高速公路服務(wù)區(qū)污水處理現(xiàn)狀問題及應(yīng)對策略淺析

周德柱，劉 煌，胡 燕，許國靜

(招商局生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰?，重慶 400067)

根據(jù)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，到2020年底我國高速公路里程將達(dá)到15萬km。根據(jù)高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范，沿途服務(wù)區(qū)的平均間距≤50 km，屆時高速公路服務(wù)區(qū)的數(shù)量約為3 000對。高速公路服務(wù)區(qū)大多設(shè)置在遠(yuǎn)離城市集中式市政污水管網(wǎng)收集區(qū)外，常采用分散式污水處理后排放方式，高速公路服務(wù)區(qū)處理規(guī)模每d約30 t/側(cè)～150 t/側(cè)，年污水排放量在0.66億t～3.3億t，在當(dāng)前環(huán)境污染形勢日益嚴(yán)峻的背景下，服務(wù)區(qū)污水能否得到有效處理，將直接影響和制約我國高速公路的可持續(xù)發(fā)展。

1 國內(nèi)外高速公路服務(wù)區(qū)污水處理工藝技術(shù)

1.1 國內(nèi)常見的處理技術(shù)

1) 活性污泥法處理技術(shù)

當(dāng)今城鎮(zhèn)生活污水處理的核心工藝，較早應(yīng)用于國內(nèi)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理的技術(shù)之一。常見的有A/O、A2/O、A3/O、氧化溝等連續(xù)運(yùn)行工藝，也有SBR、CASS等間隙運(yùn)行處理工藝?；钚晕勰喾ǖ暮诵氖且揽炕钚晕勰噍d體中大量的懸浮微生物吸附分解污染物。該技術(shù)十分成熟，污染物去除效果好，運(yùn)行控制靈活；同時也存在耐沖擊性能力低，活性污泥膨脹等常見問題。

2) 生物膜法處理技術(shù)

生物膜法利用載體表面或內(nèi)部附著生長的生物膜降解污染物。污水與載體上的生物膜充分接觸過程中，有機(jī)污染物、氮等在微生物的作用下得以去除。生物膜法的技術(shù)形式有多種，如生物接觸氧化法、曝氣生物濾池、移動床生物反應(yīng)器(MBBR)等。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生物接觸氧化法是近些年高速公路服務(wù)區(qū)污水處理中最常見的工藝[1]。采用生物膜工藝處理污水的效果一般優(yōu)于活性污泥法，但生物膜法存在填料系統(tǒng)的投資和運(yùn)行維護(hù)成本較大的問題。

3) 膜生物反應(yīng)器(MBR)處理技術(shù)

利用膜分離技術(shù)中的超微濾技術(shù)與污水處理中的傳統(tǒng)活性污泥法相結(jié)合，用膜組件代替活性污泥法中的二沉池，它是生化處理和膜過濾的有機(jī)組合。因該工藝占地面積小，且出水穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于服務(wù)區(qū)污水處理。目前限制MBR技術(shù)應(yīng)用的主要因素為過濾膜不可避免的堵塞及通量衰減，投資和運(yùn)行成本較高。

4) 人工濕地類處理技術(shù)

模擬自然濕地結(jié)構(gòu)和功能的生態(tài)化污水處理系統(tǒng)，污水在預(yù)處理后，有控制地投配到人工種植水生、濕生植物的土地上，通過耐水植物的截留沉淀和土壤的自然降解等作用對污水進(jìn)行凈化。該技術(shù)具有出水水質(zhì)好、景觀效果好、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在南方有一定場地空間的服務(wù)區(qū)具有很好的推廣應(yīng)用前景，但存在占地面積大、低溫時處理效果較差等問題。

1.2 國外的處理技術(shù)

高速公路服務(wù)區(qū)一般地處偏遠(yuǎn)，服務(wù)區(qū)污水處理屬于非常典型的分散式污水處理，國外針對高速公路服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)研究的文獻(xiàn)資料和報道較少。

