前言

美国的污水处理厂的发展历史最早可以追溯到19世纪，1887年马萨诸塞州建成了美国第一套生化处理装置 - 间歇砂滤池。截至目前，美国的公有污水厂总数达到了14,780 座，服务于约2.3亿人口。经污水处理厂处理后的水越来越多被再次使用，尤其是在发展迅速的美国西南地区。而污水处理过程中产生的生物污泥有54%被有益利用，大多用于农田。美国污水厂的发展管理趋势是从新建污水厂逐渐转为维护现有的污水厂，水和污水处理每年耗用美国总用电量的2%。

 

在美国，污水处理的概念已经从单纯的污染物处理，转化为把污水看作是可再生的资源。污水处理工业是符合经济和环保可持续发展的可再生资源工业。对污水处理的管理整合到污水，雨水，饮用水和资源水的全方位管理策略之中。

在处理后的水被重新利用的同时，污水厂产生的生物污泥也经历了填埋，土壤有益利用，生物沼气能源到今天的资源回收（热量，磷回收等）利用等历程。

 

2012年4月，在美国环保署在网站上这样描述污水处理厂：

“处理废弃物的污水处理厂，应该被认为是可再生资源回收厂，它制造清洁水，回收能源和生产营养物。”

1、污水处理厂，污水产生电力和热能

下面的工程实例，讲述了美国的某座工业污水处理厂如何成为资源回收厂，他不但制造清洁水，而且回收污水中的能源用于发电，最终的产品成为当地农民喜欢的肥料。未来还将利用污水生产车用天然气。

 

该污水厂成立于2012年，主要接收本地食品和饮料制造商（图1）的食品废弃物和污水。进水经过厌氧处理制造沼气。沼气经过调性后通过2个发电机发电，总装机容量3.2兆瓦，同时产生电力和热能。当能量从水中移除后，水变得清洁并达到标准排放。

图1  污水厂在图左中心位置。右边是乳清蛋白厂，下面是牛奶厂。

污水厂工艺流程

图2   罐装卡车在污水厂卸污水。

图3   平衡罐，带管道和泵将高浓度污水送入预调性罐 (PCT)

污水厂操作员将收到的污水导入每个罐中，保证正确的化学需氧量浓度（COD）。COD值和填充率被输入计算机。污水厂可以控制消化器可以制造的能量数值。

 

高浓度污水接着从平衡罐移动到预调性罐 (PCT)。

 

在预调性罐 (PCT)里，高浓度污水和消化脱气后的水混合（图4）。高浓度污水在这里开始分解消化。同时这里也回收和保存部分消化器碱度，帮助节省化学物料成本。然后，混合物从与调性罐移入消化器。

图4  预调性罐 (PCT)带有泵站，将污水送入消化器。

 

这里的热交换器将发电机产生的热量和进入消化器的污水进行热交换，加热污水。

污水厂有7600立方米容量的上流式厌氧接触(UAC)消化器，污水中的能量在这里被转化为沼气（图5）。

 

污水从预调性罐（PCT）进入循环消化污水流。循环流调整污水以防止冲击消化器中的细菌。高浓度污水被消化后进入污水清洁工艺流程。

图5  上流厌氧接触（UAC）消化器带有分配口，用于进料到消化器底部。可以看到大循环泵在走廊中部。

从上流厌氧接触（UAC）出来，污水被送到脱气罐，和污泥分离系统（图6）。更多的沼气从水中提出，污泥开始沉淀。

 

在图6，能看到沼气管道沿着车间顶部延伸到沼气调性单元。气体移动路径在本文后部描述。从污泥分离系统分离出的污水或者进入生物污泥罐，或者进入主溶气气浮装置(DAF)(图7)。

图6  脱气罐和污泥分离系统。消化后的污水进入白色筒内，被真空击碎到底部。这样可以得到更多沼气。

污泥分离系统在白色筒状脱气罐之间。污泥分离系统让污泥和水分离开。

图7   DAF系统，带空气溶解管和絮凝罐。

在溶气气浮装置（DAF）图7，污水和絮凝剂混合，絮凝物同溶解空气被喷入水中。这让固体颗粒可以浮在上部，然后可以收集送入生物污泥罐。清洁后的水被泵送入好氧处理系统(图8)。

 

