高速公路服務(wù)區(qū)污水脫氮除磷工藝適應(yīng)性研究

張 星

（山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

高速公路服務(wù)區(qū)主要承擔(dān)過(guò)往駕乘人員的臨時(shí)休息、餐飲服務(wù)等，產(chǎn)生的污水類型主要為生活污水，隨著近年來(lái)山西省高速公路路網(wǎng)的不斷完善，便捷的高速公路出行條件促進(jìn)了沿線服務(wù)區(qū)駕乘人員數(shù)量的增多，服務(wù)區(qū)污水產(chǎn)生量亦相應(yīng)增多，特別是節(jié)假日期間客流量增多造成污水產(chǎn)生量劇增，對(duì)服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備運(yùn)行造成了一定的挑戰(zhàn)。

自2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來(lái)，山西省出臺(tái)了《山西省水污染防治工作方案》，并逐年發(fā)布年度水污染防治行動(dòng)計(jì)劃，對(duì)工作方案內(nèi)容按年度目標(biāo)分解實(shí)施。根據(jù)《山西省水污染防治2018年行動(dòng)計(jì)劃》，重點(diǎn)工作中要求“全省高速公路服務(wù)區(qū)污水全部實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。繼續(xù)推進(jìn)服務(wù)區(qū)水資源循環(huán)利用改造試點(diǎn)”。此外，根據(jù)山西省地方標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（報(bào)批稿）征求意見稿，2020年1月1日起，生活污水排入Ⅱ～Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)時(shí)，執(zhí)行化學(xué)需氧量30 mg/L、氨氮1.5 mg/L、總磷0.3 mg/L 排放限值，排入Ⅳ～Ⅴ類水環(huán)境功能區(qū)時(shí)，執(zhí)行化學(xué)需氧量 40 mg/L、氨氮 2.0 mg/L、總磷0.4 mg/L 排放限值。面對(duì)當(dāng)前水污染防治的高壓態(tài)勢(shì)，高速公路服務(wù)區(qū)現(xiàn)有污水處理技術(shù)難以滿足要求，尤其需要更新污水處理脫氮除磷工藝，滿足新時(shí)期水污染防治的要求。

目前，常見的廢水除磷方法包括生物學(xué)處理法和物理化學(xué)處理法兩種，利用生物反應(yīng)除磷相比物理化學(xué)除磷成本較低，但是除磷能力有限。

1 污水生物脫氮除磷研究現(xiàn)狀

生物法脫氮除磷主要是通過(guò)厭氧段、缺氧段、好氧段的交替操作，利用聚磷菌的超量磷吸收現(xiàn)象，將廢水中的磷轉(zhuǎn)移進(jìn)入剩余污泥；利用亞硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌的作用，去除污水中的氮。本研究選取了當(dāng)前同時(shí)生物脫氮除磷工藝中工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單、去除效果較好的3 種工藝。

1.1 改良型A2/O工藝

改良型A2/O 工藝是指在傳統(tǒng)A2/O 工藝基礎(chǔ)上，在厭氧區(qū)前設(shè)置預(yù)脫氮池，改變傳統(tǒng)工藝中污水流經(jīng)厭氧池、缺氧池、好氧池的工藝順序，改良型工藝污水按比例分別進(jìn)入預(yù)脫氮池、厭氧池，污泥回流進(jìn)入預(yù)脫氮池，在預(yù)脫氮池內(nèi)微生物可利用進(jìn)水中的碳源進(jìn)行反硝化，降低污泥中的硝酸鹽氮的濃度，減小硝酸鹽氮對(duì)厭氧池內(nèi)聚磷菌釋磷的影響，從而加強(qiáng)污水脫氮除磷的效果，工藝流程圖見圖1。秦瑋等基于工程實(shí)例研究了改良型A2/O 工藝特性，在一定的工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行工況下，污水處理設(shè)施出水水質(zhì)中化學(xué)需氧量、氨氮、總磷可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)限值，即化學(xué)需氧量50 mg/L、氨氮5 mg/L、總磷0.5 mg/L，此外，該工藝由于受低碳源的影響，總氮的去除效果較差[1]。

圖1 改良型A2/O 工藝流程圖

1.2 多級(jí)A/O工藝

多級(jí)A/O（MAO）工藝為增加缺氧池、好氧池的級(jí)數(shù)，采用多級(jí)缺氧/好氧反應(yīng)區(qū)，強(qiáng)化處理效果，MAO 工藝一般與現(xiàn)有污水處理設(shè)備串聯(lián)使用。對(duì)于當(dāng)前污水處理設(shè)備處理后污水不滿足要求時(shí)，在現(xiàn)有設(shè)備的末端接入MAO 處理工藝，改善現(xiàn)有設(shè)備的脫氮除磷效果。MAO 工藝可為硝化菌及反硝化菌、聚磷菌提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，提高生物活性，有效降低污水中氮磷濃度，工藝流程圖見圖2。李彤彤等依托北京市某城市污水廠改造項(xiàng)目，研究了傳統(tǒng)A2/O 工藝基礎(chǔ)上增設(shè)MAO 工藝強(qiáng)化處理城市生活污水的脫氮除磷效果，研究結(jié)果表明經(jīng)MAO 工藝處理后，出水可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)限值，化學(xué)需氧量濃度為13.36 mg/L，氨氮濃度為0.14 mg/L，總氮濃度為3.31 mg/L，總磷濃度為0.46 mg/L[2]。

