賈立

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司,山西 太原 030009)

高速公路服務(wù)區(qū)致力于為過往司乘人員提供干凈、舒適的臨時休息場所。在服務(wù)區(qū)日常的衛(wèi)生打掃、車輛沖洗中會產(chǎn)生大量污水,如果直接排放會導(dǎo)致生態(tài)遭到破壞。推廣使用污水處理節(jié)能環(huán)保技術(shù),一方面能夠?qū)崿F(xiàn)污水凈化,避免直接排放帶來的污染問題；另一方面經(jīng)過凈化的水又可重新用于服務(wù)區(qū)的綠植澆灌或者車輛清洗,實現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。因此,探究一種適合寒冷地區(qū)高速公路生態(tài)服務(wù)區(qū)污水處理的節(jié)能環(huán)保技術(shù),成為當(dāng)下的熱門研究課題。

1 高寒地區(qū)高速公路生態(tài)服務(wù)區(qū)的污水處理技術(shù)

高速公路服務(wù)區(qū)的污水具有排放量大、排放點多、污水量不均勻等一系列特點。組合式地埋污水處理系統(tǒng)是目前國內(nèi)高速公路服務(wù)區(qū)使用率最高的一種污水處理工藝,其特點是水力停留時間短、抗沖擊性能強(qiáng)、運(yùn)行管理較為方便。但是缺點也比較明顯,例如污泥容易上浮,生物填料每隔3-5 年需要更換一次,運(yùn)行成本較高。復(fù)合式生態(tài)土壤處理技術(shù)和膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的新型節(jié)能環(huán)保技術(shù),前者是利用土壤物理性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì),在土壤微生物作用下實現(xiàn)對服務(wù)區(qū)污水的凈化處理；后者則是使用生物膜反應(yīng)器作為核心材料,實現(xiàn)對污水的過濾和降解。結(jié)合寒冷地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)的運(yùn)營模式、環(huán)境特點,以及綜合考慮技術(shù)成本、適用范圍等選擇一種合適的節(jié)能環(huán)保技術(shù),對污水無害化處理和循環(huán)利用有積極幫助。

2 生態(tài)服務(wù)區(qū)污水節(jié)能環(huán)保處理技術(shù)的應(yīng)用

2.1 污水處理工藝的選擇

寒冷地區(qū)的高速公路服務(wù)區(qū)在設(shè)計污水節(jié)能環(huán)保處理系統(tǒng)時,應(yīng)滿足以下幾點要求：占地面積較小；便于維護(hù)管理；能適應(yīng)較大的水量和水質(zhì)波動；處理后出水水質(zhì)良好。理論上來說,組合式地埋污水處理設(shè)備、序批式活性污泥工藝等都可滿足污水處理要求,但是從節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本等角度考慮,生態(tài)土壤處理技術(shù)和膜生物反應(yīng)器的優(yōu)勢更加顯著,本文選擇這兩種工藝展開污水處理分析。

2.2 試驗設(shè)計

本試驗通過人工配制樣品的方式模擬服務(wù)區(qū)生活污染,配方及比例為：工業(yè)葡萄糖300mg/L、尿素40mg/L、磷酸二氫鉀8mg/L、硫酸鎂1mg/L、氯化鈣0.8mg/L、硫酸銅0.05mg/L。按照上述配方制作的試驗用水,水質(zhì)參數(shù)為：COD 濃度范圍120-480mg/L,氨氮濃度1-20mg/L,總氮濃度5-25mg/L、總磷濃度0.2-6.0mg/L。試驗中主要測試COD 和氨氮的濃度變化,其中COD 測試方法選擇重鉻酸鉀法,所用儀器為HH-5 型化學(xué)耗氧量測定儀；氨氮測試方法選擇納氏比色法,所用儀器為UV9100 型分光光度計。

3 復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理技術(shù)

3.1 復(fù)合式土壤處理系統(tǒng)的工藝流程

該系統(tǒng)自上而下分為4 部分,表層是由綠植組成的植物層,既有一定的綠化、觀賞價值,同時還能利用植物根系吸收污水中的一部分氮磷元素,達(dá)到初步凈化的效果。植物層以下為土壤層,厚度大概在10-15cm,即可為植物生長提供營養(yǎng),又能利用土壤微生物進(jìn)行污水降解。土壤層以下為反應(yīng)層,主要成分為生物菌種、生物填料,是污水凈化的主要場所。最底層是由礫石、粗砂組成的防滲層。整個復(fù)合式土壤處理系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合式土壤處理系統(tǒng)工藝流程圖

