铁路动车段(所)污水处理关键技术及运营管理研究

邰旭东，张士超

（1. 中国铁路北京局集团有限公司 计划统计部，北京 100860；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

随着国家及地方对环保问题重视程度的逐渐提高，治理环境污染、打击环境污染犯罪的力度持续加大。2015 年《水污染防治行动计划》(以下简称“水十条”)的发布实施，明确了水污染防治的新方略，以水环境保护倒逼经济结构调整，以环保产业发展腾出环境容量，以水资源节约拓展生态空间，以水生态保护创造绿色财富[1]。同时，在碳中和、碳达峰的政策背景下，工业企业作为碳减排和实现碳中和目标的重要参与者，其水系统的建设、使用及管理也需从源头考虑节水、节能和减碳目标。工业企业水系统产生的碳排放主要来自2 个部分：一是水处理设备运行耗电折算产生的碳排放，二是水处理过程产生的碳排放，如生化阶段及污泥厌氧发酵等产生的二氧化碳等。因此，作为工业企业生产过程中的一项重要资源和能源，水资源的节约是减碳的一项重要措施[2]。

近年来国家基础建设持续发力，预计到2035 年，我国铁路网将达到20万km，其中高铁7万km左右[3]。随着高速铁路的不断开通运营，动车组的检修、养护工作已成为保障高速铁路运输安全的重要基础。目前，城市的快速发展、国家和地方相关处理标准的不断提升，铁路动车段(所)部分既有污水处理站在设计阶段未充分考虑城市后续发展情况，在设施处理量方面预留不充足，难以满足现有的排放标准[4]。同时，铁路动车段(所)具有占地大、功能全、作业繁多、用水量大等特点，在水资源利用上存在水耗高、节资效果不明显及节资措施单一等问题。因此，按照铁路节能降耗的绿色发展理念，开展有效的节水管理工作，合理选用污水处理及资源化工艺、控制运行成本、提高用水效率和废水资源化率、建立完善的运营管理制度，是铁路提高水资源管理水平的突破口。

1 动车段(所)污水处理站运维及管理现状

在积极响应国家绿色减排及铁路节能降耗要求的同时，为满足国家和地方相关的污水排放标准，铁路动车段(所)都配置了污水处理系统及设施，但受多种因素影响，在污水处理运维及管理工作中还存在问题[5]。调研某动车段污水处理站，其运维管理现状如下。

（1）随着城市污水排放标准的提升，既有站段污水处理站需提标改造。铁路既有站段污水处理设施大多采用以氧化沟、SBR、生物转盘等为核心的处理工艺[6-7]，主要用于去除水体中的有机物及氨氮等污染物。随着“水十条”的颁布实施，国家及地方对污水排放要求提高，既有站段污水处理大多面临深度脱氮除磷的改造问题。

（2）铁路动车段污水处理站资源化程度有待提升。随着铁路企业对环保工作重要性认识的逐步加深，污水处理站的运维监管也被提至重要地位，但因动车段建设遵循“近城不进城”的原则，满足达标排放的出水可能面临无去向的问题，并且动车段有用水量大等特点，提高废水资源化率是动车段提升水资源化管理的重要途径。

（3）动车段污水处理及资源化运维管理水平有待提高。目前部分既有动车段污水处理站因早期设计仅需满足《污水综合排放标准》，因而污水处理工艺及日常管理简单、后续运维配备人员较少。但是，随着排放要求的提高、污水处理工艺的提升及处理设施的改造，既有的传统人工监管模式及管理制度已不能满足其发展需求，需要采用信息化、智慧化的污水处理及资源化监管系统，以提高铁路企业节能环保工作的质量。

2 铁路动车段(所)污水处理及资源化技术研究

2.1 铁路动车段(所)污水水质特点

铁路动车段(所)污水主要来源于站段内的生活、生产废水及列车卸污作业产生的集便污水。目前，铁路动车段(所)污水排放至市政污水管网需执行《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)。通过文献调研及铁路动车段(所)各类污水的水质汇总，主要污水种类及水质如表1所示。

根据表1 可知，铁路动车段(所)的主要污染物来源于列车卸污产生的集便污水。目前，对于该类浓度的污水处理，国内外主要采用的技术有传统的硝化反硝化(如A2O 工艺)、氨吹脱及厌氧氨氧化等工艺[8-10]。对于污水的资源化利用，目前国内外主要采用AOMBR等深度处理工艺。基于铁路污水处理运维管理水平不高、运维专业人才缺乏的现状，其处理工艺的选择应综合考虑铁路动车段(所)污水处理工程的建设成本、运营成本及运行管理的难易程度。

