生物生态耦合工艺在铁路站房生活污水处理中的应用

陈长君，金建军，李亚密，杨帆，卢雅文

（1.中国铁路北京局集团有限公司 北京工程项目管理部，北京 100038；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

水体污染、水资源短缺已经成为我国经济社会实现可持续发展的严重制约因素。近几年，国家对环保行业的重视程度和支持力度不断提升，污水处理行业快速发展。在环保治污领域，铁路站房生活污水处理属于典型的分散型“点源”污染控制难题。地处偏远地区的铁路站房生活污水处理过程中，通常面临以下问题和挑战：（1）位置偏僻，周围无成熟的市政管网，难以纳入市政污水处理厂进行集中处理，只有采用自行处理的方式［1-2］；有些处于山区，受地势影响，不具备建设常规污水处理设施的条件［3］；（2）污水来源分散，产生量不均匀，排水量少且波动大［4］；（3）对于建设较早的大型铁路站房污水处理设备和材料长期同污染物接触导致腐蚀严重，设备现状已难满足污水处理需求，导致大量未达标污染物外排，给地区环境带来不良影响［5］；（4）人工湿地、厌氧接触氧化等常规的分散型生活污水处理工艺虽然具备免维护的优点，但占地面积较大，且处理效果受气候和植物影响，出水水质难以保证［6］；（5）车站缺少专职污水处理操作管理人员，难以应用管理复杂和运行费用高的污水处理工艺。

随着环保要求日趋严格，对于铁路站房污水的治理与排放、公众的环境保护意识逐步提高，铁路污水处理要求越来越高。2013年北京市环境保护局为防治水污染、保护和改善水环境，发布的DB 11/307—2013《水污染物排放标准》规定：排入北京市Ⅱ类、Ⅲ类水体的污水执行A排放限值，COD（化学需氧量）为20mg/L，NH3-N（氨氮）为1.0 mg/L，TP（总磷）为0.2 mg/L；排入北京市Ⅳ类、Ⅴ类水体的污水执行B排放限值，COD为30 mg/L，NH3-N为1.5 mg/L，TP为0.3 mg/L，要求的污水排放标准高于生活杂用水水质标准，甚至超过地表水Ⅲ类、Ⅳ类标准，这使铁路污水处理工艺选择面临很大挑战，需选择合适的处理工艺。

针对生活污水处理设备出水难以达到DB 11/307—2013中A排放限值要求的问题，介绍一种生物生态耦合工艺，即采用PTS光合生态型污水处理技术的工艺，将其应用于工程实践，通过工艺优化和参数调整，使设备出水达标，满足水质要求，解决小型铁路站房生活污水处理困难的问题，改善因铁路站房污水造成的车站周边水污染情况，同时也为分散式污水的高标准处理积累经验，为工程实践提供参考。

1 工艺概况

北京某铁路站房日排生活污水量约2 m3，通过对该线路多个既有站房生活污水实地调研和取样检测，表明铁路污水的BOD5/CODcr等于0.33及大于0.3，污水可生化性较好。其中CODcr平均浓度为278 mg/L，BOD5（五日生化需氧量）平均浓度为97 mg/L，NH3-N平均浓度为38 mg/L，SS悬浮物平均浓度为85 mg/L。TN代表总氮。根据该项目环境影响报告书要求，处理后出水水质标准执行DB 11/307—2013中A排放限值。铁路站房污水处理设计进、出水水质标准见表1。

表1 铁路站房污水处理设计进、出水水质标准 mg/L

对于这样一个小规模、高处理标准、分散型的生活污水治理项目，按照节约投资、建设安装简便、处理成本低以及运维管理简单的要求，在工艺选择上采取有机污染物及氮磷物质多重强化生物处理技术，以确保系统稳定达标。通过方案比选，该项目确定采用PTS光合生态型污水处理技术。

