前言

美國(guó)的污水處理廠的發(fā)展歷史最早可以追溯到19世紀(jì)，1887年馬薩諸塞州建成了美國(guó)第一套生化處理裝置 - 間歇砂濾池。截至目前，美國(guó)的公有污水廠總數(shù)達(dá)到了14,780 座，服務(wù)于約2.3億人口。經(jīng)污水處理廠處理后的水越來(lái)越多被再次使用，尤其是在發(fā)展迅速的美國(guó)西南地區(qū)。而污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的生物污泥有54%被有益利用，大多用于農(nóng)田。美國(guó)污水廠的發(fā)展管理趨勢(shì)是從新建污水廠逐漸轉(zhuǎn)為維護(hù)現(xiàn)有的污水廠，水和污水處理每年耗用美國(guó)總用電量的2%。

 

在美國(guó)，污水處理的概念已經(jīng)從單純的污染物處理，轉(zhuǎn)化為把污水看作是可再生的資源。污水處理工業(yè)是符合經(jīng)濟(jì)和環(huán)�？沙掷m(xù)發(fā)展的可再生資源工業(yè)。對(duì)污水處理的管理整合到污水，雨水，飲用水和資源水的全方位管理策略之中。

在處理后的水被重新利用的同時(shí)，污水廠產(chǎn)生的生物污泥也經(jīng)歷了填埋，土壤有益利用，生物沼氣能源到今天的資源回收（熱量，磷回收等）利用等歷程。

 

2012年4月，在美國(guó)環(huán)保署在網(wǎng)站上這樣描述污水處理廠：

“處理廢棄物的污水處理廠，應(yīng)該被認(rèn)為是可再生資源回收廠，它制造清潔水，回收能源和生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)物。”

1、污水處理廠，污水產(chǎn)生電力和熱能

下面的工程實(shí)例，講述了美國(guó)的某座工業(yè)污水處理廠如何成為資源回收廠，他不但制造清潔水，而且回收污水中的能源用于發(fā)電，最終的產(chǎn)品成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民喜歡的肥料。未來(lái)還將利用污水生產(chǎn)車用天然氣。

 

該污水廠成立于2012年，主要接收本地食品和飲料制造商（圖1）的食品廢棄物和污水。進(jìn)水經(jīng)過(guò)厭氧處理制造沼氣。沼氣經(jīng)過(guò)調(diào)性后通過(guò)2個(gè)發(fā)電機(jī)發(fā)電，總裝機(jī)容量3.2兆瓦，同時(shí)產(chǎn)生電力和熱能。當(dāng)能量從水中移除后，水變得清潔并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)排放。

圖1  污水廠在圖左中心位置。右邊是乳清蛋白廠，下面是牛奶廠。

污水廠工藝流程

圖2   罐裝卡車在污水廠卸污水。

圖3   平衡罐，帶管道和泵將高濃度污水送入預(yù)調(diào)性罐 (PCT)

污水廠操作員將收到的污水導(dǎo)入每個(gè)罐中，保證正確的化學(xué)需氧量濃度（COD）。COD值和填充率被輸入計(jì)算機(jī)。污水廠可以控制消化器可以制造的能量數(shù)值。

 

高濃度污水接著從平衡罐移動(dòng)到預(yù)調(diào)性罐 (PCT)。

 

在預(yù)調(diào)性罐 (PCT)里，高濃度污水和消化脫氣后的水混合（圖4）。高濃度污水在這里開始分解消化。同時(shí)這里也回收和保存部分消化器堿度，幫助節(jié)省化學(xué)物料成本。然后，混合物從與調(diào)性罐移入消化器。

圖4  預(yù)調(diào)性罐 (PCT)帶有泵站，將污水送入消化器。

 

這里的熱交換器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量和進(jìn)入消化器的污水進(jìn)行熱交換，加熱污水。

污水廠有7600立方米容量的上流式厭氧接觸(UAC)消化器，污水中的能量在這里被轉(zhuǎn)化為沼氣（圖5）。

 

污水從預(yù)調(diào)性罐（PCT）進(jìn)入循環(huán)消化污水流。循環(huán)流調(diào)整污水以防止沖擊消化器中的細(xì)菌。高濃度污水被消化后進(jìn)入污水清潔工藝流程。

