MABR技術在高速公路服務區污水處理中的應用

徐 亮，陳 鵬，成 波，趙 鵬，王 宇

(湖北省協誠交通環保有限公司，湖北武漢 430050)

2017年交通運輸部頒布了“推進交通運輸生態文明建設實施方案”，明確要求到2020年，全國大型專業化碼頭、運輸樞紐、高速公路服務區的污水處理率和達標排放率均達100%[1]。公路行業污水處理問題得到了前所未有的重視。調研發現，現有高速公路服務區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性工藝，服務區污水氨氮質量濃度為15.3～181.0 mg/L，TN質量濃度為31.6～184.0 mg/L，TP質量濃度為2.1～17.7 mg/L，常規工藝難以實現高效脫氮除磷，出水容易超標；(2)污水處理設備的設計和選擇難以確定，不能高度匹配高速公路運營特性；(3)操作管理不到位，缺乏專業人員，不能實現最佳處理條件下針對性的操控。面對當前水污染防治的高壓態勢，現在普遍采用的水處理技術難以滿足要求，尤其需要針對高氮、磷的污水處理工藝進行開發，滿足新時期水污染防治的要求。

膜曝氣生物反應器(membrane aerated biorea-ctor，MABR)是一種將活性污泥法與生物膜法有機結合而成的低能耗先進好氧生物處理工藝，因其高效的氧利用效率和獨特的生物膜分層結構，可實現原位硝化反硝化反應，有利于高效去除氨氮和TN，并且MABR具有便于實現發展模塊化和集裝箱化的分散式水處理系統，受到國內外學者的廣泛關注[6-9]。本文以湖北省某高速公路服務區生活污水處理工程為實例，探討MABR工藝處理高速公路服務區生活污水技術經濟的可行性。

1 高速公路服務區污水特性及常用處理工藝分析

高速公路服務區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，污水中有機物、氮、磷等污染物濃度較高。通過在服務區污水處理系統調節池進水口多次取樣分析，取平均值與典型生活污水特征值比較，如表1所示[2,10-11]。結果顯示，氨氮平均質量濃度為121.0 mg/L，TN平均質量濃度為134.0 mg/L，TP平均質量濃度為12.8 mg/L，CODCr平均質量濃度為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 某高速公路服務區污水水質特征Tab.1 Characteristics of Wastewater Quality in an Expressway Service

由于服務區車流、人流的不確定性，對服務區污水排放規律調查發現，污水主要產生于7:00—13:00和15:00—17:00兩個時段，部分重大節假日污水的產生量可達到平日1.6～2.0倍，夏季污水量通常是冬季的1.1～1.5倍，服務區污水排放量的時變化、日變化和季節變化波動均較大，污水不均勻系數大，水力沖擊負荷大。

目前,高速公路服務區常見的生化處理方式主要有：傳統地埋式一體化AO工藝、兩級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比較如表2所示。

表2 高速公路服務區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]

針對現有高速公路服務區污水處理站主要存在的問題，MABR+砂濾工藝相比其他3種工藝有著絕對的優勢：MABR工藝噸水建設成本約為1.27萬元/m3，較其他工藝高，但噸水運行成本僅為2.06元/m3，且核心設備使用壽命長達15年，全生命周期內大修成本僅需20萬元，遠遠低于其他3種工藝后期的運行維護和大修費用，在15年的全生命周期內比其他3種工藝更有優勢；MABR工藝國際領先，技術成熟；在高效去除COD、氮、磷的同時還具有很強的耐沖擊負荷能力，對水源保護意義重大；MABR工藝采用模塊化設計，便于擴容升級，能夠高度匹配高速公路運營特性；MABR工藝自動化程度高，可遠程監控，運行維護簡單，適合高速服務區污水治理建管養要求，系統出水能夠長期穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準，可作為再生水用于沖廁、洗車、綠化等，適用于高速公路服務區污水處理。

