高鐵動車段集便器污水處理調(diào)研及優(yōu)化脫氮分析

李澤瑩，班瑋璘，王 錦，段建國，龍步斌，田立紅

（1. 北京交通大學(xué) 土建學(xué)院市政與環(huán)境工程系，北京 100044；2. 中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，湖北 武漢 430071）

1 概述

“十三五”作為鐵路發(fā)展的關(guān)鍵時期，運(yùn)營里程從原來的12萬km增至15萬km[1]，其中高鐵所占比例逐漸攀升。隨著2015年《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)[2]的頒布，氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)排放明確了限制性濃度，即NH4+-N為45 mg/L、TN 為70 mg/L，污水處理問題面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。部分處理設(shè)施較為老舊的站段出水無法滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行更為高效的脫氮處理。

高鐵動車段污水主要包括生產(chǎn)過程中的含油廢水、一般生活污水及列車運(yùn)行過程中收集產(chǎn)生的集便器污水。由于列車集便器污水采用真空集便器系統(tǒng)收集，將沿線直排的流動污染源轉(zhuǎn)變?yōu)榧刑幚砼欧诺姆绞剑^常規(guī)的污水而言具有高有機(jī)物(COD)、高懸浮固體濃度(SS)、高氨氮、高磷、低碳比等“四高一低”的特點(diǎn)[3]，是高鐵動車段污水中NH4+-N和TN含量高于《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)的重要原因之一。為了解高鐵動車段集便器污水的狀況，對某鐵路局集團(tuán)公司所屬不同站段開展現(xiàn)場調(diào)研和理論計(jì)算分析，針對集便器污水的水質(zhì)水量、處理工藝、運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)適用性進(jìn)行研究。

集便器污水量作為一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，會直接影響鐵路站段污水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)和改造。通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于列車運(yùn)行時長、旅客大小便頻次及晝夜運(yùn)行等因素，不同高鐵動車段集便器污水量存在較大差異，如在高鐵動車段污水總量大致相同的情況下，A 動車段的集便器污水量約為340 m3/d，B 動車段的集便器污水量約為220 m3/d。同樣，根據(jù)列車運(yùn)行差異，集便器污水的水質(zhì)會出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動(見表1)。因此，污水量應(yīng)根據(jù)列車編組、定員和集便器容積等因素綜合考慮計(jì)算，即集便器污水產(chǎn)生量=廁所使用頻次×(沖洗用水量+使用過程中產(chǎn)生的污水量)，其中集便器沖洗用水量為0.25～0.5 L，一般取0.45 L，每人次使用廁所后產(chǎn)生的污水量約為0.25 L[4]。

表1 集便器污水水質(zhì)情況[3] mg/L

由表1 可知，高鐵動車段集便器污水中NH4+-N、TN、COD及SS的含量高，污染物未經(jīng)去除無法直接排入城市污水管網(wǎng)，需進(jìn)一步處理以滿足污水排放要求。

2 污水處理工藝分析

2.1 常見污水處理工藝

目前我國常見的集便器污水處理工藝如表2所示。

由表2 可知，列車集便器污水經(jīng)簡單的厭氧池、化糞池處理后能夠去除大部分的COD，但NH4+-N、TN 的含量仍高于GB/T 31962—2015 的要求?；炷恋怼/O工藝、氧化溝曝氣等生物處理對集便器污水的處理效果有待提高，污染物去除率較低，雖然部分站段的NH4+-N 經(jīng)處理后小于45 mg/L，滿足下水道排放標(biāo)準(zhǔn)，但TN仍高于下水道排放標(biāo)準(zhǔn)70 mg/L的限值要求。SBR工藝雖具有良好的污水處理效果，但工藝的運(yùn)行精度要求較高。

表2 集便器污水處理工藝比較[5]

上述情況表明，在無外加碳源的情況下，采用傳統(tǒng)生物處理工藝處理低碳比的高鐵動車段集便器污水的脫氮效果不佳，需選擇更為高效的生物脫氮工藝以去除集便器污水中的污染物。

2.2 高效生物脫氮工藝

傳統(tǒng)的生物脫氮是在好氧條件下硝化菌將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3-或NO2

-，之后在缺氧及可利用碳源的條件下，反硝化菌將NO3-或NO2

-還原成氮?dú)?N2)從水中去除的過程，如圖1 所示。雖然傳統(tǒng)硝化反硝化工藝技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣，但高鐵動車段集便器污水中較低的COD 濃度無法確保反硝化過程的良好運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體脫氮效能較差，并且反應(yīng)過程中產(chǎn)生的污泥會提高運(yùn)行及處理費(fèi)用。因此，在傳統(tǒng)硝化反硝化工藝的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了更為經(jīng)濟(jì)高效的短程硝化反硝化反應(yīng)。