針對分散式污水的處理方式，美國的國家環(huán)保署(EPA)推薦采用低投資、低運(yùn)行成本的處理技術(shù)，比如土壤吸收系統(tǒng)、土墩系統(tǒng)、砂濾系統(tǒng)、污水蒸散系統(tǒng)等[2]。

20世紀(jì)80年代開始，日本政府也大力推動分散型生活污水的治理。凈化槽作為一種一體化水處理裝備，在日本的普及率每年都呈遞增趨勢，且已形成一套比較完善的法律法規(guī)體系、財政補(bǔ)貼制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐和規(guī)范著凈化槽技術(shù)的應(yīng)用。凈化槽的處理工藝主要是厭氧過濾+接觸曝氣工藝和反硝化型厭氧過濾+接觸氧化工藝。此外，還有固體處理單元的小型凈化槽、新型膜分離凈化槽和一些有特殊功能的凈化槽。

德國在21世紀(jì)初就開始推行建設(shè)分散市鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，無法接入市政管網(wǎng)的分散式生活污水推薦采用膜生物反應(yīng)器和PKA濕地污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。PKA濕地屬于人工濕地的概念范疇，與普通人工濕地的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：1) 介質(zhì)層由不同介質(zhì)按特定配比混合組成，介質(zhì)層可多達(dá)6層，分層鋪設(shè)，每一層的配合比、組成成分、厚度、土力學(xué)特性等參數(shù)均不相同。2) PKA濕地表面干燥，沒有積水，人可在上面行走。PKA濕地本身就是綠化，在處理污水的同時還是景觀綠地。3) 日常運(yùn)行費(fèi)用很低，處理1 t污水的費(fèi)用為0.03元～0.05元[3]。

上述國外的處理技術(shù)已在國內(nèi)得到引進(jìn)及應(yīng)用，但是由于專利技術(shù)等原因，其建設(shè)投資成本一般明顯高于國內(nèi)常規(guī)的污水處理系統(tǒng)。此外，凈化槽采用模具一體化成型，一般適用于極小規(guī)模的分散式污水處理(≤20 t/d)，PKA技術(shù)也同樣存在占地面積大等缺點(diǎn)。

1.3 新技術(shù)應(yīng)用綜述

近些年，針對高速公路服務(wù)區(qū)污水處理領(lǐng)域，在既有研究成果的基礎(chǔ)上，逐步出現(xiàn)了一些新的技術(shù)。

陳磊等[4]研究了工程菌+曝氣生物濾池(EM-BAF)工藝的一體化裝置對高速公路生活污水中的COD、氨氮的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，EM-BAF工藝啟動掛膜迅速，可有效去除高速公路生活污水中的COD、氨氮等污染物，去除效率分別高達(dá)94.45%和94.53%，出水完全可滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級A類標(biāo)準(zhǔn)，裝置停運(yùn)后再啟動僅在48 h內(nèi)處理后出水水質(zhì)即恢復(fù)正常。

彭帥等[5]基于對高速公路服務(wù)區(qū)水質(zhì)特征及處理現(xiàn)狀的調(diào)研，以自行研制復(fù)合活性催化載體為工藝基礎(chǔ)，將微生物脫氮作用與化學(xué)催化作用進(jìn)行耦合，開發(fā)出一種適合高速公路服務(wù)區(qū)生活污水深度處理的系統(tǒng)工藝。通過實(shí)驗(yàn)室小試與現(xiàn)場工藝中試在不同參數(shù)((HRT，DO、回流比)下的長期穩(wěn)定運(yùn)行驗(yàn)證，物化與生化耦合多級A/O系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低溫條件下的高效脫氮除磷。實(shí)際工程中物化與生化耦合多級A/O系統(tǒng)最佳HRT為7.5 h(厭氧反應(yīng)器為4.5 h，好氧反應(yīng)器為3.0 h)，最佳DO濃度為4.0 mg/L，最佳回流比為4。系統(tǒng)異養(yǎng)反硝化作用占總反硝化作用的64.5%，而物化與生化耦合催化生物膜反應(yīng)器中存在基于復(fù)合活性催化載體的自養(yǎng)反硝化作用的貢獻(xiàn)率>35%。