表1 铁路动车段(所)污水水质

根据既有的技术对比分析，以该动车段污水处理及资源化工程为例，基于段内污水量、污水既有的处理工艺及构筑物、污水处理场面积等情况，最终确定以移动床生物膜反应器(MBBR)为核心的集便污水与生活污水混合处理的技术方案和以膜曝气生物膜反应器(MABR)为核心的污水资源化技术方案，以期为后续行业内污水处理及资源化工程提供技术支撑。

2.2 铁路动车段(所)污水处理提升改造方案

该动车段污水处理站的污水主要来源于站段内职工的生活污水、生产车间的少量生产废水及列车卸污作业产生的高浓度集便污水。因集便污水具有高化学需要量(COD)、高氨氮、高磷、低碳氮比的“三高一低”的水质特点，造成污水含N、P量较高[11-12]。动车段既有污水处理站原设计执行地方标准《水污染物排放标准》(DB 11/307—2005)中的三级限值，采用以氧化沟为核心的处理工艺。随着城市地方标准的提升，目前出水需执行《水污染物排放标准》(DB 11/307—2013)排入公共污水处理系统排放限值，对总氮、总磷排放都有限值要求。

该动车段提升改造工程本着充分利用既有处理设施、尽可能减少施工对生产影响的原则，选用切实可行且经济合理的技术方案，确定出水稳定达标。基于站段重点去除污染物COD、总氮(TN)及总磷(TP)，结合国内改造项目工艺设计运行经验，提出“MBBR+高效沉淀池”为核心的工艺方案，其工艺流程如图1所示。

图1 动车段污水深度处理工程流程示意

工艺流程：集便污水经化粪池后与动车段内其他生产生活污水在生活污水调节池内混合。集便污水与生活生产污水在进入调节池前分别设有格栅，主要用于去除大块杂物及悬浮物，以保证后续设备的正常运行。调节池的主要功能为调节水量及均衡水质。污水经调节池的提升泵进入MBBR反应池，MBBR反应池包括第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，利用氨化菌将废水中有机氮转化成氨氮，与原废水中的氨氮一并进入好氧段。在好氧段中，利用亚硝化菌和硝化菌将废水中的氨氮转化为硝酸氮。同时，为了达到废水脱氮的目的，好氧池的硝化混合液通过内循环回流到缺氧段中，利用原废水中的有机碳作为电子供体进行反硝化，将硝酸氮还原成氮气。MBBR的核心部分是将比重接近于水、亲水性好的悬浮填料投加到反应池中作为微生物的活性载体，缺氧段中依靠搅拌推流作用，以及好氧段中依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，通过生物膜上的微生物作用，使污水得到净化。

MBBR出水进入二沉池进行沉淀，一部分污泥回流至MBBR反应池前端，用于补充池体内污泥量，剩余部分则排放至储泥池。二沉池出水最后进入高效沉淀池，通过添加絮凝剂、助凝剂及污泥回流等去除水体中的总磷，最终保证出水水质达标排放。提标改造后，各出水指标稳定且优于排放标准，进出水水质如表2所示。

表2 实际进出水水质

2.3 动车段(所)污水资源化技术研究

我国既有和新建的铁路动车段(所)中有相当数量远离城市，导致这些动车段(所)的生活污水无法直接接入城市排水管网系统。目前，我国新建铁路动车段(所)的设置基本遵循“近城不进城”的原则，新建铁路动车段(所)一般位于城市郊区，不具备配套的市政污水管网系统，如果能将铁路动车段(所)产生的部分生活污水回用于冲厕、绿化、生产低质用水及其他用水，则可以避免直接排放造成的水资源浪费。

目前，铁路动车段(所)污水资源化程度较低，对污水、废水进行有效处理及回用是解决水资源短缺问题、实现水资源开发和综合利用、达到节能减排目的的有效措施。因此，针对铁路动车段(所)污水资源化利用问题，在降低污水处理投资、提高污水资源化和自动化程度的基础上，寻求合理、高效的污水处理工艺显得尤为重要。结合段内污水量、污水处理场面积等，该动车段污水资源化工艺确定为以MABR为核心的生活污水深度处理技术方案，其工艺流程如图2所示。

图2 某动车段污水资源化工程工艺流程

工艺流程：站段内生活污水经“粗格栅+调节池+细格栅+选择池”等预处理设施，将可能堵塞水泵叶轮和管道阀门及增加后续处理单元负荷的悬浮固定和部分胶体去除，同时确保进入后续处理工艺的水流量稳定，水质均匀。预处理后进入MABR的生化池进行生化处理。MABR是一种将曝气技术和生物膜法相结合的新型高效污水处理工艺，利用膜组件无泡曝气技术将曝气侧的氧传递到污水中，在靠近污水的膜侧，富集微生物形成生物膜，利用生物膜好氧层、缺氧层、厌氧层的分层，实现同步硝化反硝化功能[13-14]。该工艺氧气传质效率达100%，可显著降低鼓风曝气能耗，工艺无需外回流，减少了污泥外循环泵运行能耗[15]。同时，膜表面氧气和有机物异向传质不仅最大程度提高系统的硝化反应速率及稳定性，也可充分利用进水中的有机物，对于低碳氮比的废水可节省额外的碳源投加费用[16]。生化池出水经二沉池后进入三级处理工艺，本单元包括砂滤、化学除磷、消毒等深度处理环节，进一步去除污水中难降解有机物、磷等污染物后进行回用。污泥经过浓缩脱水后定期外运。

