MABR技術(shù)在高速公路服務(wù)區(qū)污水處理中的應(yīng)用

徐 亮，陳 鵬，成 波，趙 鵬，王 宇

(湖北省協(xié)誠(chéng)交通環(huán)保有限公司，湖北武漢 430050)

2017年交通運(yùn)輸部頒布了“推進(jìn)交通運(yùn)輸生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案”，明確要求到2020年，全國(guó)大型專業(yè)化碼頭、運(yùn)輸樞紐、高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理率和達(dá)標(biāo)排放率均達(dá)100%[1]。公路行業(yè)污水處理問題得到了前所未有的重視。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站主要存在以下問題[2-5]：(1)缺乏高氮、磷含量污水處理的針對(duì)性工藝，服務(wù)區(qū)污水氨氮質(zhì)量濃度為15.3～181.0 mg/L，TN質(zhì)量濃度為31.6～184.0 mg/L，TP質(zhì)量濃度為2.1～17.7 mg/L，常規(guī)工藝難以實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷，出水容易超標(biāo)；(2)污水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇難以確定，不能高度匹配高速公路運(yùn)營(yíng)特性；(3)操作管理不到位，缺乏專業(yè)人員，不能實(shí)現(xiàn)最佳處理?xiàng)l件下針對(duì)性的操控。面對(duì)當(dāng)前水污染防治的高壓態(tài)勢(shì)，現(xiàn)在普遍采用的水處理技術(shù)難以滿足要求，尤其需要針對(duì)高氮、磷的污水處理工藝進(jìn)行開發(fā)，滿足新時(shí)期水污染防治的要求。

膜曝氣生物反應(yīng)器(membrane aerated biorea-ctor，MABR)是一種將活性污泥法與生物膜法有機(jī)結(jié)合而成的低能耗先進(jìn)好氧生物處理工藝，因其高效的氧利用效率和獨(dú)特的生物膜分層結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)原位硝化反硝化反應(yīng)，有利于高效去除氨氮和TN，并且MABR具有便于實(shí)現(xiàn)發(fā)展模塊化和集裝箱化的分散式水處理系統(tǒng)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-9]。本文以湖北省某高速公路服務(wù)區(qū)生活污水處理工程為實(shí)例，探討MABR工藝處理高速公路服務(wù)區(qū)生活污水技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性。

1 高速公路服務(wù)區(qū)污水特性及常用處理工藝分析

高速公路服務(wù)區(qū)污水具有典型的生活污水特性，主要以廁所污水、餐飲污水以及洗車廢水為主，污水中有機(jī)物、氮、磷等污染物濃度較高。通過在服務(wù)區(qū)污水處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)池進(jìn)水口多次取樣分析，取平均值與典型生活污水特征值比較，如表1所示[2,10-11]。結(jié)果顯示，氨氮平均質(zhì)量濃度為121.0 mg/L，TN平均質(zhì)量濃度為134.0 mg/L，TP平均質(zhì)量濃度為12.8 mg/L，CODCr平均質(zhì)量濃度為576.0 mg/L。其中，氨氮、TN、TP是典型生活污水的4.84、3.35倍和1.6倍。

表1 某高速公路服務(wù)區(qū)污水水質(zhì)特征Tab.1 Characteristics of Wastewater Quality in an Expressway Service

由于服務(wù)區(qū)車流、人流的不確定性，對(duì)服務(wù)區(qū)污水排放規(guī)律調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污水主要產(chǎn)生于7:00—13:00和15:00—17:00兩個(gè)時(shí)段，部分重大節(jié)假日污水的產(chǎn)生量可達(dá)到平日1.6～2.0倍，夏季污水量通常是冬季的1.1～1.5倍，服務(wù)區(qū)污水排放量的時(shí)變化、日變化和季節(jié)變化波動(dòng)均較大，污水不均勻系數(shù)大，水力沖擊負(fù)荷大。