王恒等[6]針對高速公路服務(wù)區(qū)需水量多和生活污水氨氮濃度高的特點(diǎn)，研究采用聚鋁與沸石床過濾的組合工藝來處理這類污水，以便中水回用。結(jié)果表明，污水中COD、SS等指標(biāo)可通過混凝沉淀處理得到有效去除，而水中的氨氮濃度可通過沸石床去除。采用沸石再生處理裝置并用再生液進(jìn)行再生處理，再生處理后的沸石返回。經(jīng)核算，該工藝每t水的回用處理成本約為1.33元，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益十分顯著。

Hongbo Chen等[7]將延長靜置段的好氧生物除磷工藝(AEI)應(yīng)用于某高速公路服務(wù)區(qū)的生活污水處理。該工藝以聚磷菌的厭氧-好氧生物除磷理論為基礎(chǔ)，結(jié)合序批式生物反應(yīng)器(SBR)工藝，將生物除磷過程完全在好氧池內(nèi)進(jìn)行。在對AEI反應(yīng)周期的不同靜置時間對其影響的研究中，當(dāng)靜置時間為8 h時，系統(tǒng)除磷效率最高，其平均除磷率達(dá)到95.18%。

Ian N. Balcom等[8]研究了位于美國佛蒙特州的高速公路觀光服務(wù)區(qū)內(nèi)一處污水處理站對藥物及微污染物的處理效果。該污水處理站采用了生態(tài)型的污水處理系統(tǒng)，提高了微污染物的處理效果。工藝流程為“缺氧+厭氧+三級植生好氧+沉淀過濾”，該工藝在好氧池表面栽植了大量的水生植物，利用植物/微生物交互反應(yīng)分解污染物。

Yoo Hyun等[9]將污水處理與污泥處理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并應(yīng)用在某高速公司服務(wù)區(qū)的污水處理站。將污水處理站的剩余污泥與過量石灰石混合調(diào)理后再進(jìn)行壓濾處理，濾液作為堿度返回污水系統(tǒng)，從而增加了污染物的處理效果。當(dāng)剩余污泥與石灰石的比例為1∶2時，有機(jī)物降解速率、硝化速率及脫氮速率分別提高了64%、35%及68%。該技術(shù)既有效處理了污泥，也提高了污水處理效率。

2 當(dāng)前服務(wù)區(qū)污水處理存在的問題

影響服務(wù)區(qū)污水處理工藝技術(shù)方案的主要因素有進(jìn)水水質(zhì)、水量規(guī)模、投資、占地面積等。本文僅從污水水質(zhì)及水量規(guī)模2個因素分別分析當(dāng)前服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)存在的問題。

2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)選擇不當(dāng)

服務(wù)區(qū)污水中沖廁污水所占比例很大，根據(jù)調(diào)研結(jié)果達(dá)到40%～80%，因此污染負(fù)荷更高。根據(jù)簡麗等[1]對全國7省239對公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施的現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果，對典型污水處理設(shè)施進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測，COD實(shí)際可高達(dá)700 mg/L，氨氮達(dá)到100 mg/L，實(shí)際污染物指標(biāo)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。馬聰、胡博、史良于等[10-12]在服務(wù)區(qū)污水處理的研究中對服務(wù)區(qū)污水水質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 服務(wù)區(qū)生活污水的典型水質(zhì)情況 mg/L

根據(jù)《水污染控制工程(修訂版)》[13]，典型的生活污水水質(zhì)見表2。服務(wù)區(qū)污水的COD和氨氮平均濃度分別接近和超過表中典型的高濃度型生活污水的COD和氨氮濃度，屬于高濃度型生活污水。

