鐵路動(dòng)車段(所)污水處理關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)營(yíng)管理研究

邰旭東，張士超

（1. 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；2. 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）

0 引言

隨著國(guó)家及地方對(duì)環(huán)保問題重視程度的逐漸提高，治理環(huán)境污染、打擊環(huán)境污染犯罪的力度持續(xù)加大。2015 年《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱“水十條”)的發(fā)布實(shí)施，明確了水污染防治的新方略，以水環(huán)境保護(hù)倒逼經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展騰出環(huán)境容量，以水資源節(jié)約拓展生態(tài)空間，以水生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造綠色財(cái)富[1]。同時(shí)，在碳中和、碳達(dá)峰的政策背景下，工業(yè)企業(yè)作為碳減排和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要參與者，其水系統(tǒng)的建設(shè)、使用及管理也需從源頭考慮節(jié)水、節(jié)能和減碳目標(biāo)。工業(yè)企業(yè)水系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放主要來自2 個(gè)部分：一是水處理設(shè)備運(yùn)行耗電折算產(chǎn)生的碳排放，二是水處理過程產(chǎn)生的碳排放，如生化階段及污泥厭氧發(fā)酵等產(chǎn)生的二氧化碳等。因此，作為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要資源和能源，水資源的節(jié)約是減碳的一項(xiàng)重要措施[2]。

近年來國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)持續(xù)發(fā)力，預(yù)計(jì)到2035 年，我國(guó)鐵路網(wǎng)將達(dá)到20萬km，其中高鐵7萬km左右[3]。隨著高速鐵路的不斷開通運(yùn)營(yíng)，動(dòng)車組的檢修、養(yǎng)護(hù)工作已成為保障高速鐵路運(yùn)輸安全的重要基礎(chǔ)。目前，城市的快速發(fā)展、國(guó)家和地方相關(guān)處理標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，鐵路動(dòng)車段(所)部分既有污水處理站在設(shè)計(jì)階段未充分考慮城市后續(xù)發(fā)展情況，在設(shè)施處理量方面預(yù)留不充足，難以滿足現(xiàn)有的排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。同時(shí)，鐵路動(dòng)車段(所)具有占地大、功能全、作業(yè)繁多、用水量大等特點(diǎn)，在水資源利用上存在水耗高、節(jié)資效果不明顯及節(jié)資措施單一等問題。因此，按照鐵路節(jié)能降耗的綠色發(fā)展理念，開展有效的節(jié)水管理工作，合理選用污水處理及資源化工藝、控制運(yùn)行成本、提高用水效率和廢水資源化率、建立完善的運(yùn)營(yíng)管理制度，是鐵路提高水資源管理水平的突破口。

1 動(dòng)車段(所)污水處理站運(yùn)維及管理現(xiàn)狀

在積極響應(yīng)國(guó)家綠色減排及鐵路節(jié)能降耗要求的同時(shí)，為滿足國(guó)家和地方相關(guān)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，鐵路動(dòng)車段(所)都配置了污水處理系統(tǒng)及設(shè)施，但受多種因素影響，在污水處理運(yùn)維及管理工作中還存在問題[5]。調(diào)研某動(dòng)車段污水處理站，其運(yùn)維管理現(xiàn)狀如下。

（1）隨著城市污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，既有站段污水處理站需提標(biāo)改造。鐵路既有站段污水處理設(shè)施大多采用以氧化溝、SBR、生物轉(zhuǎn)盤等為核心的處理工藝[6-7]，主要用于去除水體中的有機(jī)物及氨氮等污染物。隨著“水十條”的頒布實(shí)施，國(guó)家及地方對(duì)污水排放要求提高，既有站段污水處理大多面臨深度脫氮除磷的改造問題。

（2）鐵路動(dòng)車段污水處理站資源化程度有待提升。隨著鐵路企業(yè)對(duì)環(huán)保工作重要性認(rèn)識(shí)的逐步加深，污水處理站的運(yùn)維監(jiān)管也被提至重要地位，但因動(dòng)車段建設(shè)遵循“近城不進(jìn)城”的原則，滿足達(dá)標(biāo)排放的出水可能面臨無去向的問題，并且動(dòng)車段有用水量大等特點(diǎn)，提高廢水資源化率是動(dòng)車段提升水資源化管理的重要途徑。