圖2 MAO 工藝流程圖

1.3 移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝是在鋼制或鋼筋混凝土池體內(nèi)填充有機(jī)合成材料制成的懸浮載體，通過(guò)控制裝置的曝氣過(guò)程，形成好氧、缺氧環(huán)境，載體表面生長(zhǎng)好氧、缺氧和厭氧菌種，可實(shí)現(xiàn)污水的高效處理。MBBR 工藝具有反應(yīng)速率高、容積負(fù)荷高、節(jié)約占地、不易堵塞、無(wú)需回流、系統(tǒng)控制管理方便等特點(diǎn)，工藝流程圖見圖3。

圖3 MBBR 工藝流程圖

鄭蓓等研究了以聚氨酯海綿和聚乙烯懸浮填料為MBBR 裝置填料，在交替間歇曝氣的條件下，MBBR 裝置對(duì)化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、懸浮物的去除效果，研究結(jié)果表明，MBBR 裝置在交替式間歇曝氣條件下，能夠在同一物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物、氮、磷的去除，進(jìn)水低碳是裝置同步脫氮除磷的限制因素，尤其對(duì)除磷過(guò)程影響明顯。在一定的工況條件下，出水中化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、懸浮物的質(zhì)量濃度分別為 21 .23 mg/L、3.27 mg/L、5.92 mg/L、0.55 mg/L、9 mg/L[3]。

2 化學(xué)沉淀法除磷研究現(xiàn)狀

化學(xué)沉淀除磷是通過(guò)向污水或經(jīng)生物法處理后的水中添加混凝劑，將磷化合物沉淀，使磷由水中轉(zhuǎn)移進(jìn)入化學(xué)污泥中，最終去除水中的磷的過(guò)程。本研究根據(jù)添加混凝劑位置的不同，選取了2 種化學(xué)沉淀除磷工藝。

2.1 同步側(cè)流化學(xué)除磷工藝

在污水生物處理階段投加混凝劑去除磷可在不改變現(xiàn)有污水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)的情況下增強(qiáng)除磷效果，但是直接投加藥劑對(duì)生物除磷具有一定的削弱效果[4]。為了避免藥劑與微生物直接接觸影響其生物活性，同步側(cè)流化學(xué)除磷工藝具有優(yōu)勢(shì)，其是在現(xiàn)有A2/O 工藝的厭氧池中引出一定比例的污泥，在厭氧條件下充分釋磷，釋磷后的污泥回流至好氧池，釋磷后的富磷上清液通過(guò)投加鋁鹽等混凝劑，形成磷的沉淀物，含磷化學(xué)污泥排放，沉淀上清液回流至厭氧池，工藝流程圖見圖4。袁林江等研究了倒置A2/O的同步側(cè)流化學(xué)除磷工藝，實(shí)驗(yàn)選取3 種（20%、25%、30%）側(cè)流比例下的化學(xué)除磷效果，結(jié)果表明，側(cè)流比例不宜過(guò)大，當(dāng)側(cè)流比例為20%時(shí)，可改善單純生物脫氮除磷的效果，促進(jìn)系統(tǒng)脫氮除磷能力的提高[5]。

圖4 同步側(cè)流化學(xué)除磷工藝流程圖

2.2 后沉淀化學(xué)除磷工藝

后沉淀化學(xué)除磷是在生物處理設(shè)施后，設(shè)置分離的設(shè)施將沉淀、絮凝和被絮凝物質(zhì)分離。一般將沉淀藥劑投加到二沉池后的混凝池中，并在其后設(shè)置沉淀池，工藝流程圖見圖5。龐洪濤等研究了后置沉淀化學(xué)除磷的工藝優(yōu)化控制，研究對(duì)比了恒量加藥和優(yōu)化控制在取得相同除磷效果時(shí)投加的藥劑量，結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化控制后，出水磷濃度的波動(dòng)變化較小，并減少藥劑用量約18.9%，采用動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)可在確保出水磷濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時(shí)減少藥劑投加量[6]。

圖5 后沉淀化學(xué)除磷工藝流程圖

3 山西省高速公路服務(wù)區(qū)污水脫氮除磷工藝研究

3.1 山西省高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)全省多處服務(wù)區(qū)的污水處理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)果表明現(xiàn)有高速公路服務(wù)區(qū)采用的污水處理工藝主要為生物接觸氧化工藝、A/O 工藝、A/O+MBR 工藝，污水處理設(shè)備現(xiàn)狀照片見圖6。