2 MABR污水處理試點工程

湖北某服務區隸屬于湖北高速公路網某主干線，車流量大，是集餐飲、加油、汽修、住宿、工藝品、特產專柜、超市、免費停車等多功能為一體的大型綜合性服務區，系湖北運營高速公路典型代表的服務區之一。自服務區開通以來依次采用了無動力式污水處理、地埋式一體化污水處理設備和AO+過濾工藝處理生活污水，處理效果普遍不理想。面對水污染防治的新要求，服務區亟需尋找一種運行效果好、耐沖擊負荷適應性強、管理方便和出水水質能穩定達標的污水處理新工藝。因此，本試點工程采用MABR技術對該服務區污水處理工藝升級改造。

2.1 試點工程設計水質與水量

經過對該服務區建設規模、車流量及污水排放規律的分析，確定污水處理系統的設計處理能力為200 m3/d，設計進水水質情況如表3所示，經處理后的出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

表3 設計進出水水質Tab.3 Designed Water Quality of Influent and Effluent

2.2 MABR工藝流程及布置

本試點工程采用MABR污水處理工藝，服務區污水經粗格柵、細格柵過濾，調節池調節水質水量，生物選擇池、MABR反應池脫氮除磷，二沉池沉淀，砂濾器過濾，清水池消毒，最后達標排放。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

原水經進水泵提升后，通過細格柵過濾，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，進入MABR反應裝置中。絕大部分污染物在此被去除。經過MABR工藝處理后的泥水混合物進入二沉池，進行泥水分離。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存池，外運處置。二級處理出水直接流入三級處理單元，介質過濾+消毒，出水達到一級A標準，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 主要構筑物及設計參數

(1)調節池：具有調節水質水量、預曝氣以及去除污水中大顆粒雜質等污染物的作用。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。安裝有機械格柵1臺，格柵寬750 mm，柵隙為3 mm；潛污泵2臺(1用1備)，揚程為9 m，流量為10 m3/h；液位控制系統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的功能。有效容積為2 m3，HRT為0.24 h。安裝有轉鼔式細格柵1臺，流量為10 m3/h。

(3)MABR處理模塊：工藝核心，1個集裝箱安裝有4個MABR膜組件，每個膜組件的比表面積不低于1 200 m2/m3，共2個集裝箱，尺寸為12.3 m×2.5 m×2.9 m，每個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，鋼結構，共1座，尺寸為6.3 m×2.4 m×2.9 m，二沉池表面負荷為0.72 m3/(m2·h)。安裝有回流泵1臺，設計流量為10 m3/h，揚程為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脫泥機脫水后外運。

(5)二級水池：具有儲存清水的作用，鋼砼結構，設計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。安裝有砂濾進水泵1臺，設計流量為10 m3/h，揚程為10 m，功率為1.5 kW。

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

(7)三級水池：具有儲存清水及消毒作用，鋼砼結構，設計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：具有污泥存儲作用，鋼砼結構，設計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)綜合設備間：設備間尺寸為12.3 m×2.5 m×2.9 m，內置電控柜、砂濾罐、風機、污泥脫水機、加藥罐各1臺，風機共3臺。

3 試點工程建設及應用效果分析

3.1 建設模式分析

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。項目于2018年7月中旬正式開工建設，9月初完成調試，建設工期不足50 d，大大縮短項目建設周期。

本試點工程采用了模塊化設計理念(圖3)，可通過增加MABR膜卷實現污水處理裝置的擴容，具有較強的耐沖擊負荷能力，解決了服務區部分重大節假日污水水量、水質的較大幅度波動問題。

圖3 模塊化裝置設計圖Fig.3 Design Chart of Modular Unit

高速公路服務區從運營初期到成熟期，車流量、人流量的增長而帶來污水量的增長，導致污水處理設施設計處理能力與實際污水量不相匹配。本試點工程采取可移動擴容設計，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營特性。

3.2 運維模式分析

目前，營運高速公路負責污水處理設施的管理和維護人員專業素質有限，對污水處理原理、水質指標、設備運行等環節不熟悉，維護管理不到位。本試點工程集成了污水處理數據采集與遠程監控平臺，基于Gate Manager的數據采集、Site Manager遠程通信網關和Link Manager的遠程操控，實現了對污水處理設施遠程巡檢等智能化運維管理，做到對水質超標及設備故障快速響應，建立了遠程巡檢與現場處置的聯動管理模式，如圖4所示。由服務區水電工對污水處理設施做日常檢查，針對不能解決的問題，通過遠程監控平臺，在專業運維人員的指導下解決問題；專業運維人員的巡檢時間是2～3個月，日常只需通過遠程監控平臺對污水處理設施運維，最大程度減少人工參與和降低運維成本。

