高速公路服务区污水处理现状问题及应对策略浅析

周德柱，刘 煌，胡 燕，许国静

(招商局生态环保科技有限公司，重庆 400067)

根据《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，到2020年底我国高速公路里程将达到15万km。根据高速公路设计规范，沿途服务区的平均间距≤50 km，届时高速公路服务区的数量约为3 000对。高速公路服务区大多设置在远离城市集中式市政污水管网收集区外，常采用分散式污水处理后排放方式，高速公路服务区处理规模每d约30 t/侧～150 t/侧，年污水排放量在0.66亿t～3.3亿t，在当前环境污染形势日益严峻的背景下，服务区污水能否得到有效处理，将直接影响和制约我国高速公路的可持续发展。

1 国内外高速公路服务区污水处理工艺技术

1.1 国内常见的处理技术

1) 活性污泥法处理技术

当今城镇生活污水处理的核心工艺，较早应用于国内高速公路服务区污水处理的技术之一。常见的有A/O、A2/O、A3/O、氧化沟等连续运行工艺，也有SBR、CASS等间隙运行处理工艺。活性污泥法的核心是依靠活性污泥载体中大量的悬浮微生物吸附分解污染物。该技术十分成熟，污染物去除效果好，运行控制灵活；同时也存在耐冲击性能力低，活性污泥膨胀等常见问题。

2) 生物膜法处理技术

生物膜法利用载体表面或内部附着生长的生物膜降解污染物。污水与载体上的生物膜充分接触过程中，有机污染物、氮等在微生物的作用下得以去除。生物膜法的技术形式有多种，如生物接触氧化法、曝气生物滤池、移动床生物反应器(MBBR)等。根据相关文献的统计数据，生物接触氧化法是近些年高速公路服务区污水处理中最常见的工艺[1]。采用生物膜工艺处理污水的效果一般优于活性污泥法，但生物膜法存在填料系统的投资和运行维护成本较大的问题。

3) 膜生物反应器(MBR)处理技术

利用膜分离技术中的超微滤技术与污水处理中的传统活性污泥法相结合，用膜组件代替活性污泥法中的二沉池，它是生化处理和膜过滤的有机组合。因该工艺占地面积小，且出水稳定，被广泛应用于服务区污水处理。目前限制MBR技术应用的主要因素为过滤膜不可避免的堵塞及通量衰减，投资和运行成本较高。

4) 人工湿地类处理技术

模拟自然湿地结构和功能的生态化污水处理系统，污水在预处理后，有控制地投配到人工种植水生、湿生植物的土地上，通过耐水植物的截留沉淀和土壤的自然降解等作用对污水进行净化。该技术具有出水水质好、景观效果好、运行维护简单等优点，在南方有一定场地空间的服务区具有很好的推广应用前景，但存在占地面积大、低温时处理效果较差等问题。

1.2 国外的处理技术

高速公路服务区一般地处偏远，服务区污水处理属于非常典型的分散式污水处理，国外针对高速公路服务区污水处理技术研究的文献资料和报道较少。

针对分散式污水的处理方式，美国的国家环保署(EPA)推荐采用低投资、低运行成本的处理技术，比如土壤吸收系统、土墩系统、砂滤系统、污水蒸散系统等[2]。

20世纪80年代开始，日本政府也大力推动分散型生活污水的治理。净化槽作为一种一体化水处理装备，在日本的普及率每年都呈递增趋势，且已形成一套比较完善的法律法规体系、财政补贴制度、技术标准体系，支撑和规范着净化槽技术的应用。净化槽的处理工艺主要是厌氧过滤+接触曝气工艺和反硝化型厌氧过滤+接触氧化工艺。此外，还有固体处理单元的小型净化槽、新型膜分离净化槽和一些有特殊功能的净化槽。

德国在21世纪初就开始推行建设分散市镇基础设施系统，无法接入市政管网的分散式生活污水推荐采用膜生物反应器和PKA湿地污水处理系统进行处理。PKA湿地属于人工湿地的概念范畴，与普通人工湿地的区别主要有以下几点：1) 介质层由不同介质按特定配比混合组成，介质层可多达6层，分层铺设，每一层的配合比、组成成分、厚度、土力学特性等参数均不相同。2) PKA湿地表面干燥，没有积水，人可在上面行走。PKA湿地本身就是绿化，在处理污水的同时还是景观绿地。3) 日常运行费用很低，处理1 t污水的费用为0.03元～0.05元[3]。

上述国外的处理技术已在国内得到引进及应用，但是由于专利技术等原因，其建设投资成本一般明显高于国内常规的污水处理系统。此外，净化槽采用模具一体化成型，一般适用于极小规模的分散式污水处理(≤20 t/d)，PKA技术也同样存在占地面积大等缺点。

