高速公路服务区污水资源化利用分析与建议

马风杰，杜腾飞，胡海学，冀丽娟，魏如喜

（天津市交通科学研究院，天津 300202）

0 前言

随着我国高速公路建设的快速发展，沿线的服务区、各种配套服务设施也逐步完善，人流量、污水产生量日益加大，高速公路服务区水资源的重要性日益凸显。2019年，交通运输部在《交通强国建设纲要》中着重强调在公路、水路、城市客运等领域促进资源节约集约利用，强化节能减排和污染防治。《交通运输部办公厅关于与印发2020年全国公路服务区工作要点的通知》中强调聚焦打造“一流技术”，推进智慧和绿色服务区建设，积极引进先进技术和污水处理设施，加强污水处理和回收利用，不断提升水资源循环利用率。

在污水防治严要求和服务区污水处理形势不容乐观的双重高压态势下，为满足现行水污染防治要求，选用适应高速公路服务区的污水处理技术并稳定运行是至关重要的。天津市在高速公路服务区污水处理建设中做出了不懈努力，但由于天津市自然条件限制，水资源紧缺等因素，高速公路服务区的水资源循环利用情况任重道远。

1 天津市概况介绍

1.1 气候情况和水资源情况介绍

天津属大陆性气候，虽紧靠渤海，但属于内陆海湾，主要受季风环流的支配，主要气候特征是：冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。

根据《2019年天津市水资源公报》，2019年，全市平均降水量436.2毫米，折合降水总量51.99亿立方米，比多年平均值偏少24.1%，属于偏枯水年，降水量时空分布不均匀。水资源总量8.09亿立方米，比多年平均值偏少48.4%。全市人均综合用水量183立方米，耗水率高达62%；废污水排放量7.97亿吨；人均水资源量为51.89立方米，比2018年降低54.05%，水资源日益紧张。而高速公路服务区远离城市，水资源的利用更面临严峻的考验。

图1 天津市全年平均温度曲线图Fig.1 Annual average temperature in Tianjin

图2 天津市人均水资源量统计图Fig.2 Statistical map of per capita water resources in Tianjin

1.2 高速服务区情况介绍

目前天津市共涉及京哈、京沪、荣乌等5条国高网高速公路，共设置13个高速公路服务区，津蓟、津宁等13条省高网高速公路，共设置43个高速公路服务区，95%以上全部设有餐饮、洗手间、加油站等便民服务设施，并且根据天津市公路水路环境保护统计知，2020年天津市高速公路服务区污水处理设施数量比2018年增长约10%。由此可见，天津市对于高速公路服务区污水处理的投入逐渐加大，对污水资源化利用越来越重视。

1.3 高速公路服务区水质及处理情况介绍

高速公路服务区污水的主要组成是：生活污水，餐饮污水以及加油站清洗污水，其中生活污水和加油站清洗污水占比最大。服务区污水氨氮含量高，泥沙量大，化学需氧量大，磷、重金属、油污等污染物含量高。由于高速公路服务区人流量随着出游高峰变化和季节降水量不同，因此服务区水量波动大，并具有水质单一，污水水量、水质变化大，用水量标准低，污水处理规模小等特点[1-2]。天津市也不例外，高速公路服务区悬浮物、氨氮浓度较高与生活污水水质接近。根据调研情况而知，天津高速公路服务区所产生的各类污水不能并入城市污水处理管网，所以目前部分高速公路服务区会将所产污水进行收集，统一运输至市政污水处理厂进行处理。

2 高速服务区污水处理技术的研究

目前，高速服务区污水处理技术研究已经非常成熟。污水处理技术主要包括生化处理和生态处理两种。

2.1 生化处理工艺

2.1.1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法（SBR），又称间歇式活性污泥法，是一种按照时间有序地运行，集进水、缺氧处理、好氧处理、沉淀、出水等功能于一身的一体化设备。该方法主要优点是省略了初沉池和二沉池，因而占地面积较小，造价较低，且能有效地脱氮除磷，有较强的抗冲击荷载能力和较低的运行成本，分离效果好。但是由于该方法自动控制技术较高，对运营维护人员技能的要求较高，设备也易出现故障[3]。

图3 序批式活性污泥法（SBR法）工艺流程图Fig.3 Process flow chart of sequencing batch activated sludge process (SBR process)

2.1.2 膜生物反应器法（MBR）

膜生物反应器法（MBR）是一种将高效膜分离技术与传统活性污泥法相结合的新型高效污水处理工艺，该方法优点是剩余污泥量少、抗冲击能力高、运行稳定、出水经消毒可直接实现污水资源化利用等优点，设备紧凑[4]，占地少，易于从传统工艺进行改造，但是维护成本高，一方面是膜造价高，使膜生物反应器的基建投资高于传统污水处理工艺，另一方面是能耗高。

图4 膜生物反应器法（MBR）工艺流程图Fig.4 Process flow chart of membrane bioreactor (MBR)

2.1.3 生物接触氧化法

生物接触氧化法是介于活性污泥法和生物膜法之间的污水处理技术。即用生物接触氧化工艺在生物反应池内充填填料，在曝气条件下，污水与填料上膜进行反应，在微生物新陈代谢下，污水得以净化[5]。此方法效率提高，且减少了悬浮物的排放，降低了污泥膨胀的发生概率。接触氧化法作为连续运行的工艺操作较为简单，处理效果稳定，但是其耐冲击负荷能力较弱，生物填料需定期更换，影响因素多，污泥容易上浮。

