張士超，李思媛，孫 銘，薛 強(qiáng)，李東力，牛宇錕，楊 俊

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，北京 100860；3. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京動(dòng)車段，北京 102600）

0 引言

近年來，我國(guó)鐵路建設(shè)快速發(fā)展，現(xiàn)有鐵路站段已經(jīng)超過5 000 個(gè)，中小車站占比較大。這些中小車站多數(shù)所處地區(qū)市政排水管網(wǎng)覆蓋滯后，污水處理規(guī)模一般較小且處理不穩(wěn)定，缺乏有效的運(yùn)行機(jī)制、自動(dòng)化程度低，給污水處理全面達(dá)標(biāo)和水資源再利用帶來了挑戰(zhàn)[1]。隨著國(guó)家和地方污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，對(duì)鐵路站段污水排放要求也愈加嚴(yán)格，應(yīng)在降解有機(jī)物的同時(shí)滿足脫氮除磷的要求[2]，現(xiàn)有污水處理工藝的強(qiáng)化和升級(jí)改造迫在眉睫。

鐵路站段生活污水若得不到有效處理就直接排放，會(huì)對(duì)站點(diǎn)周圍的環(huán)境和居民健康產(chǎn)生影響。因此，深入探討和研究鐵路站段分散式污水處理技術(shù)，使其因地制宜且有效運(yùn)行，是解決鐵路站段生活污水資源化技術(shù)的有效途徑。本文從分析鐵路站段生活污水資源化技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，綜述了目前鐵路行業(yè)、國(guó)內(nèi)外污水資源化新技術(shù)的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，探討了適宜鐵路站段分散式生活污水資源化的技術(shù)模式，旨在為后續(xù)的推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 鐵路站段生活污水水量和水質(zhì)特征

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵路由于生產(chǎn)運(yùn)輸過程的特殊性，鐵路站段生活污水主要有以下特點(diǎn)：鐵路站段點(diǎn)多線長(zhǎng)，污染源分散；污水量小，一般為10～2 000 m3/d，在中午和下午各有1 個(gè)峰值，晚上污水量較小[3]；鐵路各站點(diǎn)排水量不均勻，主要受站區(qū)工作人員數(shù)量和車站規(guī)模影響；水量日變化量不大，相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng)春運(yùn)、節(jié)假日客流量增加時(shí)，鐵路站段生活污水排放量會(huì)受到一定影響[4-5]。

鐵路站段生活污水水質(zhì)日變化幅度不大，因主要來源于站段內(nèi)生活洗滌污水及沖廁用水等，其排放成分相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包含有機(jī)物質(zhì)、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、病毒及懸浮物。同時(shí)，具有低碳氮比、氨氮含量相對(duì)較高的特點(diǎn)[6]。一般市政生活污水的碳氮比大于4，而鐵路中小站段生活污水COD 一般為50～250 mg/L，碳氮比一般小于3，屬于低碳氮比廢水[6-8]。鐵路站段生活污水氨氮濃度相對(duì)較高，一般為10～50 mg/L，有的甚至達(dá)到了250 mg/L，如洪飛宇等[6]測(cè)定某站生活污水中氨氮的濃度在80～100 mg/L，王睿彤[8]測(cè)定6 個(gè)站區(qū)生活污水氨氮濃度范圍為2.71～253 mg/L。

2 鐵路站段生活污水處理現(xiàn)狀及存在問題

我國(guó)鐵路站段生活污水具有水量小、變化系數(shù)大、專業(yè)運(yùn)行人員不足等特點(diǎn)，處理工藝多選擇厭氧-缺氧-好氧法(Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O)、間歇式活性污泥處理(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)、膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactor，MBR)、人工濕地等常規(guī)生物處理工藝[9]，污水處理后回用比例低。

