邰旭東，張士超

（1. 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 計劃統(tǒng)計部，北京 100860；2. 中國鐵道科學(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

隨著國家及地方對環(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《水污染防治行動計劃》(以下簡稱“水十條”)的發(fā)布實施，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)造綠色財富[1]。同時，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 個部分：一是水處理設(shè)備運行耗電折算產(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)過程中的一項重要資源和能源，水資源的節(jié)約是減碳的一項重要措施[2]。

近年來國家基礎(chǔ)建設(shè)持續(xù)發(fā)力，預(yù)計到2035 年，我國鐵路網(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營，動車組的檢修、養(yǎng)護(hù)工作已成為保障高速鐵路運輸安全的重要基礎(chǔ)。目前，城市的快速發(fā)展、國家和地方相關(guān)處理標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，鐵路動車段(所)部分既有污水處理站在設(shè)計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，鐵路動車段(所)具有占地大、功能全、作業(yè)繁多、用水量大等特點，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、控制運行成本、提高用水效率和廢水資源化率、建立完善的運營管理制度，是鐵路提高水資源管理水平的突破口。

1 動車段(所)污水處理站運維及管理現(xiàn)狀

在積極響應(yīng)國家綠色減排及鐵路節(jié)能降耗要求的同時，為滿足國家和地方相關(guān)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，鐵路動車段(所)都配置了污水處理系統(tǒng)及設(shè)施，但受多種因素影響，在污水處理運維及管理工作中還存在問題[5]。調(diào)研某動車段污水處理站，其運維管理現(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”的頒布實施，國家及地方對污水排放要求提高，既有站段污水處理大多面臨深度脫氮除磷的改造問題。

（2）鐵路動車段污水處理站資源化程度有待提升。隨著鐵路企業(yè)對環(huán)保工作重要性認(rèn)識的逐步加深，污水處理站的運維監(jiān)管也被提至重要地位，但因動車段建設(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，并且動車段有用水量大等特點，提高廢水資源化率是動車段提升水資源化管理的重要途徑。

（3）動車段污水處理及資源化運維管理水平有待提高。目前部分既有動車段污水處理站因早期設(shè)計僅需滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，因而污水處理工藝及日常管理簡單、后續(xù)運維配備人員較少。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 鐵路動車段(所)污水處理及資源化技術(shù)研究

2.1 鐵路動車段(所)污水水質(zhì)特點

鐵路動車段(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，對于該類濃度的污水處理，國內(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]。對于污水的資源化利用，目前國內(nèi)外主要采用AOMBR等深度處理工藝?；阼F路污水處理運維管理水平不高、運維專業(yè)人才缺乏的現(xiàn)狀，其處理工藝的選擇應(yīng)綜合考慮鐵路動車段(所)污水處理工程的建設(shè)成本、運營成本及運行管理的難易程度。

表1 鐵路動車段(所)污水水質(zhì)

根據(jù)既有的技術(shù)對比分析，以該動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、污水處理場面積等情況，最終確定以移動床生物膜反應(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 鐵路動車段(所)污水處理提升改造方案

該動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，造成污水含N、P量較高[11-12]。動車段既有污水處理站原設(shè)計執(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，對總氮、總磷排放都有限值要求。

該動車段提升改造工程本著充分利用既有處理設(shè)施、盡可能減少施工對生產(chǎn)影響的原則，選用切實可行且經(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去除污染物COD、總氮(TN)及總磷(TP)，結(jié)合國內(nèi)改造項目工藝設(shè)計運行經(jīng)驗，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，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，將硝酸氮還原成氮氣。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 實際進(jìn)出水水質(zhì)

2.3 動車段(所)污水資源化技術(shù)研究

我國既有和新建的鐵路動車段(所)中有相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)離城市，導(dǎo)致這些動車段(所)的生活污水無法直接接入城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)。目前，我國新建鐵路動車段(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。

目前，鐵路動車段(所)污水資源化程度較低，對污水、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，針對鐵路動車段(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、污水處理場面積等，該動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)泵運行能耗[15]。同時，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，對于低碳氮比的廢水可節(jié)省額外的碳源投加費用[16]。生化池出水經(jīng)二沉池后進(jìn)入三級處理工藝，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。

提標(biāo)改造后，對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 實際進(jìn)出水水質(zhì)

3 鐵路動車段污水處理站運維管理方案

3.1 智能化管理系統(tǒng)方案設(shè)計

智慧化運維是確保污水處理站科學(xué)、高效、安全運行的關(guān)鍵，污水處理監(jiān)控的目的在于對設(shè)備及處理工藝進(jìn)行智能和精細(xì)化的管理，同時加強(qiáng)對設(shè)備的故障檢測、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，及時了解和掌握污水深度處理過程各工藝階段的運行狀態(tài)并能及時調(diào)整，該動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)可實現(xiàn)實時數(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)備運行狀態(tài)等，數(shù)據(jù)由現(xiàn)場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)的簡單預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)量整數(shù)或浮點，該系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)如圖4所示。

圖4 動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管理人員能夠及時、準(zhǔn)確、全面、直觀的了解和掌握系統(tǒng)運行狀況。系統(tǒng)中的污水水質(zhì)在線監(jiān)測代替人工抽樣監(jiān)測，可隨時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行情況，同時可以直觀顯示故障報警點的位置與故障特征(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、統(tǒng)計查詢和報表打印等，可實現(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比分析、跟蹤每種污染物排放總量的發(fā)展變化趨勢曲線，得出是否超過核定值的結(jié)論。同時，結(jié)合企業(yè)的當(dāng)前狀況與歷史同期數(shù)據(jù)的比對分析，對排放總量趨勢發(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)可實現(xiàn)各站點節(jié)能減排、綠色環(huán)保，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和實際應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

（1）針對某動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轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥少的特點，強(qiáng)化了生化系統(tǒng)的處理效果。

（2）針對某動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，工程將MABR工藝在鐵路行業(yè)由試驗階段推進(jìn)至工程應(yīng)用階段。同時，MABR膜表面可附著生物膜，通過生物膜內(nèi)外氧濃度差異，實現(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)實現(xiàn)該動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)運行數(shù)據(jù)(設(shè)備開關(guān))等的自動采集、遠(yuǎn)程監(jiān)視、智能預(yù)警，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗、降低成本，輔助污水處理站實現(xiàn)生產(chǎn)運行管理、工藝優(yōu)化調(diào)度、綜合運營管理的信息化和智慧化。

該動車段污水處理設(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。