圖1 傳統(tǒng)及短程硝化反硝化脫氮原理

短程硝化反硝化是將傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)控制在生成NO2

--N階段，阻止NO2

--N進(jìn)一步氧化生成NO3--N，以NO2-作為最終電子受體進(jìn)行反硝化，通過NH4+-N→NO2--N→N2的方式完成整個系統(tǒng)的生物脫氮過程(具體反應(yīng)原理見圖1)。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，短程硝化反硝化可減少25%的曝氣量和40%的碳源，降低運(yùn)行成本[6]。同時，短程硝化反硝化顯著降低了污泥產(chǎn)量，減小了反應(yīng)器體積[7]。

近年來，厭氧氨氧化反應(yīng)以其優(yōu)秀的處理性能引發(fā)了高氮廢水生物脫氮領(lǐng)域的探究熱點(diǎn)。厭氧氨氧化反應(yīng)指厭氧氨氧化菌在厭氧的環(huán)境條件下，以NH4+-N

為電子供體，NO3-或NO2

-為電子受體，將NH4+-N轉(zhuǎn)化成N2，達(dá)到脫氮效果的過程[8]。具體反應(yīng)方程式如公式（1）所示，反應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 厭氧氨氧化脫氮原理

相較于傳統(tǒng)的硝化反硝化反應(yīng)，厭氧氨氧化反應(yīng)在確保脫氮性能的同時無需碳源，污泥產(chǎn)率低，可降低50%的曝氣量[9-10]，但厭氧氨氧化菌對溫度的要求較高，適宜溫度為25～30℃。

在碳源充足的情況下，A/O等傳統(tǒng)生物脫氮工藝、短程硝化反硝化工藝的TN 去除效率均可達(dá)到85%以上[11-12]，在溫度適宜的條件下，厭氧氨氧化的TN去除效率也可達(dá)85%以上[13]。因此，需結(jié)合碳源消耗、加熱能耗等因素對3 種不同工藝進(jìn)行綜合對比分析，確定出最為經(jīng)濟(jì)可靠的脫氮方式。

3 不同脫氮工藝的經(jīng)濟(jì)性分析

以某動車段為例進(jìn)行分析，該動車段每日產(chǎn)生集便器污水約400 m3，具體水質(zhì)情況：NH4+-N為760～800 mg/L，TN 為1 200～1500 mg/L，COD 為800～1 200 mg/L，以《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)中NH4

+-N 45 mg/L、TN 70 mg/L 的排放限值為處理目標(biāo)，估算高效生物脫氮工藝和傳統(tǒng)生物脫氮工藝的占地面積、能耗、運(yùn)行成本等，結(jié)果如表3所示。

表3 高效生物脫氮工藝與傳統(tǒng)生物脫氮工藝經(jīng)濟(jì)性比較

從表3 可知，短程硝化反硝化和厭氧氨氧化的總運(yùn)行成本相較于傳統(tǒng)硝化反硝化工藝可分別節(jié)約40%和15%。短程硝化反硝化、厭氧氨氧化的污泥產(chǎn)量低，以干污泥處理價(jià)格400 元/t 測算，短程硝化反硝化可節(jié)約60%的污泥處置費(fèi)用，而厭氧氨氧化污泥可作為種泥資源化利用，無需相應(yīng)費(fèi)用。厭氧氨氧化工藝不產(chǎn)生藥耗，短程硝化反硝化可節(jié)約40%的藥耗，均優(yōu)于傳統(tǒng)硝化反硝化工藝。同時，厭氧氨氧化和短程硝化反硝化工藝可實(shí)現(xiàn)自動化控制，在運(yùn)行維護(hù)及檢修方面更為方便，但厭氧氨氧化菌的倍增時間長，所需環(huán)境控制條件較為嚴(yán)格，應(yīng)根據(jù)具體情況結(jié)合各因素綜合比選。

4 結(jié)論

隨著鐵路行業(yè)的高速發(fā)展及愈發(fā)嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)硝化反硝化生物工藝處理高鐵動車段集便污水在無外加碳源的情況下脫氮效果不佳，如果外加碳源會增加運(yùn)行成本，需尋找更為高效的脫氮工藝，以在滿足處理效果的同時降低成本消耗。短程硝化反硝化及厭氧氨氧化工藝較傳統(tǒng)生物脫氮工藝而言，污泥產(chǎn)量低、能耗小、可降低運(yùn)行成本，具有更好的處理效果及經(jīng)濟(jì)效益，是集便污水處理工藝的可行選擇。