（3）動(dòng)車段污水處理及資源化運(yùn)維管理水平有待提高。目前部分既有動(dòng)車段污水處理站因早期設(shè)計(jì)僅需滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，因而污水處理工藝及日常管理簡(jiǎn)單、后續(xù)運(yùn)維配備人員較少。但是，隨著排放要求的提高、污水處理工藝的提升及處理設(shè)施的改造，既有的傳統(tǒng)人工監(jiān)管模式及管理制度已不能滿足其發(fā)展需求，需要采用信息化、智慧化的污水處理及資源化監(jiān)管系統(tǒng)，以提高鐵路企業(yè)節(jié)能環(huán)保工作的質(zhì)量。

2 鐵路動(dòng)車段(所)污水處理及資源化技術(shù)研究

2.1 鐵路動(dòng)車段(所)污水水質(zhì)特點(diǎn)

鐵路動(dòng)車段(所)污水主要來源于站段內(nèi)的生活、生產(chǎn)廢水及列車卸污作業(yè)產(chǎn)生的集便污水。目前，鐵路動(dòng)車段(所)污水排放至市政污水管網(wǎng)需執(zhí)行《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)。通過文獻(xiàn)調(diào)研及鐵路動(dòng)車段(所)各類污水的水質(zhì)匯總，主要污水種類及水質(zhì)如表1所示。

根據(jù)表1 可知，鐵路動(dòng)車段(所)的主要污染物來源于列車卸污產(chǎn)生的集便污水。目前，對(duì)于該類濃度的污水處理，國(guó)內(nèi)外主要采用的技術(shù)有傳統(tǒng)的硝化反硝化(如A2O 工藝)、氨吹脫及厭氧氨氧化等工藝[8-10]。對(duì)于污水的資源化利用，目前國(guó)內(nèi)外主要采用AOMBR等深度處理工藝。基于鐵路污水處理運(yùn)維管理水平不高、運(yùn)維專業(yè)人才缺乏的現(xiàn)狀，其處理工藝的選擇應(yīng)綜合考慮鐵路動(dòng)車段(所)污水處理工程的建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本及運(yùn)行管理的難易程度。

表1 鐵路動(dòng)車段(所)污水水質(zhì)

根據(jù)既有的技術(shù)對(duì)比分析，以該動(dòng)車段污水處理及資源化工程為例，基于段內(nèi)污水量、污水既有的處理工藝及構(gòu)筑物、污水處理場(chǎng)面積等情況，最終確定以移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)為核心的集便污水與生活污水混合處理的技術(shù)方案和以膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)為核心的污水資源化技術(shù)方案，以期為后續(xù)行業(yè)內(nèi)污水處理及資源化工程提供技術(shù)支撐。

2.2 鐵路動(dòng)車段(所)污水處理提升改造方案

該動(dòng)車段污水處理站的污水主要來源于站段內(nèi)職工的生活污水、生產(chǎn)車間的少量生產(chǎn)廢水及列車卸污作業(yè)產(chǎn)生的高濃度集便污水。因集便污水具有高化學(xué)需要量(COD)、高氨氮、高磷、低碳氮比的“三高一低”的水質(zhì)特點(diǎn)，造成污水含N、P量較高[11-12]。動(dòng)車段既有污水處理站原設(shè)計(jì)執(zhí)行地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/307—2005)中的三級(jí)限值，采用以氧化溝為核心的處理工藝。隨著城市地方標(biāo)準(zhǔn)的提升，目前出水需執(zhí)行《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/307—2013)排入公共污水處理系統(tǒng)排放限值，對(duì)總氮、總磷排放都有限值要求。

該動(dòng)車段提升改造工程本著充分利用既有處理設(shè)施、盡可能減少施工對(duì)生產(chǎn)影響的原則，選用切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案，確定出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)?；谡径沃攸c(diǎn)去除污染物COD、總氮(TN)及總磷(TP)，結(jié)合國(guó)內(nèi)改造項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出“MBBR+高效沉淀池”為核心的工藝方案，其工藝流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)車段污水深度處理工程流程示意

工藝流程：集便污水經(jīng)化糞池后與動(dòng)車段內(nèi)其他生產(chǎn)生活污水在生活污水調(diào)節(jié)池內(nèi)混合。集便污水與生活生產(chǎn)污水在進(jìn)入調(diào)節(jié)池前分別設(shè)有格柵，主要用于去除大塊雜物及懸浮物，以保證后續(xù)設(shè)備的正常運(yùn)行。調(diào)節(jié)池的主要功能為調(diào)節(jié)水量及均衡水質(zhì)。污水經(jīng)調(diào)節(jié)池的提升泵進(jìn)入MBBR反應(yīng)池，MBBR反應(yīng)池包括第1圈缺氧段，以及第2圈、第3圈及中心圈的好氧段。在缺氧段中，利用氨化菌將廢水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮，與原廢水中的氨氮一并進(jìn)入好氧段。在好氧段中，利用亞硝化菌和硝化菌將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮。同時(shí)，為了達(dá)到廢水脫氮的目的，好氧池的硝化混合液通過內(nèi)循環(huán)回流到缺氧段中，利用原廢水中的有機(jī)碳作為電子供體進(jìn)行反硝化，將硝酸氮還原成氮?dú)?。MBBR的核心部分是將比重接近于水、親水性好的懸浮填料投加到反應(yīng)池中作為微生物的活性載體，缺氧段中依靠攪拌推流作用，以及好氧段中依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)，通過生物膜上的微生物作用，使污水得到凈化。