在該工藝流程中,兩組細(xì)目格柵分別放置在調(diào)節(jié)池的進(jìn)水口和出水口,起到過濾雜質(zhì)與懸浮物的作用。經(jīng)過調(diào)節(jié)池處理后,污水中的雜質(zhì)、懸浮顆粒等基本被濾除干凈,完成調(diào)節(jié)處理后的污水經(jīng)過配水渠達(dá)到土壤處理單元,在物理沉降、化學(xué)降解等一系列作用下,處理完畢的中水被存儲到集水池,使用水泵抽取后可用于澆灌服務(wù)區(qū)的綠植,或者重新用于沖洗廁所、清洗車輛。由此可見,使用復(fù)合式土壤處理系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)污水的零排放,環(huán)保效益良好。

3.2 復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

使用人工配制的污水作為該系統(tǒng)的進(jìn)水,使該系統(tǒng)從2020 年8 月連續(xù)運(yùn)行至2021 年8 月。為消除無關(guān)變量干擾,通過調(diào)節(jié)池控制土壤滲濾處理單元的污水流量,盡量使其維持在穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)運(yùn)行期間污水中COD 和氨氮的變化結(jié)果如下。

3.2.1 對污水中COD 的處理效果

復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)投入運(yùn)行1 年后,各個月份的污水COD 濃度變化如圖2 所示。

圖2 土壤處理系統(tǒng)對COD 的去除效果

結(jié)合圖2 可知,該系統(tǒng)進(jìn)水COD 濃度在175～400mg/L 之間波動。其中2020 年11 月份進(jìn)水COD 濃度最大,為400mg/L。經(jīng)過復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)的過濾、降解處理后,出水COD 濃度均降低至50mg/L 以下,降幅明顯。其中2021 年8 月份出水COD 濃度最小,為24mg/L,可見污水處理效果良好。污水中COD 去除率方面,各個月份之間波動較為明顯,2020 年12 月份COD 去除率最低,僅為89.3%；其他月份的COD 去除率均維持在90%以上,其中2021 年8 月份COD 去除率最高,達(dá)到了94.3%。在復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)的整個運(yùn)行期間,污水COD 的平均去除率為92.7%,出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級A 的標(biāo)準(zhǔn)。從整體上看,溫度變化對污水COD 去除率的影響不明顯,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好。

3.2.2 對污水中氨氮的處理效果

復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)可通過三種方式去除污水中的氨氮,其一是植物的吸收與揮發(fā),其二是氣體揮發(fā),其三是微生物硝化作用。本次試驗中所用的填充介質(zhì)和系統(tǒng)出水經(jīng)過測量pH 值均小于7,呈酸性,故忽略堿性環(huán)境下NH3的揮發(fā)損失。因此影響氨氮處理效果的決定性因素主要為植物吸收與硝化反應(yīng)。其中,溫度、濕度、微生物群落和溶解氧濃度等是影響硝化速率的幾項關(guān)鍵指標(biāo)。該系統(tǒng)在投入運(yùn)行1 年后,污水中氨氮各個月份的變化量如圖3 所示。

圖3 土壤處理系統(tǒng)對氨氮的去除效果

結(jié)合圖3 可知,該系統(tǒng)中進(jìn)水氨氮的濃度范圍在5.8～13.0mg/L 之間波動,其中2020 年9 月份進(jìn)水氨氮濃度最高,達(dá)到了13.0mg/L。經(jīng)過系統(tǒng)處理后,出水中氨氮濃度有不同幅度的下降。除了2020 年12 月(6.3mg/L)、20201 年1 月(5.5mg/L)和2 月(2.4mg/L)外,其余各月份的氨氮濃度均維持在2mg/L 以下。其中2021 年7 月份出水氨氮濃度最低,僅為0.1mg/L。該系統(tǒng)全年平均出水氨氮濃度值為1.71mg/L,出水水質(zhì)同樣達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級A 的標(biāo)準(zhǔn)。另外,分析不同月份污水中氨氮去除率波動的原因,認(rèn)為是溫度變化導(dǎo)致的。在2020 年12 月份、2021 年1 月和2 月氣溫較低,植物進(jìn)入枯萎期,植物根系吸收和轉(zhuǎn)化污水中氨氮的能力下降；同時,硝化速率也會因為微生物活動能力降低而減慢,因此該系統(tǒng)對氨氮的去除效果明顯下降。因此,溫度變化對土壤處理系統(tǒng)中氨氮的去除效果有顯著影響。

