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如何选择合适的污泥处置工艺:美国阿灵顿污水厂的计划

发布日期:2021-05-17 来源: IWA国际水协会
  在美国弗吉尼亚州有一个叫阿灵顿县(Arlington County)的地方。提到阿灵顿,喜欢军事的朋友可能会知道美国著名的阿灵顿国家公墓(Arlington National Cemetery)就在此地。除了国防军事,位于阿灵顿南部的污水厂在水圈也享有名气——该厂的升级改造计划获得了2011年美国环境工程与科学杰出奖(Excellence in Environmental Engineering and Science™ Award)。该升级改造计划使出水总氮低于2.5mg/L,总磷低于0.1mg/L,为改善切萨皮克湾的环境质量作出重大贡献。
  
  图1. 升级改造后的阿灵顿水污染控制厂鸟瞰图 | 图源:balfourbeattyus
  大奖没有让阿灵顿水务部门就此自满,2014年他们开始新的计划,着手污泥处理处置。参与该项目的CDM Smith公司在国际水协的期刊《Water Practice & Technology》上分享了这个项目的成果进展。
  阿灵顿水污染控制厂
  阿灵顿县称该污水厂为水污染控制厂(Water Pollution Control Plant),简称WPCP。该厂位于阿林顿的东南部,日处理约15.1万m³/天。出水排入离Potomac河不远的Four Mile Run。初始污泥和剩余污泥经浓缩、脱水和石灰稳定化后制成脱水泥饼外运。
  2015年,约有27000吨石灰稳定化污泥作为B级生物固体(Class B Biosolids)用于土地利用。这套石灰稳定化系统建于上世纪90年代中期,由于老化和设计条件的限制,其运行需要大量的操作和维护保养。为了改善当前工艺的可持续性,阿灵顿县在2014年开始制定污泥总规划,该计划目标包括:
  替代即将报废的设备
  减轻因未来法规变更对目前B级污泥土地农用的潜在风险
  减少WPCP的能耗和温室气体排放
  实现全县范围额外可持续发展的目标
  制定可提供长期可靠性的污泥管理战略
  建立与县级资本改善项目资金共存的实施计划
  计划制定
  这个整体规划是一个综合决策的成果。参与者包括多家咨询公司、水研究基金会(WRF)、弗吉尼亚理工大学、污水厂的运行人员、环境服务部的代表等。首先他们制定评估标准和指标,对技术进行初步筛选;然后他们对选出的技术进行组合;项目小组会对再根据一系列标准对组合的工艺流程进行评估。每项子标准都有其权重,并经由项目小组同意确认。初步评估的主要考虑因素包括:
  预期费用:
  投资成本(CAPEX) = 资本支出;
  运行成本(OPEX) = 年度运营支出;
  生命周期 = CAPEX加OPEX的20年净现值
  占地面积/场地限制
  与县项目目标的一致性
  初步筛选得到的技术组合包会进入更细致的评估,并对每一项进行评分。
  
  表1. 技术筛选的标准和评分指南
  初步筛选阶段他们一共对70多种技术进行了考察,包括可以减少污泥体积的设备、稳定污泥的工艺、热处理工艺以及处理副产物的技术。根据上表1的五项标准和得分指南,他们得到了下表2的技术组合。
  
  表2. 适合阿灵顿县污泥规划的工艺技术
  此后他们举行了两次项目研讨会,并根据上述评估结果,选出了三个新方案和原方案进行对比:
  石灰稳定化 – 目前的工艺。产出B级污泥,只对老化设备进行替换;
  中温厌氧消化 – 被视作更优的污泥稳定化工艺,因为可以减少污泥产量,产出甲烷,占地也有优势。产出B级污泥和生物沼气;
  热水解+厌氧消化 – 该工艺可以产出A级脱水污泥和生物沼气;
  厌氧消化+干化 – 中温消化后的污泥经热干燥后产出A级污泥,污泥量最小。,
  在评估阶段,他们制定了以下19条标准,并可分成经济、运行、环境和社会四大类型,每个标准都有相对的权重。
  
  图2. 技术评估的标准和权重分布
  根据以上标准,他们对四个技术方案进行详细评估,评估得分如下图所示。结果显示,方案2的经济性得分最高,因为CAPEX适中,而OPEX是最低的。污泥减量之后也减少了外运成本。方案3和4虽然因为产出A级污泥,所以在终端使用管理一项标准得分更高,但因为经济性是项目小组最看重的因素,所以整体下来方案2的经济性最佳。运行方面,方案1得分最高。原因有三点:一、由于设备更少,运行成本和安全性更有;二、此前的运行经验可以得到延续;三、新增占地要求更低。但这单项得分并没过分影响总得分。
  至于环境方面,方案3最优。主要是因为污泥级别更优,而且能耗低于方案4。在社会角度而言,方案3也是最高分的,原因也是A级污泥质量更好,而且臭气管理和接受度更好。
  
  图3. 四个方案的评分结果
  方案选择
  上图3显示方案2的总得分最高。但项目团队从长远适应性出发,考虑到未来土地利用法规的变化,他们最终认为A级生物固体是更合适的产品。因此,结合了热水解和厌氧消化的方案3成为他们的最终选择。
  其实热水解工艺也给阿灵顿县污水厂提供更多的资源回收选择,例如优质的A级污泥可作为农用的土壤改良剂。沼气可以热电联产,净化后还可以成为压缩天然气(CNG)。除了A级污泥和生物沼气,还可以回收磷。
  
  图4. 热水解+厌氧消化的工艺流程图
  上图4是方案3的一个工艺流程示意图,初始污泥和剩余污泥经过混合、格栅过筛和预脱水后,进入热水解单元,接着进入消化罐,再经脱水后,生成泥饼。他们还对每个单元的成本进行估算,预算分析如下表3所示:
  
  表3. 方案3的投资成本解析
  值得一提的是,他们还专门针对沼气的环境影响进行调研。经评估确认,该工艺不会对厂区周边的空气质量造成重大影响,可充分保护与该设施邻近的敏感人群的健康。
  未来计划
  美国阿灵顿污水厂的污泥处理升级计划有三点值得同行参考学习:
  积极的外联和沟通,并借此获得利益相关者的支持。
  调研充分,确保排放产物不会对环境造成负面影响
  评估条件的制定详细透明,为方案选择奠定基础
  经过前几年的技术评估论证之后,厂区规划是项目组下一步的工作重点。他们将对沼气利用以及氮磷侧流处理做更详细的调研,其中包括磷回收的可能性。
  “污泥管理是所有水资源回收工厂的基本要求。我们的目标始终是有效利用回收的营养物,变成可以销售的有价值的产品。” 污水厂经理Tom Broderick在接受采访时说,“我们会致力于污泥的安全使用,相信城市和农业景观都会因此受益。”Broderick先生还透露,升级项目的设计工作计划在2020年开始,预计在2027年左右投产使用。
  
  图5. 阿灵顿污水厂实景 |图源:Alingtonva.us
  参考资料
  http://www.virginiabiosolids.com/arlington-plan-focuses-resource-recovery/
  https://newsroom.arlingtonva.us/release/county-board-approves-water-pollution-control-plants-solids-master-plan/
  https://www.aaees.org/e3scompetition/2011grandprize-design.php
  https://balfourbeattyus.com/our-work/project-portfolio/arlington-water-pollution-control-plant-upgrade-an
  https://water.arlingtonva.us/sewer/wastewater-treatment/