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/