2.1 鐵路站段生活污水處理工藝

2.1.1 AO/A2O工藝

針對(duì)脫氮除磷深度處理的工藝AO 或A2O，是典型的生物除磷脫氮污水處理工藝。A2O 同步脫氮除磷工藝，又稱為厭氧-缺氧-好氧法，是一種傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝，應(yīng)用較為廣泛。A2O工藝主要是在厭氧、缺氧、好氧3 種狀態(tài)下以不同性質(zhì)微生物種群之間的相互協(xié)作達(dá)到同時(shí)去除有機(jī)物、脫氮、除磷的目的，污泥沉降性能好，污染物去除效率高，有較高的耐沖擊負(fù)荷，污泥中含磷較高，其工藝流程較簡(jiǎn)單，但水力停留時(shí)間長(zhǎng)且內(nèi)回流污泥量較大，硝化反硝化過程中需要消耗大量的碳源[10]，運(yùn)行費(fèi)用較高。在鐵路站段污水處理的實(shí)際應(yīng)用中，因碳源投加量、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等問題，該工藝運(yùn)行故障率較高，未能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果及環(huán)保效益。

2.1.2 SBR工藝

SBR工藝流程簡(jiǎn)單，不需單獨(dú)設(shè)置二沉池和污泥回流裝置，反應(yīng)池集進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置功能于一體，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行周期及曝氣時(shí)間，使反應(yīng)器中有好氧段和缺氧段，為生物脫氮提供適宜的環(huán)境條件。SBR工藝占地面積小，反應(yīng)池間歇運(yùn)行，沉降性能好，有效減少污泥膨脹，抑制絲狀菌生長(zhǎng)。

SBR 反應(yīng)器通過可編程序控制器(PLC)控制污水泵、電動(dòng)閥門、鼓風(fēng)機(jī)、潷水器等機(jī)械部件的啟動(dòng)或關(guān)停，因而該工藝對(duì)于機(jī)電設(shè)備的要求和依賴性較高[11]，這也是SBR在中小站區(qū)污水處理運(yùn)轉(zhuǎn)效果不佳的主要原因。同時(shí)，SBR工藝適用于中水量的污水處理，污水量過小，不利于其運(yùn)轉(zhuǎn)周期的設(shè)置及兼性微生物的生息與繁殖，從而影響污水處理的效果。

2.1.3 MBR工藝

MBR是將傳統(tǒng)活性污泥法與膜分離技術(shù)結(jié)合的一種處理技術(shù)，通過將曝氣池與二沉池合二為一，使工藝流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊。一方面，MBR工藝?yán)媚そM件的截留作用保持了高污泥濃度和硝化菌數(shù)量，從而保證了生物降解的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的抗沖擊能力，對(duì)COD和氨氮的去除率較高且穩(wěn)定；另一方面，可高效進(jìn)行固液分離，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實(shí)現(xiàn)污水資源化[12]。

MBR工藝因其抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)及出水水質(zhì)效果好的優(yōu)勢(shì)，被逐漸應(yīng)用于鐵路站段生活污水深度處理工程中，不同站段可因地制宜選擇不同的膜生物組合工藝，以達(dá)到理想的處理效果。李占文等[13]將MBR工藝應(yīng)用于朔黃鐵路原平南站污水處理廠工藝改造，運(yùn)行結(jié)果顯示該工藝出水可達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920—2002)，作為公司內(nèi)綠地灌溉、沖廁及景觀用水，但膜污染是限制MBR應(yīng)用的最主要問題之一，這一情況在污水處理系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在會(huì)降低膜的水通量，因而需進(jìn)行頻繁的化學(xué)清洗，不利于膜壽命的保持[14]，同時(shí)鐵路站段因?qū)I(yè)人員配備不足，對(duì)膜日常維護(hù)較少，影響了其在鐵路站段生活污水處理的效果。

2.1.4 人工濕地

人工濕地是為了污水處理而模擬和強(qiáng)化“自然濕地”所建造的一個(gè)自然系統(tǒng)，分為水平潛流型人工濕地、表面流型人工濕地、垂直流型人工濕地和組合式人工濕地等。人工濕地通過濕地植物、濕地填料、微生物間的協(xié)同處理，將有機(jī)物、氮、磷等污染物吸收和降解，通過定期收割植物以達(dá)到凈化污水氮磷的作用。人工濕地工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便，但其占地面積大、處理負(fù)荷低、易堵塞等缺點(diǎn)影響了其發(fā)展[15]。