4 膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)

4.1 膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)設(shè)計

本次試驗中選擇一體式膜生物反應(yīng)器,膜組件放置于反應(yīng)器內(nèi),使得系統(tǒng)維護(hù)和管理更加方便,占地面積更小。廢水流入膜生物反應(yīng)器后,污染成分被混合液中的活性污泥分解,同時分解后的懸浮物和其他雜質(zhì)被生物膜過濾,提高了出水水質(zhì)。膜生物反應(yīng)器自帶反沖洗功能,保證生物膜的通透性,并延長了該系統(tǒng)的使用壽命,間接地降低了運(yùn)行成本。膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示。

圖4 一體式膜生物反應(yīng)器實驗裝置示意圖

結(jié)合圖4 可知,該系統(tǒng)主要由原水箱、進(jìn)水管路、膜組件、測壓管路等組成。其中,原水儲存在原水箱內(nèi),打開閥門后在重力作用下自然流進(jìn)平衡水箱,利用浮球閥控制生物反應(yīng)器的液面高度。生物膜組件設(shè)計成為矩形,截面規(guī)格40cm×30cm,有效水深為80cm。膜組件的材料組成為中空纖維簾式的PVDF(聚氟乙烯)膜,膜孔徑為0.5μm,纖維內(nèi)徑0.2mm,膜總面積0.8m2。該裝置中使用的活性污泥取自于某污水處理廠二沉池,經(jīng)過一段時間的連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水培養(yǎng)后,使活性污泥的濃度維持在6g/L 左右。等到污泥絮狀結(jié)構(gòu)較多、顏色從最初的黑色變?yōu)榛疑?并且在顯微鏡下觀察到較多數(shù)量的鐘蟲等動物后,培養(yǎng)結(jié)束,并用于一體式生物膜反應(yīng)器中。

4.2 膜生物反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

4.2.1 對COD 的處理效果

膜生物反應(yīng)器投入運(yùn)行1 年后,各個月份的污水COD 濃度變化如圖5 所示。

圖5 膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對COD 的去除效果

結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn),原水中COD 濃度在267～433mg/L 之間波動,變化較大；出水COD 濃度在2021 年12 月份有最大值,為32.1mg/L,在2020 年10 月份有最小值,為8.5mg/L,全年出水COD 的平均值為17.4mg/L,滿足中水回用的標(biāo)準(zhǔn)。在污水COD 去除率方面表現(xiàn)良好,均維持在92%以上,說明該系統(tǒng)運(yùn)行受溫度的影響不明顯。其中2020 年10 月份達(dá)到了最大值,COD 去除率達(dá)到了99.6%。說明膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對污水中COD的去除效果優(yōu)良。

4.2.2 對氨氮的處理效果

該系統(tǒng)的曝氣量設(shè)定為每小時0.3m3,可以滿足生物膜反應(yīng)器內(nèi)硝化細(xì)菌的生長和繁殖需求,通過細(xì)菌的不斷更新實現(xiàn)對污水中氨氮等有機(jī)成分的降解和轉(zhuǎn)化。膜生物反應(yīng)器投入運(yùn)行1 年后,各個月份的污水氨氮濃度變化如圖6 所示。由圖6 可知,該系統(tǒng)的污水進(jìn)水氨氮濃度在2.2～18.7mg/L 之間波動,平均濃度為9.6mg/L。出水氨氮濃度除了在2020 年11 月份(1.9mg/L)較高外,其他月份的氨氮濃度均低于1mg/L。從污水中氨氮去除率方面來看,除了2020 年11 月份(89.6%),其余各月份的氨氮去除率均維持在90%以上,全年氨氮平均去除率達(dá)到了95.0%。無論是在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性還是氨氮去除率方面均優(yōu)于復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)。

圖6 膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)對氨氮的去除效果

5 結(jié)論

在高速公路服務(wù)區(qū)的污水節(jié)能環(huán)保處理中,復(fù)合式生態(tài)土壤污水處理系統(tǒng)和一體式膜生物反應(yīng)器都能達(dá)到理想的污水凈化處理效果。出水水質(zhì)可以達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn),滿足了服務(wù)區(qū)綠化用水和車輛清洗用水。對比來看,膜生物反應(yīng)器對環(huán)境的適應(yīng)力更強(qiáng),即便是在冬季低溫環(huán)境下也能保持較高的COD 和氨氮去除率,更加適合寒冷地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理。