表2 典型的生活污水水質(zhì) mg/L

此外，節(jié)假日期間，服務(wù)區(qū)一般都超負(fù)荷運(yùn)行，污水水質(zhì)可長時間維持在上表中的各區(qū)間的上限，屬于超高濃度型的生活污水。因此，在服務(wù)區(qū)污水處理工程的設(shè)計(jì)階段，需要因“質(zhì)”而宜?，F(xiàn)行的污水設(shè)計(jì)規(guī)范大多適用于一般的城鎮(zhèn)生活污水，其中某些設(shè)計(jì)參數(shù)可能并不適用于高濃度的服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)計(jì)。例如，由于COD等污染物濃度較高，則服務(wù)區(qū)污水在生化段的停留時間必然要明顯大于傳統(tǒng)的市政污水的停留時間。

根據(jù)服務(wù)區(qū)水質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)[1]，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致污水處理負(fù)荷過高，是當(dāng)前許多高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站建成之后出水不達(dá)標(biāo)的重要原因。

2.2 污水水量波動影響較大

因天氣、節(jié)假日、時段或者其它因素引起車流量隨機(jī)性變化，從而造成服務(wù)區(qū)產(chǎn)生污水量具有較大的波動性，車流量是導(dǎo)致服務(wù)區(qū)污水量變化的關(guān)鍵因素。

1) 一般夏季污水量較大，冬季較小。

2) 污水量在1 d中也會有較大的波動，一般服務(wù)區(qū)污水量的高峰發(fā)生在中午，低谷發(fā)生在深夜或凌晨。

3) 高速公路運(yùn)行初期車流量較小，隨后逐年增大，污水量也呈逐年增加趨勢。

4) 節(jié)假日，尤其法定長假期間，許多服務(wù)區(qū)的接待車流量一般會是日常平均值的2倍及以上。此時，服務(wù)區(qū)的污水產(chǎn)生量一般也會隨之以相應(yīng)的倍數(shù)增長。

上述4個導(dǎo)致水量波動的因素中，尤以節(jié)假日因素對服務(wù)區(qū)污水處理站的沖擊影響最為明顯和突出。據(jù)調(diào)查，我國西部某高速服務(wù)區(qū)在春節(jié)期間的日污水量達(dá)到平時污水量的5倍。不同于污水量在1 d中的波動，節(jié)日假期間的污水量則會持續(xù)幾天維持在高位，大大超出了一般污水處理站富裕處理規(guī)模。污水處理站生化處理段一般是可短時間的沖擊負(fù)荷，但對長時間的高濃度大水量的來水，生化系統(tǒng)很難達(dá)到穩(wěn)定合格的出水水質(zhì)。

因此，由于水量的劇烈波動產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷，也是影響我國現(xiàn)有高速服務(wù)區(qū)的污水處理設(shè)施正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

2.3 主要污水處理技術(shù)對服務(wù)區(qū)污水的適應(yīng)性分析

當(dāng)前國內(nèi)常用的服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)對服務(wù)區(qū)污水的適應(yīng)性分析見表3。

表3 主要污水處理技術(shù)對服務(wù)區(qū)污水的適應(yīng)性分析

3 應(yīng)對策略

3.1 合理選擇進(jìn)水水質(zhì)及工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

1) 設(shè)計(jì)前需對服務(wù)區(qū)的污水進(jìn)行調(diào)研監(jiān)測，確定實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)。

2) 合理選擇污水處理的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。服務(wù)區(qū)的生活污水主要以高濃度的糞便污水為主，需謹(jǐn)慎選擇污泥負(fù)荷率、水力停留時間、溶解氧濃度、污泥齡等工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，切忌直接照搬中等濃度或低濃度市政生活污水的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。核心的設(shè)計(jì)參數(shù)則建議通過小試試驗(yàn)確定。

3) 適當(dāng)提高服務(wù)區(qū)一體化污水處理設(shè)備的富裕處理量。一體化污水處理設(shè)備因處理規(guī)模小，在服務(wù)區(qū)污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但市場上有許多設(shè)備是基于中低濃度的生活污水進(jìn)行設(shè)計(jì)的，不可直接應(yīng)用于服務(wù)區(qū)污水處理。因此建議擬購設(shè)備的處理規(guī)模至少為服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)水量的1.5～2.0倍。

