高速公路服务区污水脱氮除磷工艺适应性研究

2019-11-22张星

山西交通科技 2019年5期

张星

（山西省交通环境保护中心站（有限公司），山西太原 030032）

0 引言

高速公路服务区主要承担过往驾乘人员的临时休息、餐饮服务等，产生的污水类型主要为生活污水，随着近年来山西省高速公路路网的不断完善，便捷的高速公路出行条件促进了沿线服务区驾乘人员数量的增多，服务区污水产生量亦相应增多，特别是节假日期间客流量增多造成污水产生量剧增，对服务区污水处理设备运行造成了一定的挑战。

自2015年国务院发布《水污染防治行动计划》以来，山西省出台了《山西省水污染防治工作方案》，并逐年发布年度水污染防治行动计划，对工作方案内容按年度目标分解实施。根据《山西省水污染防治2018年行动计划》，重点工作中要求“全省高速公路服务区污水全部实现达标排放。继续推进服务区水资源循环利用改造试点”。此外，根据山西省地方标准《污水综合排放标准》（报批稿）征求意见稿，2020年1月1日起，生活污水排入Ⅱ～Ⅲ类水环境功能区时，执行化学需氧量30 mg/L、氨氮1.5 mg/L、总磷0.3 mg/L 排放限值，排入Ⅳ～Ⅴ类水环境功能区时，执行化学需氧量 40 mg/L、氨氮 2.0 mg/L、总磷0.4 mg/L 排放限值。面对当前水污染防治的高压态势，高速公路服务区现有污水处理技术难以满足要求，尤其需要更新污水处理脱氮除磷工艺，满足新时期水污染防治的要求。

目前，常见的废水除磷方法包括生物学处理法和物理化学处理法两种，利用生物反应除磷相比物理化学除磷成本较低，但是除磷能力有限。

1 污水生物脱氮除磷研究现状

生物法脱氮除磷主要是通过厌氧段、缺氧段、好氧段的交替操作，利用聚磷菌的超量磷吸收现象，将废水中的磷转移进入剩余污泥；利用亚硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌的作用，去除污水中的氮。本研究选取了当前同时生物脱氮除磷工艺中工艺流程相对简单、去除效果较好的3 种工艺。

1.1 改良型A2/O工艺

改良型A2/O 工艺是指在传统A2/O 工艺基础上，在厌氧区前设置预脱氮池，改变传统工艺中污水流经厌氧池、缺氧池、好氧池的工艺顺序，改良型工艺污水按比例分别进入预脱氮池、厌氧池，污泥回流进入预脱氮池，在预脱氮池内微生物可利用进水中的碳源进行反硝化，降低污泥中的硝酸盐氮的浓度，减小硝酸盐氮对厌氧池内聚磷菌释磷的影响，从而加强污水脱氮除磷的效果，工艺流程图见图1。秦玮等基于工程实例研究了改良型A2/O 工艺特性，在一定的工艺设计与运行工况下，污水处理设施出水水质中化学需氧量、氨氮、总磷可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准限值，即化学需氧量50 mg/L、氨氮5 mg/L、总磷0.5 mg/L，此外，该工艺由于受低碳源的影响，总氮的去除效果较差[1]。

图1 改良型A2/O 工艺流程图

1.2 多级A/O工艺

多级A/O（MAO）工艺为增加缺氧池、好氧池的级数，采用多级缺氧/好氧反应区，强化处理效果，MAO 工艺一般与现有污水处理设备串联使用。对于当前污水处理设备处理后污水不满足要求时，在现有设备的末端接入MAO 处理工艺，改善现有设备的脱氮除磷效果。MAO 工艺可为硝化菌及反硝化菌、聚磷菌提供适宜的生长环境，提高生物活性，有效降低污水中氮磷浓度，工艺流程图见图2。李彤彤等依托北京市某城市污水厂改造项目，研究了传统A2/O 工艺基础上增设MAO 工艺强化处理城市生活污水的脱氮除磷效果，研究结果表明经MAO 工艺处理后，出水可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A 标准限值，化学需氧量浓度为13.36 mg/L，氨氮浓度为0.14 mg/L，总氮浓度为3.31 mg/L，总磷浓度为0.46 mg/L[2]。

图2 MAO 工艺流程图

1.3 移动床生物膜反应器工艺

移动床生物膜反应器（MBBR）工艺是在钢制或钢筋混凝土池体内填充有机合成材料制成的悬浮载体，通过控制装置的曝气过程，形成好氧、缺氧环境，载体表面生长好氧、缺氧和厌氧菌种，可实现污水的高效处理。MBBR 工艺具有反应速率高、容积负荷高、节约占地、不易堵塞、无需回流、系统控制管理方便等特点，工艺流程图见图3。

图3 MBBR 工艺流程图

郑蓓等研究了以聚氨酯海绵和聚乙烯悬浮填料为MBBR 装置填料，在交替间歇曝气的条件下，MBBR 装置对化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、悬浮物的去除效果，研究结果表明，MBBR 装置在交替式间歇曝气条件下，能够在同一物理空间内实现对有机物、氮、磷的去除，进水低碳是装置同步脱氮除磷的限制因素，尤其对除磷过程影响明显。在一定的工况条件下，出水中化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、悬浮物的质量浓度分别为 21 .23 mg/L、3.27 mg/L、5.92 mg/L、0.55 mg/L、9 mg/L[3]。