2 PTS光合生态型污水处理技术

2.1 技术构成

PTS光合生态型污水处理技术是一种由A2/O法与人工湿地技术相结合的新型污水处理技术，能同时去除有机物及氮、磷等污染物，该技术使用设备由生物处理罐和生态处理罐2部分构成，现场安装调试情况见图1。

图1 现场安装与调试情况

（1）生物处理罐。基于A2/O生物脱氮除磷工艺原理设计，工艺设计采用较低的设计容积负荷 Fr为 0.14 kgCOD/（m³·d），系统运行过程中，混合液连续回流，剩余污泥采用间歇自动运行方式进行回流与排放，旨在保证出水水质达到最佳。

（2）生态处理罐。采用好氧接触氧化、光合生态湿地以及滤料物理吸附相结合的工艺技术，一方面利用系统填料进行微生物挂膜与繁殖生长，促进微生物的新陈代谢；另一方面利用植物根系的吸附作用和植物光合作用，进一步吸收降解污水中的有机物和氮磷，构建了一个表层植物床和底层生物反应床组成的复合生物生态处理系统，实现内部持续供氧形成好氧、缺氧等不同区域。表层植物床分别选育栽种了根系发达和污染物吸收能力强的水生和景观植物，不仅起到净化污水的作用，而且外观美观。

2.2 技术特点

PTS光合生态型污水处理技术利用污泥原位减量技术反应原理中的内源代谢和微生物捕食［7］实现污泥减量，污泥原位减量可达到85%以上，从而保证在出水排放满足要求的情况下，整个污水处理系统向外排放的剩余污泥量达到最少。为避免污泥处置问题，生物处理罐直接排放剩余污泥至铁路站房的化粪池，这样既保证了生物降解工艺的运行，同时又大大简化了污水处理系统的运行操作。

PTS光合生态型污水处理技术主要有以下特点：

（1）污水处理系统可依靠自身植物生态优势，实现内部持续供氧。单独的生物污水处理系统极少利用外部能量，节约能源。

（2）污水处理系统利用微生物、植物的双重污染物净化作用，单独的生物污水处理系统实现了低耗能、高效净化水质的目标。

（3）污水处理系统是单独的生物污水处理系统，在长期缺水或无水的状态下可自行维持系统的处理活性，菌种无水存活时间达12个月。

（4）污水处理系统主体为地埋式，地面部分为植物，外观形似植物花坛，对周围环境无影响且可与周围环境完美契合，具有集约、生态、美观的特点。

（5）污水处理系统高度集约，占地面积小，平面布置灵活、安装方便。

（6）该技术具备抗堵塞和免维护功能，可实现无人值守运行，运行过程中不产生剩余活性污泥。

（7）污水处理系统不需投加碳源和化学药剂，用电设备少、设备功率低，具有运行管理简单、运维成本低的特点。

（8）设备壳体采用不锈钢材料，耐腐蚀、可承重、安全性高，常压下寿命可达30年。同时具备保温功能，能保证在低温条件下稳定运行，保证出水效果。

3 工艺设计

3.1 工艺流程

铁路站房生活污水处理工艺流程见图2。

图2 铁路站房生活污水处理工艺流程

（1）生活污水先经过化粪池，部分悬浮性有机物在池内沉淀，上清液受重力流入格栅调节池内，经格栅过滤后污水进入调节池进行水量调节和水质均化，然后由调节池内提升泵提升至PTS处理系统。

（2）污水在PTS处理系统中分别进入生物处理罐的厌氧段、缺氧段及生态处理罐的好氧段，在植物和微生物的共同降解下，COD、BOD5、NH3-N、SS以及各种形式存在的氮磷被去除。

（3）生态净化后的污水进入过滤消毒池被深度处理后达标排放。

3.2 格栅调节池

格栅为初级过滤设备，不锈钢材质，栅条间隙3.0 mm，用于去除污水中大于3 mm的悬浮、漂浮物，对后续处理设备起有效保护作用，人工定期清运外送栅渣［8］。

调节池均衡水质水量，池内设置2台潜水提升泵，1用1备，设备参数Q（输出流量）=0.5 m³/h，H（输出压力）=6 m，N（额定功率）=0.37 kW，将污水提升至PTS系统，降低PTS系统埋深及造价。