目前,高速公路服務(wù)區(qū)常見的生化處理方式主要有：傳統(tǒng)地埋式一體化AO工藝、兩級(jí)AO+生物炭濾池工藝、AO+MBR工藝、MABR+砂濾工藝等，各種處理工藝的特點(diǎn)比較如表2所示。

表2 高速公路服務(wù)區(qū)污水生化處理工藝特征[12-18]Tab.2 Characteristics of Biochemical Wastewater Treatment Process in Expressway Service Area[12-18]

針對(duì)現(xiàn)有高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站主要存在的問題，MABR+砂濾工藝相比其他3種工藝有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)：MABR工藝噸水建設(shè)成本約為1.27萬(wàn)元/m3，較其他工藝高，但噸水運(yùn)行成本僅為2.06元/m3，且核心設(shè)備使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年，全生命周期內(nèi)大修成本僅需20萬(wàn)元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他3種工藝后期的運(yùn)行維護(hù)和大修費(fèi)用，在15年的全生命周期內(nèi)比其他3種工藝更有優(yōu)勢(shì)；MABR工藝國(guó)際領(lǐng)先，技術(shù)成熟；在高效去除COD、氮、磷的同時(shí)還具有很強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，對(duì)水源保護(hù)意義重大；MABR工藝采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)容升級(jí)，能夠高度匹配高速公路運(yùn)營(yíng)特性；MABR工藝自動(dòng)化程度高，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，適合高速服務(wù)區(qū)污水治理建管養(yǎng)要求，系統(tǒng)出水能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定達(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排放標(biāo)準(zhǔn)，可作為再生水用于沖廁、洗車、綠化等，適用于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理。

2 MABR污水處理試點(diǎn)工程

湖北某服務(wù)區(qū)隸屬于湖北高速公路網(wǎng)某主干線，車流量大，是集餐飲、加油、汽修、住宿、工藝品、特產(chǎn)專柜、超市、免費(fèi)停車等多功能為一體的大型綜合性服務(wù)區(qū)，系湖北運(yùn)營(yíng)高速公路典型代表的服務(wù)區(qū)之一。自服務(wù)區(qū)開通以來依次采用了無(wú)動(dòng)力式污水處理、地埋式一體化污水處理設(shè)備和AO+過濾工藝處理生活污水，處理效果普遍不理想。面對(duì)水污染防治的新要求，服務(wù)區(qū)亟需尋找一種運(yùn)行效果好、耐沖擊負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、管理方便和出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理新工藝。因此，本試點(diǎn)工程采用MABR技術(shù)對(duì)該服務(wù)區(qū)污水處理工藝升級(jí)改造。

2.1 試點(diǎn)工程設(shè)計(jì)水質(zhì)與水量

經(jīng)過對(duì)該服務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)模、車流量及污水排放規(guī)律的分析，確定污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理能力為200 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況如表3所示，經(jīng)處理后的出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

表3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.3 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 MABR工藝流程及布置

本試點(diǎn)工程采用MABR污水處理工藝，服務(wù)區(qū)污水經(jīng)粗格柵、細(xì)格柵過濾，調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，生物選擇池、MABR反應(yīng)池脫氮除磷，二沉池沉淀，砂濾器過濾，清水池消毒，最后達(dá)標(biāo)排放。工藝流程如圖1所示。

圖1 MABR污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of MABR Wastewater Treatment Process

原水經(jīng)進(jìn)水泵提升后，通過細(xì)格柵過濾，去除污水中懸浮物，之后重力流至選擇池，回流污泥也回流至選擇池，泥水混合物均勻分配后，進(jìn)入MABR反應(yīng)裝置中。絕大部分污染物在此被去除。經(jīng)過MABR工藝處理后的泥水混合物進(jìn)入二沉池，進(jìn)行泥水分離。二沉池底部污泥大部分回流至選擇池，少量污泥作為剩余污泥暫存于污泥儲(chǔ)存池，外運(yùn)處置。二級(jí)處理出水直接流入三級(jí)處理單元，介質(zhì)過濾+消毒，出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，具體工藝布置如圖2所示。