好氧处理后，水被送入二级溶气气浮装置（DAF）系统，再次清洁后排放。

图8    好氧移动床反应器。

图9    污水厂的水利配置

生物污泥从系统中分离，作为玉米农田的液体肥料。污水厂有脱水能力，用带机制造泥饼（图10）。压滤后的水回到系统中用于好氧系统。污泥带有许多有益植物的养分。

图10   带式压滤机用于污泥脱水

沼气从上流厌氧接触(UAC)消化器和脱气罐中提出。沼气在沼气调性系统中调性（图11）。沼气剔除水分后送入发电机（图12）。产生的电力被送到电网，电力公司支付电费给污水厂。

图11  沼气净化装置

图12    2台发电机总发电量3.2兆瓦

2、中央控制系统与实验室，确保系统运行正常

污水厂配备监督控制和数据采集（SCADA）系统，允许一个操作者控制所有的工厂运行。

 

在中控室，可以对许多厂内的系统进行监控，包括储罐液位，过程pH值，过程温度，水流，沼气流，和发动机输出。许多读数，同时可以在厂内的物理流量计处取得。

 

污水厂内的实验室，装备有分光光度计，可以运行氨氮，总磷，挥发性酸，总氮和化学需氧量测试。实验室还可以测量碱度，水的硬度，pH值，总固体，挥发性固体，悬浮物，沉降污泥体积，和氯含量。

 

典型工艺控制包括检测pH值，总磷，挥发性酸，碱度，氨，总悬浮固体，和化学需氧量。这些测试可以确定运行过程是否在可控范围内，帮助预防出现问题。实时体积，流量，pH值，溶解氧和温度仪表保证工厂运行稳定。这使污水厂可以良好控制出水质量和沼气的产生。

图13    平衡罐。操作者可以看到客车卸污水，监控进入预调性罐的流量和数量。监控PH值，温度和液位。

图14   预调性罐和反应器。操作者可以监控水流量，PH值，温度，液位和化学物添加。

图15   脱气和污泥沉淀装置。监控真空，沼气流量，水流量。可以调整污泥沉淀装置，让污水回到消化器或送到生物污泥罐。

图16  主溶气气浮装置（DAF）。可以监控三氯化铁和聚合物添加剂，液位和运行。

图17  好氧曝气系统，二级溶气气浮装置（DAF），和除臭系统。风机风量可以监控和调整。可监控化学物质填加，液位，流量，PH，溶解氧，和温度。

图18   带式脱水机。带机的实际运行在另一个控制箱上控制，污泥液位和泵也可在这里监控。

图19   沼气调性和发电机。监控沼气到发电机的气流和火炬。

图20    热能利用，通风和空调系统。可以在中控室控制。建筑物和反应器的加热热量通过热交换器来自发电机引擎。

图21   进水设置。操作者可以根据化学需氧量设置进水量。这可以很好地控制反应器中的沼气产量。

图22   工厂信息连续被监控，包括流量，气量，PH值等，并记录下来作为参考。

图23   实验室。配有分光光度计和测试包，平衡，污泥沉淀锥斗，PH计，滴定设置。带除臭和安全装置的污泥测试烤箱。

3、进出水水质参数

典型进水水质：

	某月总	毫克/升
客户	立方米	化学需氧 量COD	磷	氯	TSS总悬浮物
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

典型出水水质：

化学需氧量 COD	磷	氯	TSS 总悬浮物
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处理厂，进行再处理。

4、对未来的展望

为达到更高的可持续发展目标，污水厂和当地环保部合作共同探讨新的发展计划:

 

提高生物污泥含固率，加强同当地农场的合作。

 

增加超滤和反渗透系统，提高出水水质，降低城市污水厂负荷。增加超滤和反渗透系统将让工厂可以增加污水接受量，并让排水达到地表水排放质量。地表水排放将消除额外的市政污水处理费和运输费。增加入水量可以让工厂的运行更经济。

 

扩大包装食品废弃物（如啤酒、罐头等）的接收系统，让更高COD含量的污水进入消化装置。特别是处理饮料的成本低，产气率高。

 

取得美国再生能源识别号(RIN)s，取得政府补贴。

 

生物天然气，进一步净化沼气，生产生物天然气，可用于公司拥有的卡车和城市轨道交通。

 

增加热水解工艺，处理更高含固率污水。

目前该工程正在升级改造，寻求大型国际投资企业合作。

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