3.3 PTS光合生态型处理系统

（1）生物处理罐主要有6部分：调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、清水池。尺寸为L×W×H=1.5 m×3.5 m×3.0 m，数量是1个，材质是SUS304。其中，生化系统设计容积负荷是0.14 kgCOD/（m³·d），设计停留时间是1.5 d，设计容积是3.5 m3。主要设备有2台搅拌机，1用1备，设备参数N=0.22 kW；以及配套的曝气系统。

（2）生态处理罐数量是2个，材质是SUS304，尺寸是Φ×H=2.0 m×2.0 m。

经过研究不同植物对污水中COD和氨氮的去除效果以及景观观赏效果比选［9］，选择种植菖蒲和美人蕉2种植物。设计单株植物COD吸收量为0.07 g/d，吸收氨氮量为0.05 g/d，植物约1 000棵。

主要设备有2台空气泵，1用1备，设备参数Q=100 L/min，H=0.03 MPa，N=0.20 kW；2台潜水回流泵，1用1备，设备参数Q=0.5 m³/h，H=6 m，N=0.37 kW；以及其他配套曝气系统、填料、滤料和水生植物。

3.4 过滤吸附消毒系统（兼回用水池）

该系统数量是1个，材质是不锈钢，尺寸是L×W×H=1 m×1 m×2 m。

主要设备有2台潜水回用泵，1套紫外线消毒系统；还有1 m³复合吸附除磷填料。

4 运行效果

该污水处理系统操作简便，只涉及到搅拌机、污水泵和风机的启动与停止，均可实现自动启停及故障切换功能。长期运行过程中，由于化粪池出水中携带的不溶性固体物质会在调节池底部沉积，因此需每年清掏1次。在冬季，需要对植物枯萎的叶子进行清理。

设备运行成本低，每天运行用电量约3.5 kW/m3，可采用220 V电压供电，且无需专业人员管理。

试运行以来，实际进水水量达到1～2（m3·d-1），系统处理效果稳定，出水数据优于DB 11/307—2013中A排放限值要求。

为了验证PTS光合生态型污水处理技术在不同季节、不同温度环境的处理效果，选择2个站房的污水处理系统分别在夏、冬2个季节调试运行，站房1在7月份调试完毕，而站房2在12月份调试完毕，通过降低污泥负荷、延长污泥龄、增加水力停留时间和采取池体保温等措施有效提高了低温污水处理效率，最终均保证了出水水质达标，达到预期目标。2021年7月和12月测得的铁路站房污水处理进、出水水质检测结果见表2。

表2 铁路站房污水处理进、出水水质检测结果

从运行效果分析，PTS光合生态型污水处理技术污水处理效率高，设备全年运行稳定，出水水质能达到设计要求，其中对CODcr、BOD5、NH3-N的去除率达到95%以上，对TN和TP的去除率达到80%～90%。

5 结束语

生物生态耦合工艺的PTS光合生态型污水处理技术采用较低的设计容积负荷0.14 kgCOD/（m3·d），并利用菖蒲和美人蕉等具备较高污染物降解能力的水生植物降解氮、磷等污染物，实现了不同气温条件出水水质均可符合DB 11/307—2013的A排放限值的目标。该技术应用于分散式小水量的铁路车站污水处理工程中，验证了其污水处理效果是有效、可行的；将污水处理、植物净化、生态环境进行有机结合，达到了美化环境、高效低耗运行的目的，取得了良好的环境、经济和社会效益［10］。

该技术具有工艺简单、投资及运行费用少、处理效果好、无人值守、观赏性强、中水可回用等诸多优势，可有效满足今后污水排放标准的更高要求，不仅为小型铁路车站污水处理、还为分散式污水处理积累了经验，可在同类分散点源式污水处理中推广应用。