MBBR出水進(jìn)入二沉池進(jìn)行沉淀，一部分污泥回流至MBBR反應(yīng)池前端，用于補(bǔ)充池體內(nèi)污泥量，剩余部分則排放至儲(chǔ)泥池。二沉池出水最后進(jìn)入高效沉淀池，通過添加絮凝劑、助凝劑及污泥回流等去除水體中的總磷，最終保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放。提標(biāo)改造后，各出水指標(biāo)穩(wěn)定且優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)出水水質(zhì)如表2所示。

表2 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

2.3 動(dòng)車段(所)污水資源化技術(shù)研究

我國(guó)既有和新建的鐵路動(dòng)車段(所)中有相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)離城市，導(dǎo)致這些動(dòng)車段(所)的生活污水無法直接接入城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)。目前，我國(guó)新建鐵路動(dòng)車段(所)的設(shè)置基本遵循“近城不進(jìn)城”的原則，新建鐵路動(dòng)車段(所)一般位于城市郊區(qū)，不具備配套的市政污水管網(wǎng)系統(tǒng)，如果能將鐵路動(dòng)車段(所)產(chǎn)生的部分生活污水回用于沖廁、綠化、生產(chǎn)低質(zhì)用水及其他用水，則可以避免直接排放造成的水資源浪費(fèi)。

目前，鐵路動(dòng)車段(所)污水資源化程度較低，對(duì)污水、廢水進(jìn)行有效處理及回用是解決水資源短缺問題、實(shí)現(xiàn)水資源開發(fā)和綜合利用、達(dá)到節(jié)能減排目的的有效措施。因此，針對(duì)鐵路動(dòng)車段(所)污水資源化利用問題，在降低污水處理投資、提高污水資源化和自動(dòng)化程度的基礎(chǔ)上，尋求合理、高效的污水處理工藝顯得尤為重要。結(jié)合段內(nèi)污水量、污水處理場(chǎng)面積等，該動(dòng)車段污水資源化工藝確定為以MABR為核心的生活污水深度處理技術(shù)方案，其工藝流程如圖2所示。

圖2 某動(dòng)車段污水資源化工程工藝流程

工藝流程：站段內(nèi)生活污水經(jīng)“粗格柵+調(diào)節(jié)池+細(xì)格柵+選擇池”等預(yù)處理設(shè)施，將可能堵塞水泵葉輪和管道閥門及增加后續(xù)處理單元負(fù)荷的懸浮固定和部分膠體去除，同時(shí)確保進(jìn)入后續(xù)處理工藝的水流量穩(wěn)定，水質(zhì)均勻。預(yù)處理后進(jìn)入MABR的生化池進(jìn)行生化處理。MABR是一種將曝氣技術(shù)和生物膜法相結(jié)合的新型高效污水處理工藝，利用膜組件無泡曝氣技術(shù)將曝氣側(cè)的氧傳遞到污水中，在靠近污水的膜側(cè)，富集微生物形成生物膜，利用生物膜好氧層、缺氧層、厭氧層的分層，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化功能[13-14]。該工藝氧氣傳質(zhì)效率達(dá)100%，可顯著降低鼓風(fēng)曝氣能耗，工藝無需外回流，減少了污泥外循環(huán)泵運(yùn)行能耗[15]。同時(shí)，膜表面氧氣和有機(jī)物異向傳質(zhì)不僅最大程度提高系統(tǒng)的硝化反應(yīng)速率及穩(wěn)定性，也可充分利用進(jìn)水中的有機(jī)物，對(duì)于低碳氮比的廢水可節(jié)省額外的碳源投加費(fèi)用[16]。生化池出水經(jīng)二沉池后進(jìn)入三級(jí)處理工藝，本單元包括砂濾、化學(xué)除磷、消毒等深度處理環(huán)節(jié)，進(jìn)一步去除污水中難降解有機(jī)物、磷等污染物后進(jìn)行回用。污泥經(jīng)過濃縮脫水后定期外運(yùn)。

