青藏鐵路格拉段污水水質(zhì)特征及處理工藝評價

董貴奇，王文娟，李杰

(1.青藏鐵路公司計統(tǒng)部，青海西寧 810007;2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

青藏鐵路沿線的高寒生態(tài)系統(tǒng)是典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)，抗外界干擾的能力較低，破壞后恢復(fù)難度很大。青藏鐵路建設(shè)及運(yùn)營以后，國家一直非常注重沿線的污水處理問題。在鐵路建設(shè)期就修建了眾多的污水處理工程設(shè)施，并圍繞這些設(shè)施在高寒缺氧條件下可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行進(jìn)行了很多工作。如今，這些設(shè)備已隨著青藏線格拉段的開通運(yùn)行將近8年，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行青藏鐵路污水處理工藝評價，有利于對這些設(shè)備的科學(xué)使用，并給青藏線后續(xù)建設(shè)提供參考意見。

1 青藏鐵路污水水量水質(zhì)特征

1.1 水量

據(jù)2008年的監(jiān)測結(jié)果［1］，青藏鐵路建成運(yùn)行后，隨著鐵路現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，正常情況下沿線的常住管理人員少，再加氣候影響導(dǎo)致的人均用水量較低等原因，使實(shí)際污水水量偏小，致使沿線污水處理站點(diǎn)出現(xiàn)有機(jī)物進(jìn)水負(fù)荷不足設(shè)計值的一半，有的甚至更低的超低負(fù)荷情況;而在特殊或應(yīng)急時期，沿線人員大量增加，致使污水量劇增。青藏鐵路公司的運(yùn)營監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象近年來也沒有多大變化。所以，水量變化很大是格拉段的最大特點(diǎn)。

1.2 水質(zhì)

在青藏鐵路格拉段進(jìn)行鐵路污水處理尚屬首次，摸清沿線污水水質(zhì)具有重要意義。依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》［4］對2007年6月 －2008年5月、2012年及2013年各主要站點(diǎn)污水處理設(shè)施進(jìn)出水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表1。

從表1可見，2012－2013年的水質(zhì)總體要高于2007－2008年的水質(zhì)指標(biāo);各污水處理站進(jìn)水水質(zhì)相差較大，COD、BOD5和氨氮分別在8～964 mg/L、0～106.8 mg/L和0～316 mg/L的范圍內(nèi)，總體呈現(xiàn)出水質(zhì)指標(biāo)變化很大、BOD5含量低，BOD5/COD偏低、氨氮相對偏高的特點(diǎn)。

沿線典型的小站段－當(dāng)雄火車站和最大站－拉薩火車站2012年和2013年的進(jìn)水水質(zhì)逐月變化見圖1、2。從圖1、2可見:①當(dāng)雄火車站每年內(nèi)水質(zhì)變化波動很大，2012年的COD和氨氮值較低，低值分別在50 mg/L和5 mg/L以下;2013年增加很大，并在2月和6－10月出現(xiàn)峰值，COD和氨氮都增加5倍左右。②拉薩火車站每年內(nèi)水質(zhì)變化波動相對較小，COD低值在100～150 mg/L、氨氮低值分別在10～20 mg/L;5－9月出現(xiàn)峰值，COD和氨氮分別增加3倍和5倍左右，且2013年峰值要比2012年稍大。③兩車站2013年的水質(zhì)指標(biāo)要比2012年大(平均值比較見表2)，且COD和氨氮呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。分析原因如下:①近年來到拉薩旅游的人數(shù)不斷增多，以前絕大多數(shù)集中在夏季，近年來春季旅游人數(shù)有所增加;②當(dāng)雄火車站小，水量小，到站人員變化時水質(zhì)變化相對大;③拉薩火車站設(shè)計水量是當(dāng)雄火車站的50倍，水質(zhì)變化相對較小。

表1 青藏鐵路各污水處理站進(jìn)出水水質(zhì)

表2 格拉段火車站污水水質(zhì)均值比較 ρ/(mg·L－1)

圖1 當(dāng)雄站進(jìn)水水質(zhì)逐月變化情況

圖2 拉薩站進(jìn)水水質(zhì)逐月變化情況

2 污水處理工藝及評價

2.1 污水處理工藝

格拉段各污水處理站主要污水處理工藝有:(1)MCR系統(tǒng):工藝具體是:原水－混凝沉淀－MBR(生化處理－超濾)－活性炭吸附－出水。該工藝應(yīng)用最多，在14個污水處理站中9個采用了該工藝。(2)SBR系統(tǒng):應(yīng)用于拉薩車站。(3)SBR+膜處理:實(shí)質(zhì)為間歇式MBR工藝，主要用于安多和那曲火車站。(4)MCR+催化電氧化+折點(diǎn)加氯:在MCR基礎(chǔ)上增添了催化電氧化、折點(diǎn)加氯把關(guān)工藝，以確保出水水質(zhì)。該工藝應(yīng)用于沱沱河地區(qū)污水處理站。(5)沿線設(shè)備間采用太陽能和電加熱的混合加熱方式，溫度控制在9～13℃。

