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利用工程措施解決合流制污水泵站的污水溢流問題

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利用工程措施解決合流制污水泵站的污水溢流問題
William D. Fuqua Ralph J. Jagelavicius
目前，康涅狄格河每年通過合流制雨水泵站
（CSOs）排出的未經(jīng)處理的污水量超過了190萬
m3，其中大部分污水來自麻薩諸塞州霍利奧克
市的第九號(hào)CSO泵站。為了提高河水水質(zhì)，美國(guó)
環(huán)保署（EPA）向霍利奧克市下達(dá)了一項(xiàng)行政指
令，要求該市在2004年9月前減少雨季和旱季的污
水溢流，每年9號(hào)CSO泵站的溢流次數(shù)不允許超過
4次。
2003年12月17日，霍利奧克市發(fā)布了一個(gè)征
求建議書，要求設(shè)計(jì)并新建一個(gè)減少CSO溢流的
設(shè)施，每年至少可以處理88.95萬m3的污水，同時(shí)
升級(jí)改造污水處理廠并在未來的20年里運(yùn)行這兩
個(gè)系統(tǒng)。所有建設(shè)工作需要在3年內(nèi)完成并通過驗(yàn)
收。
最終，建設(shè)者們不僅完全達(dá)到了建議書的要
求，還比預(yù)期提前一年完成。這項(xiàng)工程節(jié)約了
1000萬美元，同時(shí)提高了河水水質(zhì)，使霍利奧克
市的水質(zhì)達(dá)到了EPA的要求。
過時(shí)的設(shè)施
霍利奧克市位于西馬薩諸塞州的康涅狄格河
畔，它是美國(guó)規(guī)劃的首批工業(yè)城市之一。在上個(gè)
世紀(jì)初，設(shè)計(jì)了三級(jí)運(yùn)河，為超過50家機(jī)械和電
力企業(yè)供水?；衾麏W克市發(fā)展迅猛。30年的時(shí)間
里，它被稱為“工業(yè)城市皇后”和“世界的造紙
城市”。
現(xiàn)在，霍利奧克市是一個(gè)多元化的城市，有
大約4萬居民。仍有一些造紙廠向城市的合流污水
收集系統(tǒng)排放工業(yè)廢水。霍利奧克市約188km的
污水收集管道中，有66%的管道同時(shí)收集污水和
雨水。雨水收集系統(tǒng)大約有116km，尺寸不一，
最大的直徑為3m?；衾麏W克市有17個(gè)擁有許可
證的CSO排放管，其中14個(gè)在雨天向康涅狄格河
排污。這個(gè)系統(tǒng)還包括7個(gè)污水泵站和7個(gè)泄洪泵
站。
城市的污水由康涅狄格河旁邊的一個(gè)污水處
理廠處理。這個(gè)污水處理廠采用純氧活性污泥法
工藝，它由2個(gè)部分組成，一個(gè)建設(shè)于20世紀(jì)70年
代末，另一個(gè)建設(shè)于80年代末。其設(shè)計(jì)處理量為
6.624萬m3/d，峰值時(shí)期的設(shè)計(jì)處理量為14.004 5
萬m3/d。廠址具9號(hào)泵站很近。
4個(gè)主要目標(biāo)
當(dāng)霍利奧克市發(fā)布征求建議書的時(shí)候，就已
經(jīng)設(shè)想了幾個(gè)需要達(dá)到的目標(biāo)。首先是減少未經(jīng)
處理的CSOs以達(dá)到EPA的要求。建議書中給出了
兩種建造CSO削減設(shè)施的方案：（1）可以儲(chǔ)存、
處理大部分溢流并泵回污水處理廠進(jìn)行進(jìn)一步處
理的系統(tǒng)； （2）申請(qǐng)人選擇采用的技術(shù)能達(dá)到
CSO削減要求，得到所有政策制定者通過并取得
許可證。
第2個(gè)目標(biāo)是同時(shí)改進(jìn)收集系統(tǒng)和現(xiàn)有的污水
處理廠，滿足其他行政指令的要求?；衾麏W克市
建議對(duì)一些年久失修的地區(qū)進(jìn)行改造。投標(biāo)人需
要替換現(xiàn)有設(shè)備或進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。所有設(shè)備改建
的成本和性能均由承包人負(fù)責(zé)。