圖5  上流厭氧接觸（UAC）消化器帶有分配口，用于進(jìn)料到消化器底部�？梢钥吹酱笱�環(huán)泵在走廊中部。

從上流厭氧接觸（UAC）出來(lái)，污水被送到脫氣罐，和污泥分離系統(tǒng)（圖6）。更多的沼氣從水中提出，污泥開始沉淀。

 

在圖6，能看到沼氣管道沿著車間頂部延伸到沼氣調(diào)性單元。氣體移動(dòng)路徑在本文后部描述。從污泥分離系統(tǒng)分離出的污水或者進(jìn)入生物污泥罐，或者進(jìn)入主溶氣氣浮裝置(DAF)(圖7)。

圖6  脫氣罐和污泥分離系統(tǒng)。消化后的污水進(jìn)入白色筒內(nèi)，被真空擊碎到底部。這樣可以得到更多沼氣。

污泥分離系統(tǒng)在白色筒狀脫氣罐之間。污泥分離系統(tǒng)讓污泥和水分離開。

圖7   DAF系統(tǒng)，帶空氣溶解管和絮凝罐。

在溶氣氣浮裝置（DAF）圖7，污水和絮凝劑混合，絮凝物同溶解空氣被噴入水中。這讓固體顆粒可以浮在上部，然后可以收集送入生物污泥罐。清潔后的水被泵送入好氧處理系統(tǒng)(圖8)。

 

好氧處理后，水被送入二級(jí)溶氣氣浮裝置（DAF）系統(tǒng)，再次清潔后排放。

圖8    好氧移動(dòng)床反應(yīng)器。

圖9    污水廠的水利配置

生物污泥從系統(tǒng)中分離，作為玉米農(nóng)田的液體肥料。污水廠有脫水能力，用帶機(jī)制造泥餅（圖10）。壓濾后的水回到系統(tǒng)中用于好氧系統(tǒng)。污泥帶有許多有益植物的養(yǎng)分。

圖10   帶式壓濾機(jī)用于污泥脫水

沼氣從上流厭氧接觸(UAC)消化器和脫氣罐中提出。沼氣在沼氣調(diào)性系統(tǒng)中調(diào)性（圖11）。沼氣剔除水分后送入發(fā)電機(jī)（圖12）。產(chǎn)生的電力被送到電網(wǎng)，電力公司支付電費(fèi)給污水廠。

圖11  沼氣凈化裝置

圖12    2臺(tái)發(fā)電機(jī)總發(fā)電量3.2兆瓦

2、中央控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室，確保系統(tǒng)運(yùn)行正常

污水廠配備監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，允許一個(gè)操作者控制所有的工廠運(yùn)行。

 

在中控室，可以對(duì)許多廠內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，包括儲(chǔ)罐液位，過(guò)程pH值，過(guò)程溫度，水流，沼氣流，和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。許多讀數(shù)，同時(shí)可以在廠內(nèi)的物理流量計(jì)處取得。

 

污水廠內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室，裝備有分光光度計(jì)，可以運(yùn)行氨氮，總磷，揮發(fā)性酸，總氮和化學(xué)需氧量測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室還可以測(cè)量堿度，水的硬度，pH值，總固體，揮發(fā)性固體，懸浮物，沉降污泥體積，和氯含量。

 

典型工藝控制包括檢測(cè)pH值，總磷，揮發(fā)性酸，堿度，氨，總懸浮固體，和化學(xué)需氧量。這些測(cè)試可以確定運(yùn)行過(guò)程是否在可控范圍內(nèi)，幫助預(yù)防出現(xiàn)問(wèn)題。實(shí)時(shí)體積，流量，pH值，溶解氧和溫度儀表保證工廠運(yùn)行穩(wěn)定。這使污水廠可以良好控制出水質(zhì)量和沼氣的產(chǎn)生。

圖13    平衡罐。操作者可以看到客車卸污水，監(jiān)控進(jìn)入預(yù)調(diào)性罐的流量和數(shù)量。監(jiān)控PH值，溫度和液位。