2.2 存在的主要問題

我國(guó)鐵路廢水資源化再生利用起步較晚，以往鐵路站段污水部分經(jīng)處理后排放。近年來，隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱“水十條”)的發(fā)布，國(guó)家對(duì)污水排放要求提高，鐵路站段的廢水資源化再生利用得到了快速發(fā)展。綜合文獻(xiàn)及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵路站段污水處理及資源化設(shè)備存在以下共性問題：鐵路站段較為分散，污水不易收集；鐵路站段污水處理站建設(shè)時(shí)期較早，污水處理設(shè)施自控設(shè)施等配置較落后，主要以人工控制為主；鐵路站段污水資源化設(shè)計(jì)及其資源化處理工藝設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性；鐵路站段低碳氮比污水導(dǎo)致工藝深度脫氮除磷困難。

這些問題的存在將對(duì)鐵路行業(yè)水資源的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，選擇鐵路站段生活污水處理工藝、處理設(shè)施時(shí)，首先應(yīng)考慮站段內(nèi)生活污水水質(zhì)、水量特點(diǎn)及排放情況，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時(shí)，能耗低、易管理維護(hù)；同時(shí)，鐵路站段生活污水處理需遵循節(jié)能化、生態(tài)化、景觀化原則，以實(shí)現(xiàn)污水回用。

3 鐵路站段生活污水資源化處理新技術(shù)分析與展望

目前，鐵路站段生活污水進(jìn)行資源化利用需執(zhí)行《鐵路回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(Q/CR 50—2014)、《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920—2020)或《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此，選擇合適的工藝實(shí)現(xiàn)污水資源化利用至關(guān)重要。

3.1 新型污水資源化技術(shù)

3.1.1 短程硝化反硝化技術(shù)

短程硝化反硝化技術(shù)處在當(dāng)前生物脫氮技術(shù)的最前沿，目前研究的核心內(nèi)容為如何實(shí)現(xiàn)亞氮的積累，以及通過低溶解氧、高氨氮、pH和溫度等的實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)良好的亞硝化效果，但目前該工藝主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究[17-19]，后續(xù)需要繼續(xù)深入研發(fā)較強(qiáng)適應(yīng)性的短程硝化反硝化的污水處理工藝，以實(shí)現(xiàn)污水生物脫氮技術(shù)的更大進(jìn)步。

3.1.2 厭氧氨氧化技術(shù)

近年來，厭氧氨氧化技術(shù)作為新型生物脫氮工藝逐步得到應(yīng)用。厭氧氨氧化工藝是指在缺氧條件下，以厭氧氨氧化菌為代表的微生物直接以NO2--N為電子受體，將NH4+-N氧化為N2的生物脫氮工藝[20]，其反應(yīng)式如下。

厭氧氨氧化工藝為生物法處理低碳氮比(C/N)的廢水提供了一條優(yōu)選途徑。與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，該工藝僅需將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮，節(jié)約了剩余氨氮的進(jìn)一步氧化需氧量及從亞硝氮轉(zhuǎn)化為硝氮的深度氧化需氧量，從而節(jié)省了大量曝氣產(chǎn)生的電耗。其次，該反應(yīng)以HCO3-為碳源，無需額外的投加有機(jī)碳源，對(duì)于低碳氮比廢水，可大幅度降低脫氮成本。此外，脫氮反應(yīng)不涉及異養(yǎng)反硝化菌，可顯著降低污泥產(chǎn)量。但是，厭氧氨氧化菌較長(zhǎng)的世代周期、較低的細(xì)胞產(chǎn)率、嚴(yán)格的環(huán)境要求導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定運(yùn)行困難[21]，嚴(yán)重影響了該工藝在小水量工程中的應(yīng)用。

3.1.3 同步硝化反硝化技術(shù)