2.2 主要設(shè)備工藝運(yùn)行評價

2.2.1mCR

MCR是格拉段使用最多的設(shè)備，該設(shè)備由混凝－MBR－活性炭過濾組成?；炷糠质荕CR的預(yù)處理單元。當(dāng)原水濃度高時，混凝沉淀對后續(xù)生化處理的正常運(yùn)行起到積極作用。當(dāng)原水濃度低時，要降低藥劑投加量甚至停止運(yùn)行，以保證后續(xù)生化處理能有足夠的營養(yǎng)維持運(yùn)行。所以該單元設(shè)計合理，實(shí)際中也容易操作，設(shè)備穩(wěn)定性好。

MBR是二級生化處理單元。設(shè)計思路沒錯，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)設(shè)計HRT太長。由于格拉段鐵路沿線站段平時實(shí)際污水量大大小于設(shè)計值，給該處理單元的正常運(yùn)行帶來了一系列問題。主要體現(xiàn)在供氣量和生化處理時間無法根據(jù)實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷調(diào)節(jié)，水量劇增時微生物無法快速增殖，嚴(yán)重影響了生化處理的正常運(yùn)行與處理效果。

活性炭過濾作為把關(guān)措施，在現(xiàn)有處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求下顯得必要性不大。故實(shí)際中活性炭也沒有及時更換，當(dāng)做活性炭填料的生物濾池使用。

2.2.2 SBR

水量最大的拉薩車站污水處理廠采用SBR工藝，整體運(yùn)行比較穩(wěn)定。但抗沖擊負(fù)荷以及處理氨氮的能力較弱。

3 總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗，提高運(yùn)行效率

3.1 合理使用混凝預(yù)處理

針對實(shí)際水量、水質(zhì)，對現(xiàn)有MCR設(shè)備進(jìn)行處理工藝調(diào)整，是目前進(jìn)行的首要改進(jìn)措施。MCR設(shè)備中，作為前處理的混凝沉淀部分可以降低原水中的污染物，但使得進(jìn)入后續(xù)生化處理池中的有機(jī)物含量進(jìn)一步降低。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，正常進(jìn)水情況下停止混凝沉淀，可大大增加進(jìn)入生化池中的有機(jī)物含量。

3.2 改變生化處理的運(yùn)行方式

圖3為進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對生化處理效果的影響。從圖3可見，由于青藏線原水中有機(jī)物含量較低，故隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的增加，生化處理的效果提高。合適的有機(jī)物負(fù)荷應(yīng)保障在0.02 kgBOD5/kgMLVSS．d以上，而大多數(shù)站點(diǎn)污水處理設(shè)備的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷未達(dá)到此值。試驗發(fā)現(xiàn)，采用間歇式運(yùn)行替代連續(xù)運(yùn)行方式，反應(yīng)器的處理狀況會有所改善。

圖3 進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對生化處理效果的影響

當(dāng)雄火車站污水處理站設(shè)計能力為12 m3/d，生化處理池有效容積為4 m3，正常情況下污水量約為2～3 m3·d，無法滿足生化池正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要。為此在停掉混凝沉淀前處理的前提下，采用將連續(xù)進(jìn)水改為間歇運(yùn)行、并縮短每個周期內(nèi)曝氣時間的方式，進(jìn)行了保障生化處理部分正常運(yùn)行的現(xiàn)場試驗研究。實(shí)驗結(jié)果見圖4。從圖4可見，隨著曝氣時間的縮短，生化池的COD去除率增高。但實(shí)驗發(fā)現(xiàn)以12 h周期間歇式運(yùn)行時，每周期內(nèi)的曝氣時間也不能太低，最好不要低于4 h。

圖4 相同處理周期內(nèi)曝氣時間對COD處理效率的影響關(guān)系

3.3 生化處理池中投加載體

采用內(nèi)徑6 cm、高55 cm、有效容積700 ml的4個完全相同且同步運(yùn)行的SBR反應(yīng)器，1#、2#為普通活性污泥法SBR，3#、4#反應(yīng)器內(nèi)裝有5串2 cm×2 cm×5 cm結(jié)合型微生物固定化載體［2］(反應(yīng)器填充比約為40%)。不同處理周期(12 h和8 h)、不同水溫(常溫20℃和低溫9℃)下，進(jìn)水有機(jī)物容積負(fù)荷對處理效果的影響見圖5。