圖2 MABR污水處理工藝布置圖Fig.2 Layout Chart of MABR Wastewater Treatment Process

2.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)調(diào)節(jié)池：具有調(diào)節(jié)水質(zhì)水量、預(yù)曝氣以及去除污水中大顆粒雜質(zhì)等污染物的作用。尺寸為11.3 m×6.4 m×3.2 m，有效水深為2.2 m，有效容積為159.1 m3，HRT為19.1 h。安裝有機(jī)械格柵1臺(tái)，格柵寬750 mm，柵隙為3 mm；潛污泵2臺(tái)(1用1備)，揚(yáng)程為9 m，流量為10 m3/h；液位控制系統(tǒng)1套。

(2)生物選擇池：具有挑選微生物菌種和去除小顆粒雜質(zhì)的功能。有效容積為2 m3，HRT為0.24 h。安裝有轉(zhuǎn)鼔式細(xì)格柵1臺(tái)，流量為10 m3/h。

(3)MABR處理模塊：工藝核心，1個(gè)集裝箱安裝有4個(gè)MABR膜組件，每個(gè)膜組件的比表面積不低于1 200 m2/m3，共2個(gè)集裝箱，尺寸為12.3 m×2.5 m×2.9 m，每個(gè)集裝箱的有效容積為70 m3，HRT為16.8 h。

(4)二沉池：采用平流式沉淀池，鋼結(jié)構(gòu)，共1座，尺寸為6.3 m×2.4 m×2.9 m，二沉池表面負(fù)荷為0.72 m3/(m2·h)。安裝有回流泵1臺(tái)，設(shè)計(jì)流量為10 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為0.75 kW。底部污泥大部分回流至生物選擇池，少量污泥作為剩余污泥經(jīng)脫泥機(jī)脫水后外運(yùn)。

(5)二級(jí)水池：具有儲(chǔ)存清水的作用，鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)1座，尺寸為3.0 m×1.5 m×3.2 m，有效水深為2.6 m，有效容積為11.7 m3，HRT為1.17 h。安裝有砂濾進(jìn)水泵1臺(tái)，設(shè)計(jì)流量為10 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為1.5 kW。

(6)砂濾罐：通過過濾介質(zhì)去除懸浮物、微生物以及細(xì)微顆粒的作用。設(shè)計(jì)1座，尺寸為Φ1.3 m×2 m，集成在綜合設(shè)備間里。安裝有砂濾反沖洗泵1臺(tái)，設(shè)計(jì)流量為53 m3/h，功率為5.5 kW。

(7)三級(jí)水池：具有儲(chǔ)存清水及消毒作用，鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)1座，尺寸為5.5 m×1.5 m×3.2 m，有效水深為2.6 m，有效容積為21.45 m3，HRT為0.4 h。

(8)污泥池：具有污泥存儲(chǔ)作用，鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)1座，尺寸為3.25 m×1.8 m×4.5 m，有效水深為2.6 m，有效容積為10.14 m3。

(9)綜合設(shè)備間：設(shè)備間尺寸為12.3 m×2.5 m×2.9 m，內(nèi)置電控柜、砂濾罐、風(fēng)機(jī)、污泥脫水機(jī)、加藥罐各1臺(tái)，風(fēng)機(jī)共3臺(tái)。

3 試點(diǎn)工程建設(shè)及應(yīng)用效果分析

3.1 建設(shè)模式分析

MABR污水處理工藝生化核心部分采用模塊化裝配，可減少土建施工。項(xiàng)目于2018年7月中旬正式開工建設(shè)，9月初完成調(diào)試，建設(shè)工期不足50 d，大大縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。