第3個(gè)目標(biāo)是建立運(yùn)行和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，這點(diǎn)需要
與申請(qǐng)人進(jìn)行協(xié)商。例如，排放的污水應(yīng)達(dá)到美
國(guó)國(guó)家污染排放制度許可證（NPDES permit）的
要求。同時(shí)，還希望CSOs能達(dá)到聯(lián)邦和州的排放
限值。系統(tǒng)產(chǎn)生的惡臭也應(yīng)得到控制，并能通過
在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行監(jiān)管。
第4個(gè)目標(biāo)是在由政府經(jīng)營(yíng)向私人轉(zhuǎn)移的過程
中確保雇員的就業(yè)?，F(xiàn)有的雇員應(yīng)能成為申請(qǐng)人
的“指定雇員”，他們的工作與福利應(yīng)與之前相
當(dāng)或更好。同時(shí)，市政府也將保留所有未經(jīng)合同
轉(zhuǎn)移給運(yùn)行方的所有資產(chǎn)的所有權(quán)。
需要提升諸多能力
霍利奧克市市政府及其顧問們對(duì)各項(xiàng)提案進(jìn)
行了評(píng)估，依據(jù)是申請(qǐng)者的資質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)特
點(diǎn)、凈現(xiàn)值、項(xiàng)目估算成本。2004年秋，他們選
擇了由United Water、AECOM及RHWhite建筑公
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司組成的團(tuán)隊(duì)。
此后，就建設(shè)一個(gè)新的CSO處理設(shè)施及霍利
奧克市現(xiàn)有污水處理基礎(chǔ)設(shè)施20年的運(yùn)行和維護(hù)
合同進(jìn)行了談判。歷時(shí)幾個(gè)月的艱難談判后，雙
方同意中標(biāo)方將承擔(dān)設(shè)備維護(hù)和替換、能源使
用、O&amp;amp;M及達(dá)到政府規(guī)章等帶來的所有風(fēng)險(xiǎn)?；?
利奧克市市政府將承擔(dān)通貨膨脹、電力成本、不
可控情況、污水水質(zhì)及由于法規(guī)改變?cè)斐晒こ特?cái)
政影響等方面的所有風(fēng)險(xiǎn)。2005年9月，合同正式
簽署。
2005年10月1日，項(xiàng)目中標(biāo)方開始接管已有污
水處理設(shè)備并著手開展設(shè)備提升的最后設(shè)計(jì)。規(guī)
劃中最大的改進(jìn)是新建一個(gè)處理量為38.99萬m3/d的
CSO處理設(shè)施。它集儲(chǔ)蓄和稀釋、泵水、格柵、
消毒和脫氯的功能于一體。中標(biāo)團(tuán)隊(duì)根據(jù)霍利奧
克市提供的模型運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量參
考1976年的暴雨數(shù)據(jù)，該年被認(rèn)為是典型的雨量
設(shè)計(jì)年份。
另一個(gè)主要的改進(jìn)是新建一個(gè)控制門，可以
從現(xiàn)有的9號(hào)CSO泵站系統(tǒng)攔截9.46萬m3/d的暴雨
量。這些污水將被送到升級(jí)改造后的污水處理廠
進(jìn)行二級(jí)處理。
為了能處理多出來的流量，霍利奧克市要求
進(jìn)行以下的設(shè)備改進(jìn)項(xiàng)目：（1）替換或修理現(xiàn)有
的Archimede進(jìn)水螺桿泵。（2）替換兩個(gè)終極清
泥機(jī)。（3）改進(jìn)氯消毒系統(tǒng)。（4）替換一些頂
蓋。（5）改進(jìn)電力、供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)。
（6）修理收集系統(tǒng)的泵站。
項(xiàng)目中標(biāo)方建議采取進(jìn)一步改進(jìn)工程。例
如，他們計(jì)劃使用就地制氧系統(tǒng)替換變壓吸附純
氧制造系統(tǒng)。新的系統(tǒng)可以使人為制造缺氧區(qū)和