提标改造后，对COD、氨氮、总氮及总磷均有较高的去除率，出水水质优于中水回用标准，进出水水质数据如表3所示。

表3 实际进出水水质

3 铁路动车段污水处理站运维管理方案

3.1 智能化管理系统方案设计

智慧化运维是确保污水处理站科学、高效、安全运行的关键，污水处理监控的目的在于对设备及处理工艺进行智能和精细化的管理，同时加强对设备的故障检测、有效处理及工艺参数的精确调整[17]。为了更好地保证生产的连续性、可靠性和安全性，及时了解和掌握污水深度处理过程各工艺阶段的运行状态并能及时调整，该动车段污水处理及资源化工程采用铁路站段污水智慧综合管理系统，其网络架构如图3所示。

图3 铁路站段污水智慧综合管理系统网络架构

3.2 数据采集及传输

铁路站段污水智慧综合管理系统可实现实时数据采集，包括反映污水状态的变量，如水质(pH 值、溶氧量、温度、COD、氨氮、TN及TP)、流量、液位及设备运行状态等，数据由现场安装的各类传感器进行采集，通过Modbus 总线或4~20 mA 标准电流传送到可编程逻辑控制器(PLC)中，在PLC 中完成数据的简单预处理，转化为标量整数或浮点，该系统监测参数如图4所示。

图4 动车段污水智慧综合管理系统

3.3 系统应用及效果

铁路站段污水智慧综合管理系统的应用使污水处理站各级管理人员能够及时、准确、全面、直观的了解和掌握系统运行状况。系统中的污水水质在线监测代替人工抽样监测，可随时掌握污染物排放情况，保证出水水质的稳定达标排放。污水处理设备状态的监控，不仅能够快捷、清晰了解各工艺的运行情况，同时可以直观显示故障报警点的位置与故障特征(见图5)，操作员可通过鼠标、键盘等的操作便可完成画面切换、数据存储、统计查询和报表打印等，可实现无人值守，节省了人工成本也解决了站段专业人员配置不足的问题。

图5 铁路站段污水处理站智慧污水综合管理系统应用效果

系统可对污水处理及资源化的数据进行统一管理，通过数据的统计分析可为管理者提供相关依据，为决策者提供技术支持。根据污染物的核定排污总量可以直观对比分析、跟踪每种污染物排放总量的发展变化趋势曲线，得出是否超过核定值的结论。同时，结合企业的当前状况与历史同期数据的比对分析，对排放总量趋势发展将超过核定值的状况给予预警，充分体现管理企业、为企业服务的宗旨。系统可实现各站点节能减排、绿色环保，具有一定的经济效益、社会效益和实际应用价值。

4 结论

（1）针对某动车段含有集便污水的高氨氮、高总氮、高磷的污水，采用以MBBR+高效沉淀池为核心的污水处理工艺。MBBR既具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，又具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点，强化了生化系统的处理效果。

（2）针对某动车段污水资源化回用工程，采用以MABR+高效沉淀池为核心的污水资源化处理工艺。该工艺采用全新的膜曝气技术取代传统曝气方式，显著提升了污水生化池氧传质效率，在处理废水上具有高效率、低能耗的特点，工程将MABR工艺在铁路行业由试验阶段推进至工程应用阶段。同时，MABR膜表面可附着生物膜，通过生物膜内外氧浓度差异，实现同步硝化反硝化，减少药剂投加量。

（3）采用铁路站段污水智慧综合管理系统，通过物联网数字化技术实现该动车段及配餐基地污水处理站的关键生产指标(进出水水量、进出水污染物浓度、池体水位等)及生产运行数据(设备开关)等的自动采集、远程监视、智能预警，从而实现节能降耗、降低成本，辅助污水处理站实现生产运行管理、工艺优化调度、综合运营管理的信息化和智慧化。

该动车段污水处理设施提升改造及回用工程是目前全路规模最大的中水回用工程。污水资源化不仅可降低动车段的新鲜水资源消耗、降低污染物的排放量，而且降低了新鲜用水费用，符合铁路“节能降耗、改革创新”的绿色可持续发展理念，为铁路行业污水处理站的建设和提标改造提供参考。