本試點(diǎn)工程采用了模塊化設(shè)計(jì)理念(圖3)，可通過增加MABR膜卷實(shí)現(xiàn)污水處理裝置的擴(kuò)容，具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，解決了服務(wù)區(qū)部分重大節(jié)假日污水水量、水質(zhì)的較大幅度波動(dòng)問題。

圖3 模塊化裝置設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design Chart of Modular Unit

高速公路服務(wù)區(qū)從運(yùn)營(yíng)初期到成熟期，車流量、人流量的增長(zhǎng)而帶來污水量的增長(zhǎng)，導(dǎo)致污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)處理能力與實(shí)際污水量不相匹配。本試點(diǎn)工程采取可移動(dòng)擴(kuò)容設(shè)計(jì)，通過增加MABR生化處理裝置，使得污水處理裝置的污水處理能力與實(shí)際污水量相匹配，避免能力過剩的問題，高度匹配高速公路運(yùn)營(yíng)特性。

3.2 運(yùn)維模式分析

目前，營(yíng)運(yùn)高速公路負(fù)責(zé)污水處理設(shè)施的管理和維護(hù)人員專業(yè)素質(zhì)有限，對(duì)污水處理原理、水質(zhì)指標(biāo)、設(shè)備運(yùn)行等環(huán)節(jié)不熟悉，維護(hù)管理不到位。本試點(diǎn)工程集成了污水處理數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，基于Gate Manager的數(shù)據(jù)采集、Site Manager遠(yuǎn)程通信網(wǎng)關(guān)和Link Manager的遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理設(shè)施遠(yuǎn)程巡檢等智能化運(yùn)維管理，做到對(duì)水質(zhì)超標(biāo)及設(shè)備故障快速響應(yīng)，建立了遠(yuǎn)程巡檢與現(xiàn)場(chǎng)處置的聯(lián)動(dòng)管理模式，如圖4所示。由服務(wù)區(qū)水電工對(duì)污水處理設(shè)施做日常檢查，針對(duì)不能解決的問題，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，在專業(yè)運(yùn)維人員的指導(dǎo)下解決問題；專業(yè)運(yùn)維人員的巡檢時(shí)間是2～3個(gè)月，日常只需通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)污水處理設(shè)施運(yùn)維，最大程度減少人工參與和降低運(yùn)維成本。

圖4 遠(yuǎn)程運(yùn)維模式流程圖Fig.4 Flow Chart of Remote Operational Mode

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

由表2可知，AO+MBR工藝、兩級(jí)AO+生物炭濾池工藝和一體化AO工藝的噸水建設(shè)成本分別為0.82、0.80萬(wàn)元/m3和0.29萬(wàn)元/m3，而MABR工藝噸水建設(shè)成本最高，為1.27萬(wàn)元/m3。本試點(diǎn)工程采用創(chuàng)新的MABR無(wú)氣泡充氧技術(shù)，無(wú)需對(duì)空氣進(jìn)行加壓處理，大大節(jié)約曝氣電耗，噸水曝氣電耗費(fèi)用僅為0.4元/m3，低于AO+MBR等傳統(tǒng)工藝。MABR工藝的噸水運(yùn)行成本僅為2.06元/m3，低于AO+MBR工藝的噸水運(yùn)行成本(3.17元/m3)和兩級(jí)AO+生物炭濾池工藝的噸水運(yùn)行成本(2.68元/m3)，略高于一體化AO工藝的噸水運(yùn)行成本(1.92元/m3)。MABR工藝核心膜組件為中空纖維膜，使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年，相比于高速公路服務(wù)區(qū)常規(guī)污水處理設(shè)施和關(guān)鍵設(shè)備3～5年的使用壽命，提高了近5倍。因此，在15年的全生命周期內(nèi)，MABR工藝維修頻次少，且僅大修一次，維修成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AO+MBR等傳統(tǒng)工藝。綜上，雖然MABR工藝建設(shè)投資成本較高，但由于其自動(dòng)化程度高、運(yùn)維簡(jiǎn)單、曝氣能耗低、核心設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、維修頻次少，多重優(yōu)勢(shì)使MABR工藝的運(yùn)維成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AO+MBR等傳統(tǒng)工藝。從15年全生命周期的角度出發(fā)，MABR工藝可實(shí)現(xiàn)低生命周期成本，在滿足國(guó)家和地方高排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，贏得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 處理效果分析