圖14   預(yù)調(diào)性罐和反應(yīng)器。操作者可以監(jiān)控水流量，PH值，溫度，液位和化學(xué)物添加。

圖15   脫氣和污泥沉淀裝置。監(jiān)控真空，沼氣流量，水流量�？梢哉{(diào)整污泥沉淀裝置，讓污水回到消化器或送到生物污泥罐。

圖16  主溶氣氣浮裝置（DAF）。可以監(jiān)控三氯化鐵和聚合物添加劑，液位和運(yùn)行。

圖17  好氧曝氣系統(tǒng)，二級(jí)溶氣氣浮裝置（DAF），和除臭系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以監(jiān)控和調(diào)整�？杀O(jiān)控化學(xué)物質(zhì)填加，液位，流量，PH，溶解氧，和溫度。

圖18   帶式脫水機(jī)。帶機(jī)的實(shí)際運(yùn)行在另一個(gè)控制箱上控制，污泥液位和泵也可在這里監(jiān)控。

圖19   沼氣調(diào)性和發(fā)電機(jī)。監(jiān)控沼氣到發(fā)電機(jī)的氣流和火炬。

圖20    熱能利用，通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。可以在中控室控制。建筑物和反應(yīng)器的加熱熱量通過(guò)熱交換器來(lái)自發(fā)電機(jī)引擎。

圖21   進(jìn)水設(shè)置。操作者可以根據(jù)化學(xué)需氧量設(shè)置進(jìn)水量。這可以很好地控制反應(yīng)器中的沼氣產(chǎn)量。

圖22   工廠信息連續(xù)被監(jiān)控，包括流量，氣量，PH值等，并記錄下來(lái)作為參考。

圖23   實(shí)驗(yàn)室。配有分光光度計(jì)和測(cè)試包，平衡，污泥沉淀錐斗，PH計(jì)，滴定設(shè)置。帶除臭和安全裝置的污泥測(cè)試烤箱。

3、進(jìn)出水水質(zhì)參數(shù)

典型進(jìn)水水質(zhì)：

	某月總	毫克/升
客戶	立方米	化學(xué)需氧 量COD	磷	氯	TSS總懸浮物
1	765	49,000	300	1,100	14,000
2	1,856	41,000	200	1,600	1,000
3	258	57,000	800	39,000	9,100
4	3,048	100,000	260	1,880	3,000
5	666	16,500	100	320	2,000
6	394	103,000	140	<100	2,300
7	2,700	355,000	920	8,700	17,000
8	320	62,000	700	850	21,000
9	201	182,000	350	4,000	27,000
10	62	51,000	300	1,650	2,700

典型出水水質(zhì)：

化學(xué)需氧量 COD	磷	氯	TSS 總懸浮物
750	80	3700	60

目前的出水需要再送入附近3公里左右的城市污水處理廠，進(jìn)行再處理。

4、對(duì)未來(lái)的展望

為達(dá)到更高的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，污水廠和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部合作共同探討新的發(fā)展計(jì)劃:

 

提高生物污泥含固率，加強(qiáng)同當(dāng)?shù)剞r(nóng)場(chǎng)的合作。

 

增加超濾和反滲透系統(tǒng)，提高出水水質(zhì)，降低城市污水廠負(fù)荷。增加超濾和反滲透系統(tǒng)將讓工廠可以增加污水接受量，并讓排水達(dá)到地表水排放質(zhì)量。地表水排放將消除額外的市政污水處理費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)。增加入水量可以讓工廠的運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

 

擴(kuò)大包裝食品廢棄物（如啤酒、罐頭等）的接收系統(tǒng)，讓更高COD含量的污水進(jìn)入消化裝置。特別是處理飲料的成本低，產(chǎn)氣率高。

 

取得美國(guó)再生能源識(shí)別號(hào)(RIN)s，取得政府補(bǔ)貼。

 

生物天然氣，進(jìn)一步凈化沼氣，生產(chǎn)生物天然氣，可用于公司擁有的卡車和城市軌道交通。

 

增加熱水解工藝，處理更高含固率污水。

目前該工程正在升級(jí)改造，尋求大型國(guó)際投資企業(yè)合作。

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