有氧區(qū)，進(jìn)而有利于氮的去除。中標(biāo)方還計(jì)劃進(jìn)
行以下的改進(jìn)：（1）安置生物濾膜以控制臭氣排
放。（2）添加一個(gè)轉(zhuǎn)筒機(jī)處理活性污泥。（3）
安置化學(xué)品添加系統(tǒng)。（4）升級(jí)監(jiān)管和數(shù)據(jù)捕獲
系統(tǒng)。
時(shí)間緊迫
中標(biāo)團(tuán)隊(duì)剛要開始工程時(shí)，康涅狄格河的水
位上升到了洪水水位，河水倒灌進(jìn)了收集系統(tǒng)。
當(dāng)時(shí)污水處理廠的3個(gè)Archimede進(jìn)水螺桿泵只有2
個(gè)在工作，其中的一個(gè)在幾星期后也壞了，使得
污水處理廠只有應(yīng)對(duì)一場(chǎng)小雨的泵水能力。
2個(gè)星期里，中標(biāo)方借了2個(gè)臨時(shí)的離心泵，
處理量達(dá)到15.1萬m3/d。這2個(gè)泵一直工作到12月
以后新的升級(jí)系統(tǒng)完成。
新的進(jìn)水泵站采用了6個(gè)能潛在水中的離心
泵。每個(gè)泵的處理能力為3.29萬m3/d，可以通
過2個(gè)操控器在幾小時(shí)內(nèi)進(jìn)行操控。另一方面，
Archimede螺桿泵重超過40t，需要采用起重機(jī)花
費(fèi)好幾周的時(shí)間完成主要的修復(fù)工作。
CSO處理設(shè)備的開工時(shí)間原計(jì)劃是在2006年2
月，但由于霍利奧克市需要為新設(shè)備爭(zhēng)取一塊額
外的地皮而使開工有所延誤。因此，在那年的冬
春，建設(shè)方將精力主要放在場(chǎng)地的準(zhǔn)備和開挖工
作上。
2006年6月6日，在霍利奧克市污水處理廠所
在地舉行了開工典禮，CSO泵站的開挖工作也隨
后開始。在康涅狄格河旁進(jìn)行施工顯然是一個(gè)巨
大的挑戰(zhàn)。污水處理廠的廠址在大約15 000年以
前是長(zhǎng)為253km的Lake Hitchcock。在開挖到地下
3m以下時(shí)，施工方遇到了砂礫層和水層。為了打
一個(gè)13m深的洞，施工方不得不先打了近25個(gè)地
下水井，在CSO泵站下鋪滿了鋼的護(hù)板。這些井
在約一年的時(shí)間里泵出了大約6 810m3/d地下水。
地下水被泵到污水處理廠而不是康涅狄格河，這
主要是擔(dān)心附近原有的有害固廢處理場(chǎng)可能對(duì)地
下水有所污染。
新的混凝土泵站尺寸為26m×9.5m×13m，
有4個(gè)能沉在水中的離心泵，每個(gè)的處理量超過
12.87萬m3/d。CSO泵站設(shè)計(jì)的獨(dú)特在于使用了虹
吸管連接在離心泵上。根據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)算，采用
虹吸方式可能使每個(gè)泵節(jié)電37.5kW。
泵站直接安置在康涅狄格河攔截池的出水管
道上。這是一個(gè)混凝土加固的管道，直徑達(dá)3m。
為了充分利用儲(chǔ)存能力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)修復(fù)了新泵站
上游的180m管道，以緩解存儲(chǔ)流量的壓力。
根據(jù)設(shè)計(jì)，泵站流量是可以測(cè)量，水被送到
2個(gè)氯接觸池，它們的尺寸是50m×12m×4m，并
以串聯(lián)的方式運(yùn)行。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)不需要在氯接觸池
做脫水作業(yè)，因?yàn)槌刈邮窃诘仄矫嫔系摹＝佑|池
可以儲(chǔ)蓄3 407m3的污水，在高峰流量為38.99萬
m3/d的情況下，可以保持停留時(shí)間為11min。
在暴雨時(shí)，合流污水管內(nèi)的污水通過2個(gè)尺寸
為12.7mm的機(jī)械格柵后進(jìn)入第1個(gè)池子。在進(jìn)入
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氯接觸池前，污水會(huì)先進(jìn)入一個(gè)次氯酸鈉消毒系