2 化学沉淀法除磷研究现状

化学沉淀除磷是通过向污水或经生物法处理后的水中添加混凝剂，将磷化合物沉淀，使磷由水中转移进入化学污泥中，最终去除水中的磷的过程。本研究根据添加混凝剂位置的不同，选取了2 种化学沉淀除磷工艺。

2.1 同步侧流化学除磷工艺

在污水生物处理阶段投加混凝剂去除磷可在不改变现有污水处理设备结构的情况下增强除磷效果，但是直接投加药剂对生物除磷具有一定的削弱效果[4]。为了避免药剂与微生物直接接触影响其生物活性，同步侧流化学除磷工艺具有优势，其是在现有A2/O 工艺的厌氧池中引出一定比例的污泥，在厌氧条件下充分释磷，释磷后的污泥回流至好氧池，释磷后的富磷上清液通过投加铝盐等混凝剂，形成磷的沉淀物，含磷化学污泥排放，沉淀上清液回流至厌氧池，工艺流程图见图4。袁林江等研究了倒置A2/O的同步侧流化学除磷工艺，实验选取3 种（20%、25%、30%）侧流比例下的化学除磷效果，结果表明，侧流比例不宜过大，当侧流比例为20%时，可改善单纯生物脱氮除磷的效果，促进系统脱氮除磷能力的提高[5]。

图4 同步侧流化学除磷工艺流程图

2.2 后沉淀化学除磷工艺

后沉淀化学除磷是在生物处理设施后，设置分离的设施将沉淀、絮凝和被絮凝物质分离。一般将沉淀药剂投加到二沉池后的混凝池中，并在其后设置沉淀池，工艺流程图见图5。庞洪涛等研究了后置沉淀化学除磷的工艺优化控制，研究对比了恒量加药和优化控制在取得相同除磷效果时投加的药剂量，结果表明，经优化控制后，出水磷浓度的波动变化较小，并减少药剂用量约18.9%，采用动态控制系统可在确保出水磷浓度稳定达标的同时减少药剂投加量[6]。

图5 后沉淀化学除磷工艺流程图

3 山西省高速公路服务区污水脱氮除磷工艺研究

3.1 山西省高速公路服务区污水处理设备现状

通过对全省多处服务区的污水处理设备现场调查，结果表明现有高速公路服务区采用的污水处理工艺主要为生物接触氧化工艺、A/O 工艺、A/O+MBR 工艺，污水处理设备现状照片见图6。

图6 高速公路污水处理设备现状照片

从目前山西省高速公路服务区污水处理设备采用的工艺情况可知，其工艺流程简单，脱氮除磷效果较差，污水处理后出水水质难以满足外排的环保要求。

3.2 服务区污水水质

通过对全省部分服务区污水处理设备进口、出口水质进行取样监测，结果见表1。

表1 山西省部分服务区污水处理设备进口、出口水质平均值mg/L

根据表1数据分析可知，目前全省高速公路服务区污水处理设备出口水质满足《公路服务区污水再生利用第 1 部分：水质》（JT／T 645.1—2016）中绿化用水水质的标准限值，与大多数高速公路服务区污水处理后回用于绿化的要求相符合，但是由于冬季高速公路服务区及沿线绿化需水量下降，将导致冬季生活污水处理后无法全部回用，部分污水外排。将当前高速公路服务区污水处理设备出水水质与山西省地方标准《污水综合排放标准》（报批稿）征求意见稿相比较，COD 指标基本可满足要求，但是NH3-N、TP 指标远高于要求的限值，因此，为了确保污水达标排放，需对现有污水处理设备工艺进行升级方能满足要求。

3.3 服务区污水处理设备工艺选择原则

根据当前高速公路服务区污水处理设备的运行状况，确定服务区污水处理设备工艺选择原则如下：

a）新建污水处理设备采用的脱氮除磷工艺可靠稳定，可同时高效处理有机物、氮、磷。

b）新建污水处理设备结构尽量简单，便于检修，维护方便，操作简单。

c）既有污水处理设备改造根据场地条件合理选择脱氮除磷工艺，确保污水处理后氮、磷指标达标。

3.4 服务区污水脱氮除磷工艺

根据山西省高速公路服务区污水水质特点以及现有污水处理设备运行状况，提出以下污水脱氮除磷工艺。

3.4.1 新建污水处理设备脱氮除磷工艺

新建高速公路服务区污水处理设备采用MBBR+后沉淀化学除磷工艺，进行深度处理后达标排放。污水处理工艺流程图见图7。

图7 新建污水处理设备脱氮除磷工艺流程图

3.4.2 既有污水处理设备改造脱氮除磷工艺

图8 改造污水处理设备脱氮除磷工艺流程图一

针对采用A/O+MBR 工艺尚可良好运转的既有高速公路服务区污水处理设备，改造现有A/O 工艺为A2/O 工艺后，对于场地有限的服务区，采用A2/O+同步侧流化学除磷+MBR 工艺，污水处理工艺流程图见图8；对于场地较充裕的服务区，采取A2/O+MBR+后沉淀化学除磷工艺，污水处理工艺流程图见图9。