高速公路運營站區污水處理工程設計及運行效果研究

劉國偉

（山西省交通環境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

隨著經濟社會的快速發展，山西省高速公路的規模逐年增加，根據山西省政府印發的《山西省推進交通強國建設行動計劃（2021—2022年）》，到2022年，全省高速公路通車里程將突破6 000 km。為有效控制高速公路運營站區污水超標排放對周邊環境造成的污染，同時實現水資源循環利用，對其現有污水處理設施、設備進行升級改造具有十分重要的意義。

本文以山西省某高速公路運營站區污水處理工程升級改造設計為例，通過高速公路運營站區污水進出水水質特征、可生化性分析，并以工藝比選及工藝參數計算為依據，進行了高速公路運營站區污水處理系統化設計，旨在更有效改善收費站污水處理現狀，促進污水的資源化利用，為今后高速公路運營站區污水處理提標改造工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 運營站區污水處理概況

山西省某高速公路運營站區于2005年建成，站區污水主要來自日常的生活污水以及餐飲廢水，含有有機物、蛋白質、總磷、油脂等，由于該高速公路建成通車時間較早，現有污水處理設施較為簡單，處理后出水無法滿足現有環保要求，造成周邊環境污染，因此需要對運營站區污水處理設施、設備進行提標改造。根據運營站區常住人員測算，該運營站區該次設計處理規模為10 m3/d，設計出水水質滿足山西省《污水綜合排放標準》（DB14/1928—2019）相關指標要求。

1.2 采樣與分析方法

本文高速公路運營站區為研究對象，采集的水樣檢測項目主要有pH、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP），站區水樣的采集與保存要求按《水和廢水監測分析方法（第四版）》的規定和要求執行。各水質指標分析方法詳見表1。

表1 水質分析方法

1.3 評價標準

本文采用山西省地方標準《污水綜合排放標準》（DB14/1928—2019），各水質指標標準限值詳見表2。

表2 污水綜合排放標準 mg/L

1.4 數據分析

去除率（COD、BOD5、NH3-N、TP）=(進水濃度 - 出水濃度)/進水濃度×100%.

2 結果與分析

2.1 進水水質分析

高速公路運營站區常駐人員較少，主要為站區工作人員產生的生活及餐飲廢水，其水質、水量具有一定的波動性。本文選擇某處運營站區污水作為檢測對象，于2020年7月和2020年12月分別對其進行采樣并檢測分析，進水指標情況如表3所示。

表3 運營站區污水進水水質指標一覽表

由表3可知，高速公路運營站區的污水水質波動性較大，且進水可生物脫氮除磷較不穩定，水質組成較為簡單；與冬季相比，夏季由于洗漱頻次變多，用水量增大，使得站區污水水質濃度較低，因此，夏季污水水質整體較冬季好。

2.2 生物脫氮除磷效果分析

通常利用 BOD5/COD、BOD5/TN（即C/N）比值、BOD5/TP比值分別表示污水是否具有可生性和生物脫氮除磷有效性，其中，C/N比值是判別能否有效脫氮的重要指標，理論上C/N≥2.82就能進行生物脫氮[1]，根據設計與工程實踐經驗，當C/N≥3.5時能進行有效生物脫氮；BOD5/TP比值是衡量能否進行生物除磷的重要指標，一般認為該比值應大于20，比值越大，生物除磷效果越好。

從表4可以看出，高速公路運營站區污水BOD5/COD比值在0.41～0.49之間，表明污水具有可生化性，可以采用生化處理工藝；C/N比值在5.4～11.85之間，表明污水水質滿足脫氮要求；BOD5/TP比在18.44～27.09之間，表明采用生物除磷法可獲得一定的除磷效果，為達到污水穩定持續達標排放，還須增加化學除磷方式作為輔助。

表4 高速公路運營站區污水進水指標相關比值范圍

2.3 工藝比選

通常小型污水處理采用A2O-MBBR、A2O-MBR和SBR（活性污泥法）這3種污水處理技術，每種處理技術各有側重，在工程特點、適用范圍上還是存在一定的差異。各工藝對比分析如表5所示。

表5 3種技術可行性和經濟合理性比選一覽表

通過表5比選，為了能夠穩定達到山西省地方標準《污水綜合排放標準》（DB14/1928—2019），該次設計采用A2O-MBR工藝。

MBR為膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor）簡稱，是一種將膜分離技術與生物技術結合的新型水處理技術，它是用膜分離裝置將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物截留住，具有占地面積小，產泥量少和清洗方便等特點。MBR技術通過膜的分離大大強化了泥水分離能力，使活性污泥濃度提高，其水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）可以分別控制，廢水生物處理的性能大大改善，使其在高速公路服務區的應用有良好前景[2-4]。