1.3 新技术应用综述

近些年，针对高速公路服务区污水处理领域，在既有研究成果的基础上，逐步出现了一些新的技术。

陈磊等[4]研究了工程菌+曝气生物滤池(EM-BAF)工艺的一体化装置对高速公路生活污水中的COD、氨氮的去除效果。试验结果表明，EM-BAF工艺启动挂膜迅速，可有效去除高速公路生活污水中的COD、氨氮等污染物，去除效率分别高达94.45%和94.53%，出水完全可满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A类标准，装置停运后再启动仅在48 h内处理后出水水质即恢复正常。

彭帅等[5]基于对高速公路服务区水质特征及处理现状的调研，以自行研制复合活性催化载体为工艺基础，将微生物脱氮作用与化学催化作用进行耦合，开发出一种适合高速公路服务区生活污水深度处理的系统工艺。通过实验室小试与现场工艺中试在不同参数((HRT，DO、回流比)下的长期稳定运行验证，物化与生化耦合多级A/O系统实现了低温条件下的高效脱氮除磷。实际工程中物化与生化耦合多级A/O系统最佳HRT为7.5 h(厌氧反应器为4.5 h，好氧反应器为3.0 h)，最佳DO浓度为4.0 mg/L，最佳回流比为4。系统异养反硝化作用占总反硝化作用的64.5%，而物化与生化耦合催化生物膜反应器中存在基于复合活性催化载体的自养反硝化作用的贡献率>35%。

王恒等[6]针对高速公路服务区需水量多和生活污水氨氮浓度高的特点，研究采用聚铝与沸石床过滤的组合工艺来处理这类污水，以便中水回用。结果表明，污水中COD、SS等指标可通过混凝沉淀处理得到有效去除，而水中的氨氮浓度可通过沸石床去除。采用沸石再生处理装置并用再生液进行再生处理，再生处理后的沸石返回。经核算，该工艺每t水的回用处理成本约为1.33元，经济和环境效益十分显著。

Hongbo Chen等[7]将延长静置段的好氧生物除磷工艺(AEI)应用于某高速公路服务区的生活污水处理。该工艺以聚磷菌的厌氧-好氧生物除磷理论为基础，结合序批式生物反应器(SBR)工艺，将生物除磷过程完全在好氧池内进行。在对AEI反应周期的不同静置时间对其影响的研究中，当静置时间为8 h时，系统除磷效率最高，其平均除磷率达到95.18%。

Ian N. Balcom等[8]研究了位于美国佛蒙特州的高速公路观光服务区内一处污水处理站对药物及微污染物的处理效果。该污水处理站采用了生态型的污水处理系统，提高了微污染物的处理效果。工艺流程为“缺氧+厌氧+三级植生好氧+沉淀过滤”，该工艺在好氧池表面栽植了大量的水生植物，利用植物/微生物交互反应分解污染物。

Yoo Hyun等[9]将污水处理与污泥处理进行有机结合，并应用在某高速公司服务区的污水处理站。将污水处理站的剩余污泥与过量石灰石混合调理后再进行压滤处理，滤液作为碱度返回污水系统，从而增加了污染物的处理效果。当剩余污泥与石灰石的比例为1∶2时，有机物降解速率、硝化速率及脱氮速率分别提高了64%、35%及68%。该技术既有效处理了污泥，也提高了污水处理效率。

2 当前服务区污水处理存在的问题

影响服务区污水处理工艺技术方案的主要因素有进水水质、水量规模、投资、占地面积等。本文仅从污水水质及水量规模2个因素分别分析当前服务区污水处理技术存在的问题。

2.1 设计进水水质参数选择不当

服务区污水中冲厕污水所占比例很大，根据调研结果达到40%～80%，因此污染负荷更高。根据简丽等[1]对全国7省239对公路服务区污水处理设施的现状调研结果，对典型污水处理设施进水水质进行了监测，COD实际可高达700 mg/L，氨氮达到100 mg/L，实际污染物指标远高于设计值。马聪、胡博、史良于等[10-12]在服务区污水处理的研究中对服务区污水水质进行了统计，结果见表1。

表1 服务区生活污水的典型水质情况 mg/L

根据《水污染控制工程(修订版)》[13]，典型的生活污水水质见表2。服务区污水的COD和氨氮平均浓度分别接近和超过表中典型的高浓度型生活污水的COD和氨氮浓度，属于高浓度型生活污水。

表2 典型的生活污水水质 mg/L

此外，节假日期间，服务区一般都超负荷运行，污水水质可长时间维持在上表中的各区间的上限，属于超高浓度型的生活污水。因此，在服务区污水处理工程的设计阶段，需要因“质”而宜。现行的污水设计规范大多适用于一般的城镇生活污水，其中某些设计参数可能并不适用于高浓度的服务区污水处理设计。例如，由于COD等污染物浓度较高，则服务区污水在生化段的停留时间必然要明显大于传统的市政污水的停留时间。