2.1.4 厌氧-好氧法（A-O）

厌氧-好氧（A-O）工艺是污水生物处理的基础技术，依次由缺氧段和好氧段串联组成，分别进行缺氧反硝化和好氧硝化的生物反应过程。该工艺具有流程简单、占地面积小、运行较稳定、污泥产生量少、后期便于升级改造等优点，但单独利用A-O工艺脱氮效率较低，脱氮率一般在70%左右，不能满足现行环保要求。

2.1.5 厌氧-缺氧-好氧法（A2/O）

A2/O工艺是将厌/好氧除磷系统和缺氧/好氧脱氮系统相结合，是生物脱氮除磷的基础工艺，可同时去除水中的BOD、氮和磷。该工艺处理效率一般能达到：BOD5和SS为90%～95%，总氮为70%以上，磷为90%左右。但A2/O工艺的基建费和运行费均高于普通活性污泥法，运行管理要求高。

2.2 生态处理工艺

2.2.1 人工湿地

图5 厌氧-缺氧-好氧法（A2/O）工艺流程图Fig.5 Process flow chart of anaerobic-anoxic-aerobic process (A2/O)

人工湿地指的是使用人工手段制造出湿地环境或者对湿地生态环境运行进行人工控制[6]。经控制配送的污水与布满生物膜的介质表面和溶解氧进行充分接触，利用土壤、植物、介质和微生物的物理、化学与生物的综合作用进行净化，能够充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，也因此具有运行费用低、维护简便、具有一定景观效果等优点，但是缺点是基质易堵塞，且北方地区处理效果较差。

图6 人工湿地垂直流剖面图Fig.6 Vertical flow profile of constructed wetland

2.2.2 氧化塘

稳定塘污水处理技术是充分利用水域的自然净化能力，其净化过程与自然水体的净化过程相类似，主要利用菌藻的共同作用处理污水中的污染物。但是该方法占地面积大，对气候要求较高。

2.2.3 土壤渗滤

土壤渗滤法是利用土壤的自然净化能力，通过土壤的物理、化学特性和土壤中的动物、植物和微生物的作用净化污水[7]。经过预处理的污水进入渗滤场地，污染物被截留在土壤中，经微生物降解成无机物，被植物吸收，从而达到对污水的净化作用。该方法有着基建投资少、运行费用低、维护简便、抗荷载冲击能力强、无须处理污泥和美化环境等优点；缺点是占地面积大、耗时长，对于超过植物正常需求的污染物降解困难等。

3 高速服务区中水回用技术的研究

图7 土壤渗滤处理工艺图Fig.7 Process diagram of soil infiltration treatment

中水回用一般分为物理化学法，生物化学法以及物理化学-生物化学组合法，通常中水回用需要多种污水处理技术的组合，在污水处理的基础上进行深度处理，主要涉及膜生物反应器（MBR）法、反渗透（RO）法等。

膜生物反应器（MBR）法出水水质好、剩余污泥量小、占地空间小、易于实现自动控制。反渗透（RO）法是较为成熟的超纯水制备技术。污水处理后的水进入碳滤砂滤，然后进入反渗透膜，会进一步降低其COD浓度，色度等。总的来说，水膜生物反应器（MBR）工艺运行相对稳定，出水水质能达到回用标准。但膜会受到污泥混合液的累积，从而造成膜孔堵塞，另外能耗也较高。

4 MBR法在天津市高速公路服务区工程中的应用

天津某高速公路服务区，面积较小，仅冲厕利用水量已达到服务区总用水量的1/3，升级改造后污水处理工艺采用膜生物反应器法（MBR），在此工艺运行阶段对该服务区的进、出口水质进行取样检测，结果如表1所示：

表1 高速公路服务区进、出口水质Tab.1 Water quality at the entrance and exit of expressway service area

此应用表明高速公路服务区污水经过膜生物反应器法（MBR），可达到城市污水再生利用城市 杂用水水质》（GB/T 18920—2020）回用要求，可用于冲厕绿化，污水回用率达70%，大大缓解了缺水城市高速公路服务区水资源利用紧张情况。

5 天津市高速公路服务区污水资源化利用建议

天津市冬季气候条件恶劣，气温低会产生结冰现象；从目前服务区运行情况来看，高速公路服务区小而多，占地面积大小成为水资源循环利用的一大限制条件。

各种处理工艺的投资成本和运行成本差异较大，其运行费也不尽相同。膜生物反应器法（MBR）由于省去了后续的沉淀过滤单元，占地面积小，一次性设备投资低于其他工艺。虽然膜能耗费用较大，但是随着膜分离技术的不断发展以及新型膜材料的不断研发，膜的价格会不断下降。综合环境效益和经济效益来看，膜生物反应器法（MBR）是较好选择。

6 结语

（1）通过天津市气候条件和天津市公路、水路环境统计系统可知，天津市高速公路服务区水资源短缺，必须重视污水处理及中水回用效率。

（2）污水经过膜生物反应器法（MBR）处理后满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）回用要求，且水资源回用率可达70%，在天津高速公路服务区具有较高的技术实用性、气候适应性、管理可控性和经济性。

本文结论所提出的膜生物反应器法（MBR）为后续的天津高速公路服务区建设和管理提供借鉴，也为推动天津市打造绿色高速公路服务区提供有力保障。