圖6 高速公路污水處理設(shè)備現(xiàn)狀照片

從目前山西省高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備采用的工藝情況可知，其工藝流程簡(jiǎn)單，脫氮除磷效果較差，污水處理后出水水質(zhì)難以滿足外排的環(huán)保要求。

3.2 服務(wù)區(qū)污水水質(zhì)

通過(guò)對(duì)全省部分服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備進(jìn)口、出口水質(zhì)進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 山西省部分服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備進(jìn)口、出口水質(zhì)平均值mg/L

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，目前全省高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備出口水質(zhì)滿足《公路服務(wù)區(qū)污水再生利用第 1 部分：水質(zhì)》（JT／T 645.1—2016）中綠化用水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)限值，與大多數(shù)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理后回用于綠化的要求相符合，但是由于冬季高速公路服務(wù)區(qū)及沿線綠化需水量下降，將導(dǎo)致冬季生活污水處理后無(wú)法全部回用，部分污水外排。將當(dāng)前高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備出水水質(zhì)與山西省地方標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（報(bào)批稿）征求意見稿相比較，COD 指標(biāo)基本可滿足要求，但是NH3-N、TP 指標(biāo)遠(yuǎn)高于要求的限值，因此，為了確保污水達(dá)標(biāo)排放，需對(duì)現(xiàn)有污水處理設(shè)備工藝進(jìn)行升級(jí)方能滿足要求。

3.3 服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備工藝選擇原則

根據(jù)當(dāng)前高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備的運(yùn)行狀況，確定服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備工藝選擇原則如下：

a）新建污水處理設(shè)備采用的脫氮除磷工藝可靠穩(wěn)定，可同時(shí)高效處理有機(jī)物、氮、磷。

b）新建污水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，便于檢修，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單。

c）既有污水處理設(shè)備改造根據(jù)場(chǎng)地條件合理選擇脫氮除磷工藝，確保污水處理后氮、磷指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

3.4 服務(wù)區(qū)污水脫氮除磷工藝

根據(jù)山西省高速公路服務(wù)區(qū)污水水質(zhì)特點(diǎn)以及現(xiàn)有污水處理設(shè)備運(yùn)行狀況，提出以下污水脫氮除磷工藝。

3.4.1 新建污水處理設(shè)備脫氮除磷工藝

新建高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備采用MBBR+后沉淀化學(xué)除磷工藝，進(jìn)行深度處理后達(dá)標(biāo)排放。污水處理工藝流程圖見圖7。

圖7 新建污水處理設(shè)備脫氮除磷工藝流程圖

3.4.2 既有污水處理設(shè)備改造脫氮除磷工藝

圖8 改造污水處理設(shè)備脫氮除磷工藝流程圖一

針對(duì)采用A/O+MBR 工藝尚可良好運(yùn)轉(zhuǎn)的既有高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備，改造現(xiàn)有A/O 工藝為A2/O 工藝后，對(duì)于場(chǎng)地有限的服務(wù)區(qū)，采用A2/O+同步側(cè)流化學(xué)除磷+MBR 工藝，污水處理工藝流程圖見圖8；對(duì)于場(chǎng)地較充裕的服務(wù)區(qū)，采取A2/O+MBR+后沉淀化學(xué)除磷工藝，污水處理工藝流程圖見圖9。

圖9 改造污水處理設(shè)備脫氮除磷工藝流程圖二

4 結(jié)論

a）當(dāng)前生活污水脫氮除磷技術(shù)主要有生物法脫氮除磷和化學(xué)除磷等工藝，在生物法脫氮除磷效果無(wú)法滿足環(huán)保要求時(shí)，應(yīng)輔助采取化學(xué)除磷的工藝。

b）山西省高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)備普遍存在污水處理工藝簡(jiǎn)單，脫氮除磷效率低等問(wèn)題。

c）根據(jù)山西省高速公路服務(wù)區(qū)生活污水水質(zhì)特征和污水處理設(shè)備管理特點(diǎn)，提出新建污水處理設(shè)備脫氮除磷采用MBBR+后沉淀化學(xué)除磷工藝，既有污水處理設(shè)備改造采用A2/O+同步側(cè)流化學(xué)除磷+MBR 工藝和A2/O+MBR+后沉淀化學(xué)除磷工藝。

d）本研究提出的新建污水處理設(shè)備脫氮除磷工藝和既有污水處理設(shè)備脫氮除磷改造工藝均在生物脫氮除磷的基礎(chǔ)上，組合了化學(xué)除磷工藝，在充分利用生物脫氮除磷經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，增設(shè)化學(xué)除磷工藝確保污水達(dá)標(biāo)排放，具有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。