本試點(diǎn)工程為監(jiān)測(cè)MABR污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，在三級(jí)水池出水口安裝有在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可對(duì)出水進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。目前服務(wù)區(qū)平日實(shí)際進(jìn)水水量為118.9～163.7 m3/d，進(jìn)水負(fù)荷達(dá)到了設(shè)計(jì)處理能力的59.4%～81.8%，但面對(duì)五一、十一以及春節(jié)小長(zhǎng)假高峰沖擊，進(jìn)水負(fù)荷可能超出了設(shè)計(jì)處理能力。研究人員根據(jù)三級(jí)出水池出水口的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備統(tǒng)計(jì)了污水的產(chǎn)生量，同時(shí)分別于節(jié)假日和平日對(duì)調(diào)節(jié)池進(jìn)水口及三級(jí)出水池出水口進(jìn)行了7次取樣分析檢測(cè)，各污染物濃度變化及去除率如圖5所示。

圖5 節(jié)假日和平日各污染物去除效果Fig.5 Removal Effect of Each Pollutant During Holidays and Weekdays

研究結(jié)果表明，節(jié)假日進(jìn)水中氮、磷含量普遍高于平日，氨氮、TN、TP及CODCr平均值分別為73.84、85.11、6.72 mg/L及472 mg/L，而且部分重大節(jié)假日污水的產(chǎn)生量達(dá)到260～300 m3/d，可達(dá)到平日1.6～2.5倍。經(jīng)MABR污水處理系統(tǒng)處理后，節(jié)假日出水中氨氮、TN、TP及CODCr的平均質(zhì)量濃度分別為0.70、2.19、0.25 mg/L及22.00 mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該工藝處理效果好，耐沖擊負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，出水可以作為沖廁、綠化、洗車等多用途使用，適用于高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理。

冬季的極端天氣對(duì)污水處理系統(tǒng)存在較大的影響，本試點(diǎn)工程在生化池體內(nèi)部安裝有一層保溫層，可保持池內(nèi)水溫始終高于12 ℃，降低極端天氣對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響。根據(jù)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備統(tǒng)計(jì)了2019年冬季部分出水水質(zhì)情況，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，冬季實(shí)際出水氨氮、TN、TP及CODCr平均值分別為1.02、5.23、0.34 mg/L及14.07 mg/L，對(duì)各種污染物仍能保持較好的去除效果，出水優(yōu)于城鎮(zhèn)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)中氨氮≤8 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L、CODCr≤50 mg/L的要求。

圖6 冬季運(yùn)行中出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)Fig.6 Quality of Effluent Water up to the Standard in Winter

4 結(jié)論

(1)MABR污水處理系統(tǒng)是一種新型、高效的分散式污水處理工藝，具有智能化、模塊化、長(zhǎng)壽化及脫氮除磷高效穩(wěn)定化等特點(diǎn)，高度匹配高速公路污水處理特性，契合高速公路污水處理設(shè)施建管養(yǎng)要求。

(2)工程實(shí)踐證明，MABR污水處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗污染負(fù)荷沖擊能力，出水水質(zhì)可長(zhǎng)期穩(wěn)定達(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)，可以作為沖廁、綠化、洗車等多用途使用，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

(3)試點(diǎn)工程的成功實(shí)施，為高速公路服務(wù)區(qū)提供了革新性的污水處理解決方案，適宜在湖北省乃至全國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展服務(wù)區(qū)建設(shè)中推廣。