根据服务区水质调查统计[1]，设计进水水质参数选择不当而导致污水处理负荷过高，是当前许多高速公路服务区污水处理站建成之后出水不达标的重要原因。

2.2 污水水量波动影响较大

因天气、节假日、时段或者其它因素引起车流量随机性变化，从而造成服务区产生污水量具有较大的波动性，车流量是导致服务区污水量变化的关键因素。

1) 一般夏季污水量较大，冬季较小。

2) 污水量在1 d中也会有较大的波动，一般服务区污水量的高峰发生在中午，低谷发生在深夜或凌晨。

3) 高速公路运行初期车流量较小，随后逐年增大，污水量也呈逐年增加趋势。

4) 节假日，尤其法定长假期间，许多服务区的接待车流量一般会是日常平均值的2倍及以上。此时，服务区的污水产生量一般也会随之以相应的倍数增长。

上述4个导致水量波动的因素中，尤以节假日因素对服务区污水处理站的冲击影响最为明显和突出。据调查，我国西部某高速服务区在春节期间的日污水量达到平时污水量的5倍。不同于污水量在1 d中的波动，节日假期间的污水量则会持续几天维持在高位，大大超出了一般污水处理站富裕处理规模。污水处理站生化处理段一般是可短时间的冲击负荷，但对长时间的高浓度大水量的来水，生化系统很难达到稳定合格的出水水质。

因此，由于水量的剧烈波动产生的冲击负荷，也是影响我国现有高速服务区的污水处理设施正常稳定运行的重要因素。

2.3 主要污水处理技术对服务区污水的适应性分析

当前国内常用的服务区污水处理技术对服务区污水的适应性分析见表3。

表3 主要污水处理技术对服务区污水的适应性分析

3 应对策略

3.1 合理选择进水水质及工艺设计参数

1) 设计前需对服务区的污水进行调研监测，确定实际进水水质。

2) 合理选择污水处理的工艺设计参数。服务区的生活污水主要以高浓度的粪便污水为主，需谨慎选择污泥负荷率、水力停留时间、溶解氧浓度、污泥龄等工艺设计参数，切忌直接照搬中等浓度或低浓度市政生活污水的设计经验参数。核心的设计参数则建议通过小试试验确定。

3) 适当提高服务区一体化污水处理设备的富裕处理量。一体化污水处理设备因处理规模小，在服务区污水处理领域的应用越来越广泛。但市场上有许多设备是基于中低浓度的生活污水进行设计的，不可直接应用于服务区污水处理。因此建议拟购设备的处理规模至少为服务区设计水量的1.5～2.0倍。

3.2 优化污水处理工艺流程

针对服务区生活污水浓度高、水量波动大的特点，提出以下几点优化污水处理工艺流程的建议:

1) 前段设置厌氧处理工序。通过厌氧细菌和兼性细菌的厌氧消化或发酵，降解有机污染物，产生沼气和少量污泥，适用于处理高浓度有机污水。增设厌氧处理工艺，既节能，又大大减轻后续处理单元的负荷，降低污泥处置费用。在服务区污水处理中，可设置厌氧罐、UASB、EGSB等厌氧反应器，此外增大化粪池容积也是一种简单有效厌氧处理方式。

2) 提高调节池容积。由于污水水量波动较大，增大调节池容积可提高污水水量的调节能力。同时，在调节池内投放一定量大尺寸的悬浮填料，封闭条件下也可实现厌氧处理功能。

3) 前端设置化学强化一级处理。通过向污水中添加适当的化学药剂，将离散的颗粒物质化学脱稳，并通过异向絮凝形成较大的颗粒，较大的颗粒易于用沉淀或过滤的方式去除。根据以往的研究结果，前段设置化学强化一级处理后，污水中污染物的去除率可达60%，有效降低了后续单元的处理负荷。

4) 提高抗冲击负荷能力。好氧接触氧化、生物转盘等生物膜法工艺较活性污泥法具有较好的耐冲击负荷能力。在生化反应池内设置固定填料或悬浮填料，一般可明显提高系统运行的稳定性。因物化法的污水处理效率与可靠性均优于传统生化处理法，在污水排放流量波动较大、用地紧张、增扩调节池容积困难的情况下，物化/生化联用法是一个值得尝试的探索。当系统处于低水量负荷时，核心工艺采用常规生化处理工艺；当高水量负荷时，则暂停生化处理功能，利用生化池的空间作物化处理。水量恢复正常后，再将生化池切换至生化处理功能。

4 结束语

随着我国经济的快速发展，未来高速公路服务区的污水处理规模日益庞大，对污水处理设施的出水合格率、效率、节能等方面的要求也必将愈来愈严格，新建或改建高速公路服务区污水处理设施的建设需考虑以下几点：

1) 生态节能是当下社会发展的主流趋势，在筛选服务区污水处理工艺技术时，既要考虑成熟可靠的常规处理技术，也可因地制宜地选择应用一些新技术、低能耗、生态型的污水处理工艺。

2) 服务区污水一般属于高浓度污水，且水量波动大，影响服务区污水处理设施的正常稳定运行。

3) 服务区污水处理站建设时，需进行调研监测，合理选择进水水质及工艺设计参数，切忌直接照搬中等浓度或低浓度市政生活污水的设计经验参数。

4) 在前段设置厌氧处理工序、提高调节池容积、前端设置化学强化一级处理、提高抗冲击负荷能力等方式优化污水处理工艺流程。