統(tǒng)進(jìn)行消毒。CSO處理系統(tǒng)中的污水在排入康涅
狄格河之前還會(huì)經(jīng)硫酸氫鈉處理以去除余氯。
作為新的消毒系統(tǒng)的一部分，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建設(shè)
了一個(gè)114m3大的次氯酸鈉儲(chǔ)存罐和泵站，一個(gè)
9.5m3大的硫酸氫鈉儲(chǔ)存罐和泵站。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)拆除
了污水處理廠原有的0.5Mg（1t）圓筒氯消毒系
統(tǒng)，加上了新的次氯酸鈉設(shè)備。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在泵站和氯接觸池中還分別添加了
一個(gè)能沉在水中、處理量為1.5m3/min的脫水泵，
以便將暴雨徑流儲(chǔ)存在攔截池和接觸池中，并在
暴雨過后將這些污水送到污水處理廠進(jìn)行處理。
此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)新建了一個(gè)無線的監(jiān)控和數(shù)
據(jù)收集系統(tǒng)協(xié)助整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。運(yùn)行方選擇可
以在CSO處理廠或污水處理廠的控制房?jī)?nèi)操控整
個(gè)處理設(shè)備。
還需進(jìn)一步改善
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最后提前了一年保質(zhì)保量地完成了
改建工程并節(jié)約了1 000萬的資金成本和運(yùn)行成本
（凈現(xiàn)值）。升級(jí)系統(tǒng)也大大改進(jìn)了員工的工作
環(huán)境。作為項(xiàng)目的一部分，這個(gè)團(tuán)隊(duì)還通過談判
爭(zhēng)取到了績(jī)效合約，提高員工的工資、福利、培
訓(xùn)和升職機(jī)會(huì)。
污水處理廠目前可以持續(xù)達(dá)到出水的大腸菌
群月排放限值（200個(gè)/100mL）及總殘留氯標(biāo)準(zhǔn)
（0.74mg/L）。
總體而言，霍利奧克市的康涅狄格河CSO處
理系統(tǒng)通過減少向河流排放CSO，在保護(hù)和改善
馬薩諸塞州康涅狄格河水質(zhì)上向前邁了一大步，
并達(dá)到了霍利奧克市與EPA的行政同意令及州許
可證要求。在2008年，CSO系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)了76次，
當(dāng)年的年降雨量為1 844mm。而模型計(jì)算使用的
1976年降雨量為820.2mm，出現(xiàn)了64次未經(jīng)處理
的溢流情況。2008年，康涅狄格河的CSO處理系
統(tǒng)截獲并處理了1 800萬m3的合流污水。一度是康
涅狄格河最大問題的CSO溢流對(duì)環(huán)境的影響已變
得非常小，每年可以減少向河里溢流量達(dá)到94.6
萬m3。
裴 蓓 譯自Lucky No.9.《Water environmental science &amp;amp; technology》, 2009, July: 29~33.
利用懸浮氣浮法捕集藻類
目前水體中藻類的去除方法能耗高，比較昂
貴。研究人員針對(duì)廢水氧化塘的藻類情況開展研
究，以尋求一種更有效的捕撈技術(shù)。分析表明，
氧化塘廢水中藻類（主要包括小球藻和柵藻）
在研究期間的顆粒總量約80%。結(jié)果顯示：懸浮
氣浮法捕撈藻類比溶氣浮選法（P <0.001）氣固
比低、能耗要求低、負(fù)荷高。更有效的藻類捕撈
技術(shù)有利于通過有效節(jié)省成本的方式削減最終出
水的顆粒含量，從而處理廢水中的浮游植物。此
外，利用SAF捕撈成熟的小球藻和柵藻可以減少
藻類產(chǎn)品（如，燃料、肥料以及魚類飼料）的制
造成本。

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