圖5 不同溫度及處理時間下投加載體對反應(yīng)器COD的去除率影響對比

從圖5中(a)、(b)對比可以看出，投加載體后，低溫低有機(jī)負(fù)荷下對反應(yīng)器COD處理效果的影響大大降低。說明投加載體可以提高生化反應(yīng)器的抗低溫和低負(fù)荷能力。另外在運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，SBR反應(yīng)器存在菌體流失的現(xiàn)象，也是導(dǎo)致低溫下處理效果下降的原因之一。一般情況下，微生物對有機(jī)物的降解存在一個最小基質(zhì)濃度，水中有機(jī)物低于這一濃度時，微生物降解反應(yīng)速率很低，由于海綿串對水中有機(jī)物有較好的吸附性能，海綿表面對有機(jī)物的富集，提高了微生物的降解速率［6］。

3.4 使用高效菌

高效微生物(簡稱高效菌)是利用生物工程手段，針對不同的污染物，培養(yǎng)出專門降解污染物的微生物，再將其制配成干粉狀，在污水生化工藝啟動時直接投加使用。具有專一性強(qiáng)、微生物活性高，抗沖擊能力強(qiáng)、繁殖速度快、培養(yǎng)時間短、能快速啟動和恢復(fù)生化系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)［3］。另外，有研究表明，高效菌對高濃度氨氮的去除率也很高，能達(dá)到90%左右［3］。相同條件下高效菌與普通活性污泥處理性能對比見圖6。從圖6可見，常溫下，高效菌與普通活性污泥的COD降解能力基本相當(dāng)，而在低溫條件(9℃)下，高效菌的處理性能明顯優(yōu)于普通活性污泥。且從圖7沉降性能對比可見，高效菌的沉降性能也優(yōu)于普通活性污泥。

圖6 高效菌與活性污泥降解COD性能對比

圖7 高效菌與活性污泥沉降性能對比

3.5 微生物固定化技術(shù)

將篩選出的優(yōu)勢降解菌種人工固定在載體上，組成一個快速、高效、能連續(xù)處理污染物的降解系統(tǒng)。能夠可選擇性地提高泥齡，保持有效菌種的活性，大大提高污水的處理效率，降低處理費(fèi)用［7］。載體是微生物固定化的關(guān)鍵，制備與微生物菌群親和性好的聚合物多孔載體，能夠很大程度上提高去除效率［5］。

圖8為9℃條件下采用SBR和載體結(jié)合微生物固定化SBR(簡稱固定化－SBR)處理生活污水的實(shí)驗室對比試驗結(jié)果。從圖8可見，將載體結(jié)合微生物固定化技術(shù)結(jié)合于SBR反應(yīng)器后，對主要污染物COD和氨氮的去處率大有提高［8］。

將蘭州交通大學(xué)開發(fā)的AT-PVF結(jié)合型載體和進(jìn)口高效菌應(yīng)用于拉薩火車站污水處理設(shè)備，近兩個月的對比試驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的一組SBR池COD和氨氮的處理效果明顯好于另一組未改造的SBR池(圖9)。所以微生物固定化技術(shù)是保證設(shè)備低溫運(yùn)行中處理效果的有效途徑。

圖8 SBR和固定化SBR處理生活污水效果比較

圖9 投加載體和高效菌對SBR池COD處理效果比較

4 結(jié)論

①格拉段污水處理站進(jìn)水水質(zhì)相差較大，COD、BOD5和氨氮分別在 8～964 mg/L、0～106.8 mg/L和0～316 mg/L的范圍內(nèi)。

②沿線小站每年內(nèi)水質(zhì)變化波動幅度大于最大的拉薩站，并在6～10月出現(xiàn)3～5倍的峰值;水中污染物含量2012－2013年要大于2007－2008年。

③MCR設(shè)備的混凝沉淀預(yù)處理單元設(shè)計合理;中段MBR單元要增設(shè)供氣與生化處理時間調(diào)節(jié)措施;后段活性炭過濾的作用不大。

④固定化高效微生物SBR的運(yùn)用，能夠較好的解決出水水質(zhì)氨氮濃度偏高的情況。

⑤針對青藏鐵路沿線存在的實(shí)際污水水質(zhì)水量偏低，特殊情況下污水量會劇增等問題，采用將連續(xù)進(jìn)水改為間歇進(jìn)水的運(yùn)行方式、投加載體和使用高效菌等措施是比較有效的解決方式。

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［3］李杰，王亞娥，王志盈．高效微生物在污水生化處理中的應(yīng)用［J］．工業(yè)用水與廢水，2006，37(5):28 －30．

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