圖4 遠程運維模式流程圖Fig.4 Flow Chart of Remote Operational Mode

3.3 經濟效益分析

由表2可知，AO+MBR工藝、兩級AO+生物炭濾池工藝和一體化AO工藝的噸水建設成本分別為0.82、0.80萬元/m3和0.29萬元/m3，而MABR工藝噸水建設成本最高，為1.27萬元/m3。本試點工程采用創新的MABR無氣泡充氧技術，無需對空氣進行加壓處理，大大節約曝氣電耗，噸水曝氣電耗費用僅為0.4元/m3，低于AO+MBR等傳統工藝。MABR工藝的噸水運行成本僅為2.06元/m3，低于AO+MBR工藝的噸水運行成本(3.17元/m3)和兩級AO+生物炭濾池工藝的噸水運行成本(2.68元/m3)，略高于一體化AO工藝的噸水運行成本(1.92元/m3)。MABR工藝核心膜組件為中空纖維膜，使用壽命長達15年，相比于高速公路服務區常規污水處理設施和關鍵設備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，MABR工藝維修頻次少，且僅大修一次，維修成本遠遠低于AO+MBR等傳統工藝。綜上，雖然MABR工藝建設投資成本較高，但由于其自動化程度高、運維簡單、曝氣能耗低、核心設備使用壽命長、維修頻次少，多重優勢使MABR工藝的運維成本遠遠低于AO+MBR等傳統工藝。從15年全生命周期的角度出發，MABR工藝可實現低生命周期成本，在滿足國家和地方高排放標準的同時，贏得更大的經濟效益。

3.4 處理效果分析

本試點工程為監測MABR污水處理系統出水水質達標情況，在三級水池出水口安裝有在線水質監測設備，可對出水進行長期監測。目前服務區平日實際進水水量為118.9～163.7 m3/d，進水負荷達到了設計處理能力的59.4%～81.8%，但面對五一、十一以及春節小長假高峰沖擊，進水負荷可能超出了設計處理能力。研究人員根據三級出水池出水口的在線監測設備統計了污水的產生量，同時分別于節假日和平日對調節池進水口及三級出水池出水口進行了7次取樣分析檢測，各污染物濃度變化及去除率如圖5所示。

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

研究結果表明，節假日進水中氮、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，而且部分重大節假日污水的產生量達到260～300 m3/d，可達到平日1.6～2.5倍。經MABR污水處理系統處理后，節假日出水中氨氮、TN、TP及CODCr的平均質量濃度分別為0.70、2.19、0.25 mg/L及22.00 mg/L，出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。該工藝處理效果好，耐沖擊負荷適應性強，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區的污水處理。

冬季的極端天氣對污水處理系統存在較大的影響，本試點工程在生化池體內部安裝有一層保溫層，可保持池內水溫始終高于12 ℃，降低極端天氣對污水處理系統的影響。根據在線水質監測設備統計了2019年冬季部分出水水質情況，具體監測結果如圖6所示。結果表明，冬季實際出水氨氮、TN、TP及CODCr平均值分別為1.02、5.23、0.34 mg/L及14.07 mg/L，對各種污染物仍能保持較好的去除效果，出水優于城鎮一級A排放標準中氨氮≤8 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L、CODCr≤50 mg/L的要求。

圖6 冬季運行中出水水質達標Fig.6 Quality of Effluent Water up to the Standard in Winter

4 結論

(1)MABR污水處理系統是一種新型、高效的分散式污水處理工藝，具有智能化、模塊化、長壽化及脫氮除磷高效穩定化等特點，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施建管養要求。

(2)工程實踐證明，MABR污水處理系統具有較強的抗污染負荷沖擊能力，出水水質可長期穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，可以作為沖廁、綠化、洗車等多用途使用，具有顯著的社會、經濟、環境效益。

(3)試點工程的成功實施，為高速公路服務區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綠色可持續發展服務區建設中推廣。