案例：美国底特律污水处理厂[纯氧曝气]
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。
图1 底特律污水处理厂鸟瞰图
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，最后经过加滤消毒、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。
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。
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(DWSD，Detroit Water and Sewerage Department)负责。供水服务系统总面积达2 795km2，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。
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之间时，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)。
图2 底特律污水处理厂尾水排放示意图
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。
特大型污水处理厂
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
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
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
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。
案
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。
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。
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