2.4 工藝流程及說明

該次高速公路運營站區污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 A2O-MBR污水處理工藝流程圖

高速公路運營站區生活污水及餐飲廢水分別經過化糞池、隔油池后，通過格柵去除水中大塊漂浮物；而后進入調節池，調節池通過液位升降變化，對原水均質均量；調節池出水經過厭氧—缺氧—好氧-MBR一體化污水處理設備，通過微生物的吸附、氧化代謝等反應，實現對水中氮、磷、COD等污染物的降解去除，經過生化反應去除污染物的出水，通過次氯酸鈉消毒系統進一步去除水中大腸桿菌，保證出水達到相關標準，達標出水貯存于中水池用于場區綠化等回用。

2.5 工程設計

該次高速公路運營站區污水處理工程設計范圍包括：格柵井、調節池、一體化污水處理設備、消毒單元、中水回用池，主要構筑物及設計參數如下。

2.5.1 格柵井

運營站區污水中含有一定的大體積懸浮物，一旦大體積懸浮物進入后續工藝處理環節，會引發堵塞現象，為了防止堵塞，確保污水處理系統正常運行，設置格柵一道，主要用于去除雜質。該次設計格柵井采用全地下鋼混凝土結構1座，設計規格為1.5 m×1.0 m×4.0 m，有效水深為0.6 m，內部采用提籃格柵，柵間距5～10 mm。

2.5.2 調節池

由于運營站區污水水質、水量波動較大，只有足夠的調節停留時間，才能保障后續生化工藝段進水水質與水量穩定。該次設計調節池有效容積為9 m3，水力停留時間為21.6 h，采用全地下鋼混凝土結構1座，規格為3.0 m×2.0 m×2.0 m，設潛水攪拌機1臺。

2.5.3 一體化污水處理設備

一體化污水處理設備是該次設計的核心，采用全地下碳鋼結構1座，規格為5.0 m×2.0 m×2.0 m，有效容積為18 m3，水力停留時間為43 h。設潛水攪拌機1臺，推力 138 N，功率0.37 kW，葉槳轉速 960 r/min；組合填料一套；φ215膜片式微孔曝氣裝置1套；MBR膜組一套，處理能力10 m3/d，采用PVDF材料，膜通量10～15 L/（m2/h）。

2.5.4 消毒單元

運營站區污水經工藝設備處理后進入中水回用池，在池內加入次氯酸鈉進行消毒，消毒后出水可用于站區綠化或場地噴灑。

2.5.5 中水回用池

為了便于運營站區中水回用，該次設計考慮設置中水回用池，采用全地下鋼混凝土結構1座，規格為4.0 m×3.0 m×2.0 m，有效容積為18 m3，水力停留時間為43 h。

3 系統調試及運行

3.1 系統調試

該高速公路運營站區污水處理工程于2020年10月底開始系統調試，接種污泥選用當地污水處理廠的活性污泥，接種率約30%.到2020年12月底，污水處理系統進水負荷穩定，經檢測，出水各指標合格，調試工作結束，系統進入生產運行階段。

3.2 處理效果

運營站區污水處理工程經一段時間運行后，各項出水指標均達到山西省地方標準《污水綜合排放標準》（DB14/1928—2019）規定的限值。2021年 1—12月實際水質監測數據見表6。

由表6可知，運營站區污水處理系統COD去除率在 88.6%～92.2%之間，BOD5去除率在 92.6%～96.4%之間，氨氮去除率在97.3%～98.8%之間，總磷去除率在94.9%～96.9%之間，同時出水穩定，表明該污水處理工藝對高速公路運營站區污水具有較好的效果。

表6 2021年1—12月污水處理效果 mg/L

4 結語

生態環境保護是我國一項基本國策，在國家和地方不斷加強生態環境保護監督檢查工作的形勢下，高速公路沿線站區作為高速公路的重要組成部分，由于建設跨度大，現有污水處理工藝落后，缺乏相應的專業技術人員，導致核心處理設備功能喪失，污水處理設備無法正常運行，污水處理后出水水質處于超標排放狀態，不滿足國家現行環保要求，存在一定的環境污染風險。因此，無論是從國家和地方環保要求、行業可持續發展，還是從高速公路生態環境保護工作自身需求來看，采用合理的工程設計及處理工藝，并結合水資源循環利用基本要求，通過污水處理系統長期穩定運行，達到地方環保要求，并建立長期有效的運維管護機制是十分迫切和必要的。