下停留30 min的热处理；55～60℃且SRT＝10ｄ的高温好氧消化；1兆拉德的 β 射线室温照射；钴60或铯137室温照射的 γ 射线；维持70℃以上且停留时间30 min以上的巴氏杀菌等。

参考文献

[1]Bailey W, Tesfaye A, Dakita J,et al. Large-scale nitrogen removal demonstration at the Blue Plains WastewaterTreatment Plant using post denitrification with methanol[J]. Water Science andTechnology, 1998,38(1):79-86.

[2]王燕枫,钱春龙.美国污泥管理体系风险评价方法[J].环境科学研究,2008,32(1):224-228.

[3]Sahakil P, Gabriel S, RamirezM, et al. Multi-objective Optimization Models for Distributing for Biosolids toReuse Fields A Case Study for the Blue Plains Wastewater Treatment Plant[J].Networks and Spatial Economics, 2011, 11(1):1-22.

[4]唐霞,肖先念,李碧清,等.高温热水解预处理技术用于污泥减量化及资源化的应用[J].净水技术,2015,34(3):95-97. 

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《净水技术》创刊于1982年，专注技术，兼顾应用，多年来始终致力于报道国内外最新水处理技术的研究进展与动态，推动科技成果转化，并通过应用案例和经验总结为工程技术人员提供指导和借鉴。为了进一步提升《净水技术》的学术水平和应用参考价值，为技术研究领域和工程应用领域搭建交流的桥梁和平台，为具有成果转化潜力的优秀技术和研究成果提供孵化和服务，《净水技术》杂志社与上海同臣环保股份有限公司联手，自2016年起举办“同臣环保杯”《净水技术》优秀论文评奖活动，有关事项通知如下：

一、评奖原则

   “同臣环保杯”《净水技术》优秀论文评奖活动以公平、公正、公开为评选原则，坚持以科学、创新、有价值为遴选原则，旨在评选出货真价值、具有创新或实用价值、具有国内一流水准的优秀论文。“同臣环保杯”不仅止于单一年度的评奖表彰，更关注有价值前沿研究成果的后续进展和产业孵化。

二、评奖范围

    第一届“同臣环保杯”《净水技术》优秀论文奖评选范围为：2016年1月1日~2016年12月31日发表在《净水技术》杂志所有刊期（包括增刊）上的原创论文，“大家之言”、“热点聚焦”栏目及其他简讯、通知、信息类内容不列入评选范围。

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    1、候选优秀论文选题应聚焦本领域当前国内外普遍关注的前沿、热点、难点等，报道方向和内容具有前瞻性或创新性，在本领域相关技术的攻关过程中取得突破或有指导意义。

    2、候选优秀论文具有应用的借鉴价值，对相似工程或应用的设计、运行和管理有很强的指导作用，或对未来工程应用的优化和完善提出有价值的建议和思考。

3、候选优秀论文文字表述精炼、专业用词准确，体例格式正确，体现较好的学术素养。

4、获得行业内专家认可，具有前瞻性、引领性、可行性的新理念、新技术或新研究成果可优先推荐奖项。

四、评奖程序

    1、候选提名：2017年1月1日~2017年1月15日，所有读者和作者均可通过夹带于《净水技术》2016年第5、第6期杂志中的选票，或通过《净水技术》微信订阅号对候选优秀论文进行提名。

   2、网络票选：2017年1月15日~2017年1月31日，评奖委员会秘书处根据提名结果汇总产生30篇入围候选论文；即日起所有读者和作者均可通过《净水技术》官方网站和相关合作媒体网站对提名产生的候选论文进行网络投票。

    3、函审初评：2017年2月，以函审的方式，由评奖委员会对入围候选论文进行评分，结合网络投票情况，确定10篇获奖论文。

    4、会议终审：2017年3月，以会议的形式，由评奖委员会对10篇获奖论文进行奖项评定，评选出一、二、三等奖和鼓励奖，并推荐成果转化潜力奖。

    5、结果公示：上述各环节的结果，秘书处均第一时间在《净水技术》微信订阅号和《净水技术》官方网站上公示，最终一二三等奖结果产生后公示时间为15天，期间如无异议，评奖结果当即生效。

    6、奖励表彰：《净水技术》杂志社将于2017年下半年召开学术年会暨优秀论文奖颁奖仪式，向获奖作者办法奖杯、证书和奖金。获奖名单均于《净水技术》杂志、微信订阅号、官方网站及相关合作媒体渠道发布。

五、奖项设置

    1、优秀论文奖

        一等奖：1名，奖金10000元

        二等奖：2名，奖金6000元

        三等奖：3名，奖金3000元

        鼓励奖：5名，奖金1000元

    2、优秀读者奖

        读者奖：10名，奖金200元

    优秀读者奖将从同时提名最终一等奖、二等奖获奖论文的选票中选出。

    3、优秀组织奖

    优秀组织奖：1名，奖金2000元

优秀组织奖将颁发给2016年度为《净水技术》输送稿源量（以2016年度内录用为准）最多的“《净水技术》杂志稿源合作单位”相关负责人。

4、成果转化潜力奖

获得一、二、三等奖的优秀论文，经专家评估审定，符合科技成果孵化和产业化条件的优秀技术，可获得上海同臣环保股份有限公司产业化专项基金（总金额500万元）支持。

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