提標(biāo)改造后，對(duì)COD、氨氮、總氮及總磷均有較高的去除率，出水水質(zhì)優(yōu)于中水回用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

3 鐵路動(dòng)車段污水處理站運(yùn)維管理方案

3.1 智能化管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智慧化運(yùn)維是確保污水處理站科學(xué)、高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵，污水處理監(jiān)控的目的在于對(duì)設(shè)備及處理工藝進(jìn)行智能和精細(xì)化的管理，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的故障檢測(cè)、有效處理及工藝參數(shù)的精確調(diào)整[17]。為了更好地保證生產(chǎn)的連續(xù)性、可靠性和安全性，及時(shí)了解和掌握污水深度處理過程各工藝階段的運(yùn)行狀態(tài)并能及時(shí)調(diào)整，該動(dòng)車段污水處理及資源化工程采用鐵路站段污水智慧綜合管理系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵路站段污水智慧綜合管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

鐵路站段污水智慧綜合管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，包括反映污水狀態(tài)的變量，如水質(zhì)(pH 值、溶氧量、溫度、COD、氨氮、TN及TP)、流量、液位及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)安裝的各類傳感器進(jìn)行采集，通過Modbus 總線或4~20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流傳送到可編程邏輯控制器(PLC)中，在PLC 中完成數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)量整數(shù)或浮點(diǎn)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)如圖4所示。

圖4 動(dòng)車段污水智慧綜合管理系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用及效果

鐵路站段污水智慧綜合管理系統(tǒng)的應(yīng)用使污水處理站各級(jí)管理人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面、直觀的了解和掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況。系統(tǒng)中的污水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)代替人工抽樣監(jiān)測(cè)，可隨時(shí)掌握污染物排放情況，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。污水處理設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，不僅能夠快捷、清晰了解各工藝的運(yùn)行情況，同時(shí)可以直觀顯示故障報(bào)警點(diǎn)的位置與故障特征(見圖5)，操作員可通過鼠標(biāo)、鍵盤等的操作便可完成畫面切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)查詢和報(bào)表打印等，可實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人工成本也解決了站段專業(yè)人員配置不足的問題。

圖5 鐵路站段污水處理站智慧污水綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)可對(duì)污水處理及資源化的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可為管理者提供相關(guān)依據(jù)，為決策者提供技術(shù)支持。根據(jù)污染物的核定排污總量可以直觀對(duì)比分析、跟蹤每種污染物排放總量的發(fā)展變化趨勢(shì)曲線，得出是否超過核定值的結(jié)論。同時(shí)，結(jié)合企業(yè)的當(dāng)前狀況與歷史同期數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，對(duì)排放總量趨勢(shì)發(fā)展將超過核定值的狀況給予預(yù)警，充分體現(xiàn)管理企業(yè)、為企業(yè)服務(wù)的宗旨。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)某動(dòng)車段含有集便污水的高氨氮、高總氮、高磷的污水，采用以MBBR+高效沉淀池為核心的污水處理工藝。MBBR既具有活性污泥法的高效性和運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長(zhǎng)、剩余污泥少的特點(diǎn)，強(qiáng)化了生化系統(tǒng)的處理效果。

（2）針對(duì)某動(dòng)車段污水資源化回用工程，采用以MABR+高效沉淀池為核心的污水資源化處理工藝。該工藝采用全新的膜曝氣技術(shù)取代傳統(tǒng)曝氣方式，顯著提升了污水生化池氧傳質(zhì)效率，在處理廢水上具有高效率、低能耗的特點(diǎn)，工程將MABR工藝在鐵路行業(yè)由試驗(yàn)階段推進(jìn)至工程應(yīng)用階段。同時(shí)，MABR膜表面可附著生物膜，通過生物膜內(nèi)外氧濃度差異，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，減少藥劑投加量。

（3）采用鐵路站段污水智慧綜合管理系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)該動(dòng)車段及配餐基地污水處理站的關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)(進(jìn)出水水量、進(jìn)出水污染物濃度、池體水位等)及生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)(設(shè)備開關(guān))等的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)視、智能預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低成本，輔助污水處理站實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行管理、工藝優(yōu)化調(diào)度、綜合運(yùn)營(yíng)管理的信息化和智慧化。

該動(dòng)車段污水處理設(shè)施提升改造及回用工程是目前全路規(guī)模最大的中水回用工程。污水資源化不僅可降低動(dòng)車段的新鮮水資源消耗、降低污染物的排放量，而且降低了新鮮用水費(fèi)用，符合鐵路“節(jié)能降耗、改革創(chuàng)新”的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，為鐵路行業(yè)污水處理站的建設(shè)和提標(biāo)改造提供參考。