3.2 優(yōu)化污水處理工藝流程

針對服務(wù)區(qū)生活污水濃度高、水量波動大的特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化污水處理工藝流程的建議:

1) 前段設(shè)置厭氧處理工序。通過厭氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌的厭氧消化或發(fā)酵，降解有機(jī)污染物，產(chǎn)生沼氣和少量污泥，適用于處理高濃度有機(jī)污水。增設(shè)厭氧處理工藝，既節(jié)能，又大大減輕后續(xù)處理單元的負(fù)荷，降低污泥處置費(fèi)用。在服務(wù)區(qū)污水處理中，可設(shè)置厭氧罐、UASB、EGSB等厭氧反應(yīng)器，此外增大化糞池容積也是一種簡單有效厭氧處理方式。

2) 提高調(diào)節(jié)池容積。由于污水水量波動較大，增大調(diào)節(jié)池容積可提高污水水量的調(diào)節(jié)能力。同時，在調(diào)節(jié)池內(nèi)投放一定量大尺寸的懸浮填料，封閉條件下也可實(shí)現(xiàn)厭氧處理功能。

3) 前端設(shè)置化學(xué)強(qiáng)化一級處理。通過向污水中添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥劑，將離散的顆粒物質(zhì)化學(xué)脫穩(wěn)，并通過異向絮凝形成較大的顆粒，較大的顆粒易于用沉淀或過濾的方式去除。根據(jù)以往的研究結(jié)果，前段設(shè)置化學(xué)強(qiáng)化一級處理后，污水中污染物的去除率可達(dá)60%，有效降低了后續(xù)單元的處理負(fù)荷。

4) 提高抗沖擊負(fù)荷能力。好氧接觸氧化、生物轉(zhuǎn)盤等生物膜法工藝較活性污泥法具有較好的耐沖擊負(fù)荷能力。在生化反應(yīng)池內(nèi)設(shè)置固定填料或懸浮填料，一般可明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因物化法的污水處理效率與可靠性均優(yōu)于傳統(tǒng)生化處理法，在污水排放流量波動較大、用地緊張、增擴(kuò)調(diào)節(jié)池容積困難的情況下，物化/生化聯(lián)用法是一個值得嘗試的探索。當(dāng)系統(tǒng)處于低水量負(fù)荷時，核心工藝采用常規(guī)生化處理工藝；當(dāng)高水量負(fù)荷時，則暫停生化處理功能，利用生化池的空間作物化處理。水量恢復(fù)正常后，再將生化池切換至生化處理功能。

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，未來高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理規(guī)模日益龐大，對污水處理設(shè)施的出水合格率、效率、節(jié)能等方面的要求也必將愈來愈嚴(yán)格，新建或改建高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施的建設(shè)需考慮以下幾點(diǎn)：

1) 生態(tài)節(jié)能是當(dāng)下社會發(fā)展的主流趨勢，在篩選服務(wù)區(qū)污水處理工藝技術(shù)時，既要考慮成熟可靠的常規(guī)處理技術(shù)，也可因地制宜地選擇應(yīng)用一些新技術(shù)、低能耗、生態(tài)型的污水處理工藝。

2) 服務(wù)區(qū)污水一般屬于高濃度污水，且水量波動大，影響服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

3) 服務(wù)區(qū)污水處理站建設(shè)時，需進(jìn)行調(diào)研監(jiān)測，合理選擇進(jìn)水水質(zhì)及工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，切忌直接照搬中等濃度或低濃度市政生活污水的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

4) 在前段設(shè)置厭氧處理工序、提高調(diào)節(jié)池容積、前端設(shè)置化學(xué)強(qiáng)化一級處理、提高抗沖擊負(fù)荷能力等方式優(yōu)化污水處理工藝流程。