山西省高速公路站區污水深度處理技術應用研究

李秋貴

（山西路橋建設集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

為扎實推進碳達峰行動，《2030 年前碳達峰行動方案》中明確指出“將綠色低碳理念貫穿于交通基礎設施規劃、建設、運營和維護全過程，降低全生命周期能耗和碳排放”。專家指出，污水處理過程中產生的碳排放量占總量的1%～2%，然而，我國污水處理工藝存在“標準高、能耗高”等問題。

高速公路站區遠離市區，產生的污水基本沒有納入雨污管網，有些處理工藝簡單，未達標就排放，甚至有直接排放的情況，存在重要的安全隱患，嚴重污染周邊水體。采取分散式污水處理技術來治理高速公路站區（服務區、收費站）及偏遠地區的生活污水十分必要，其占地面積少、節約建設費用，靈活多樣。但分散式污水處理設施一般存在水質達標率低、能耗高，運行維護效率低等問題[1]。

因此，本文按照技術先進、經濟合理、運行穩定、運維簡便、排放達標的原則，針對高速公路站區污水處理設施出水不能穩定達標，能耗高的難題，提出“基于多元催化復合載體的自養反硝化生活污水處理技術（PAD）”的脫氮除磷深度消減技術體系，并在某公路收費站開展實際工程應用，探索最佳的工藝運行參數，減少“直接碳排放”。

1 工藝簡介

1.1 工藝原理

基于多元催化復合載體的自養反硝化生活污水處理技術由生化預處理單元（P）+生化耦合深度處理技術（AD）（簡稱P-AD 污水處理技術）工藝組成，其原理主要是通過多元催化復合載體的催化微電解作用、自養微生物的硝化反硝化作用、以及絮凝沉淀作用等高效去除水中COD、氮、磷等污染物[2]。具體的工藝原理如圖1。

圖1 Fe-C載體填料和工藝原理圖

1.2 工藝流程圖

該工藝流程由4 部分組成（見圖2）。

圖2 工藝流程圖

圖3 某收費站污水處理現場圖

主要由調節池、前處理單元、核心處理單元和中水回用單元構成。調節池內污水通過泵提進入前處理單元，通過前處理單元的處理達到核心處理單元（AD）自養反硝化脫氮除磷反應器的入水條件，其中前處理單元主要是去除部分COD 和SS，核心處理單元（AD）由A反應器、O 反應器和Fe-C 多元催化復合載體組成，主要用來去除COD、氨氮、總氮、總磷和SS 等，中水回用單元的出水用于景觀綠化、沖廁、道路清洗以及生態補水等。

2 示范工程概況

該研究選取山西省某高速公路收費站開展污水深度處理示范工程。該站擁有約80 名員工，每天產生約10 t 生活污水。生活污水主要來源于衛生間沖廁用水、工作人員產生的盥洗廢水、餐飲用水等。

該站區排放的污水具有如下特征：污水日產量偏低；污水中氨氮濃度較一般生活污水濃度偏高。

3 現場運行階段

3.1 材料與方法

3.1.1 現場試驗水質

該次試驗生活污水經某收費站的生活區排出。具體水質指標見表1?，F場試驗通過控制變量法調控HRT 運行階段，調控回流比運行階段，調控DO 運行階段。

表1 某收費站生活污水進水水質 單位：mg/L

3.1.2 檢測與分析方法

定期收集調節池水樣和O 罐出水樣品，測定COD、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等水質指標，檢測方法參考中國環境科學出版社第4 版《水和廢水檢測分析方法》，具體內容見表2。

表2 水質檢測項目及分析方法

3.2 不同影響因素分析

3.2.1 HRT對AD工藝去除效果的影響

在以下運行條件中，研究了不同水力停留時間（HRT）對組合式AD 工藝去除效果的影響[3]，通過控制溶解氧（DO）濃度在4.0 mg/L 左右，回流比為4∶1，調整進水流量分別為0.6 L/h、0.9 L/h、1.2 L/h，其對應的HRT 為5.0 h、7.5 h、10.0 h。圖4 為不同HRT 下組合式AD 工藝去除效果圖。

圖4 不同水力停留時間下COD、TP、NH4+-N、TN的去除效果

如圖4 所示，發現COD、TP、NH4+-N 和TN 的去除率隨著HRT 的增加而增加。當HRT 從5.0 h 增加到7.5 h時，出水中COD、TP、NH4+-N 和TN 的去除率分別從92.86%、90%、87%、79.52% 增加到97.14%、95%、90.83%和84.15%。當HRT 從7.5 h 增加到10.0 h 時，COD、TP、NH4+-N 和TN 去除率增加幅度不大[4]。這是因為適當地增加HRT，有助于延長組合式AD 工藝的硝化和反硝化過程，進而提高去除效果。但當HRT 過長時，水體中的營養物質無法滿足微生物自身代謝，導致反應活性降低，從而影響工藝的運行效果，因此，選擇該工藝的最佳HRT 為7.5 h。

3.2.2 DO對AD工藝去除效果的影響

為了研究DO 濃度對組合式AD 工藝去除效果的影響，保持HRT 為7.5 h、回流比為4∶1，調整DO 濃度為3.0 mg/L、4.0 mg/L 和5.0 mg/L。

從圖5 可知，隨著DO 濃度的增加，NH4+-N 的濃度逐漸降低，當DO 濃度為4.0 mg/L 和5.0 mg/L 時,出水的NH4+-N的去除率達到89%以上。當DO濃度為4.0 mg/L，TN 的去除率為83%，COD 的去除率達到93.7%。因此，選擇該工藝的最佳DO 濃度為4.0 mg/L。

圖5 不同DO下COD、TP、NH4+-N、TN的去除效果

3.2.3 回流比對P-AD工藝去除效果的影響

為了研究回流比對脫氮的影響，保持HRT 為7.5 h，DO 濃度為4.0 mg/L，通過調節回流泵的流速控制回流比（回流速率∶流入速率）為2∶1、3∶1、4∶1。圖6 為不同回流比下組合式AD 工藝對COD、TP、NH4+-N、TN 的去除效果及去除率。

圖6 不同回流比下COD、TP、NH4+-N、TN的去除效果

由圖6 可知，當回流比從2∶1 增加到3∶1 時，COD、TP、NH4+-N、TN 的去除率增加；當回流比從3∶1 增加到4∶1 時，COD 和NH4+-N 的去除率略有下降，TN 和TP 的去除率仍增加。這是因為回流比的變化主要影響NO3--N 的去除。因此，提高回流比主要改善了TN 的去除率。

4 結論

a）該工藝脫氮的反應機理為6NH4++12O2+10Fe—3N2+10Fe3++ 24OH-；除磷的反應機理為Fe3++PO43-+2H2O—FePO4·2H2O。

b）當工藝參數HRT 為7.5 h、DO 濃度為4.0 mg/L、回流比為3∶1 時，水質指標COD、NH4+-N、TN 和TP 的去除效率最高。