同步硝化反硝化技術(shù)——膜曝氣生物法反應(yīng)器(Membrane Aeration Bioreactor，MABR)研究起源于20世紀(jì)70年代末，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已成為膜生物反應(yīng)器研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。該技術(shù)是一種基于自由擴(kuò)散原理的膜曝氣技術(shù)，氧氣以分子的形式通過膜的空氣側(cè)滲透至膜的污水側(cè)，膜表面形成高溶解氧濃度區(qū)域，好氧微生物在膜壁上繁殖并對(duì)污水進(jìn)行處理。因曝氣過程為氧分子的自由擴(kuò)散過程，不再需要克服反應(yīng)池內(nèi)水位高度的阻力，顯著降低曝氣能耗。同時(shí)，MABR膜表面是微生物易附著材質(zhì)制成，膜也是微生物的生長(zhǎng)載體，兼具生物膜處理技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)。MABR模塊可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化反應(yīng)，氧氣透過膜進(jìn)入水體，距離膜較近的區(qū)域氧含量較高，好氧生物膜在此生長(zhǎng)，NH3-N在此處被去除，反應(yīng)生成NO3-N。在非膜表面的區(qū)域，低氧含量和充足的BOD 創(chuàng)造良好的缺氧環(huán)境，NO3-N在此處進(jìn)行反硝化反應(yīng)生成N2排入大氣。

3.2 污水資源化利用技術(shù)比較及適用性分析

3.2.1 技術(shù)比較

總結(jié)上述幾種處理工藝的原理和特點(diǎn)，進(jìn)行工藝比較如表1所示。

表1 污水深度處理工藝比較

鐵路站段生活污水處理工藝的選擇應(yīng)根據(jù)運(yùn)行難易度、運(yùn)行成本、建設(shè)成本綜合考慮?？紤]目前鐵路系統(tǒng)污水處理運(yùn)行管理、專業(yè)人才等現(xiàn)實(shí)條件，目前在工藝路線選擇時(shí)，工藝運(yùn)行難度低應(yīng)作為重要考慮因素。

3.2.2 適用性分析

根據(jù)上述比較，從工藝運(yùn)行效果角度，傳統(tǒng)的A2O、SBR 等工藝難以滿足污水深度脫氮除磷要求，人工濕地受溫度影響大，運(yùn)行效果不穩(wěn)定。從運(yùn)行管理難度角度，短程硝化反硝化及厭氧氨氧化工藝運(yùn)行難度最大，同時(shí)厭氧氨氧化菌對(duì)進(jìn)水C/N、環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，須由專業(yè)化團(tuán)隊(duì)運(yùn)維。MBR工藝具有出水懸浮物低、無二沉池等優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行過程曝氣及抽吸泵能耗大，膜組件的維護(hù)對(duì)運(yùn)行管理水平要求較高。MABR工藝運(yùn)維簡(jiǎn)單，無需對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，無需內(nèi)回流，運(yùn)行費(fèi)用低。從建設(shè)成本角度，MABR和短程硝化-厭氧氨氧化工藝建設(shè)費(fèi)用較高。

因此，針對(duì)鐵路行業(yè)污水處理特點(diǎn)和既有處理技術(shù)存在的不足，MABR工藝特點(diǎn)具有以下適用性。一是曝氣能耗是污水處理的主要能耗，MABR工藝無泡膜曝氣方式較傳統(tǒng)曝氣方式顯著降低了曝氣能耗、電耗，對(duì)于鐵路行業(yè)節(jié)能降耗具有重要意義；二是MABR 工藝在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行同步硝化反硝化作用，可以充分利用原進(jìn)水的有機(jī)物，協(xié)同短程硝化反硝化從而節(jié)省碳源投加，對(duì)于鐵路站段生活污水低C/N將可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；三是MABR工藝無需內(nèi)回流及膜材料的反沖洗，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，符合鐵路行業(yè)專業(yè)運(yùn)行人員不足的現(xiàn)狀。綜上，以MABR技術(shù)為核心的處理方案，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等適用于鐵路站段生活污水深度處理和資源化利用。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，MABR技術(shù)因其獨(dú)特的曝氣方式和傳氧機(jī)制具有處理效率高、總能耗低、抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)、無需頻繁維護(hù)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)工藝的全自動(dòng)化控制，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。MABR技術(shù)可應(yīng)用于鐵路站段生活污水深度處理及資源化回用工程中，實(shí)現(xiàn)站段內(nèi)水的循環(huán)利用，降低站段內(nèi)新鮮水資源的使用量，同時(shí)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)污水無去向的問題，實(shí)現(xiàn)環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，建立針對(duì)鐵路站段生活污水資源化利用的新型處理模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。