鐵路高濃度糞便污水處理的工藝設(shè)計

張文兵

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，動車及高速列車的建設(shè)范圍也越來越大，為保護鐵路沿線環(huán)境衛(wèi)生及沿線人群的健康、減少對周邊環(huán)境的影響，鐵路運行產(chǎn)生的含有高濃度糞便的污水也需經(jīng)過一定的處理，達到相關(guān)標準后才可以排入市政管網(wǎng)或受納水體[1-3]。糞便污水中含有較高的CODcr、NH3-N和TN，相對于普通的生活污水，具有有機物濃度高、營養(yǎng)物質(zhì)含量高、高氨氮、低C/N等特點，處理難度大[4-7]。目前，車站內(nèi)已建有的污水處理工藝主要采用的有氧化溝、SBR反應(yīng)池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化等，但因處理效率不穩(wěn)定、受季節(jié)變化影響較明顯等問題，出水較難達到新的排放標準[8-11]。因此，當前鐵路新建項目設(shè)計中，對針對性強、脫氮除磷效果好的處理新技術(shù)有迫切需求，實現(xiàn)污水高效、低耗、資源化的處理，對鐵路站污水綜合利用具有重大的現(xiàn)實意義。

近年來，隨著新的生物脫氮途徑的發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化技術(shù)作為高效低耗的生物脫氮工藝之一逐步得到開發(fā)應(yīng)用[12-13]。該工藝不需要添加額外的碳源，在厭氧或缺氧條件下能夠?qū)崿F(xiàn)對氨氮的高效去除，且具有產(chǎn)泥量少、運行費用低、無二次污染等優(yōu)點[14]。以某高鐵站為例，就該高鐵站收集的高濃度糞便污水以及生活污水的處理工程采用厭氧氨氧化技術(shù)進行設(shè)計，為國內(nèi)后續(xù)動車和高速列車段污水處理工程提供參考。

2 工程概況

2.1 設(shè)計規(guī)模及水質(zhì)

某高鐵污水處理廠主要處理動車及高速列車收集的糞便污水以及廠區(qū)產(chǎn)生的生活污水。根據(jù)建設(shè)方提供的資料，污水廠的設(shè)計規(guī)模為610 m3/d，設(shè)計處理出水達到《污水綜合排放標準》(GB8978—2002)排放二級要求。參考國內(nèi)其他高鐵站收集的糞便污水的水質(zhì)特點，確定本工程的進、出水水質(zhì)指標，如表1所示。

表1 某高鐵站污水處理廠設(shè)計進、出水水質(zhì) mg/L

2.2 工藝流程

BOD5/COD值為評價污水可生化性的重要指標，本設(shè)計中污水的比值為0.42，說明具有較好的生化性能。但傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)，如硝化-反硝化，必須在水中有足夠的碳源下，才能保證反應(yīng)順利進行。一般認為，BOD5/TN≥4時，污水有足夠的碳源供反硝化菌利用。本設(shè)計污水BOD5/TN=0.7，說明碳源嚴重不足，實際處理工藝需投加大量的碳源，費用巨大；且總氮含量較高，導致設(shè)計占地面積較大，投資費用較大。因此，該水質(zhì)不適宜使用傳統(tǒng)的厭氧工藝。基于廢水高CODcr、高氨氮、低碳氮比的水質(zhì)特點，工藝的處理效果，運行的可靠性，造價及運行成本等因素，結(jié)合同類廢水的工程經(jīng)驗[15-16]，本設(shè)計采用厭氧氨氧化(Anammox)與膜生物反應(yīng)器(MBR)相結(jié)合的脫氮工藝系統(tǒng)，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

調(diào)節(jié)池前端設(shè)有格柵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)池的提升泵進入IC厭氧反應(yīng)器，該單元采用較高的有機負荷，提升生化反應(yīng)速率，從而達到去除部分溶解性CODcr的目的。出水進入高負荷曝氣池進一步去除水中剩余的BOD5。同時，通過曝氣可將污水中的部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮或亞硝氮，為后續(xù)的厭氧氨氧化處理提供有利的條件。高負荷曝氣池后端設(shè)有一沉池，可將大部分污泥回流至曝氣生物濾池前端，保證一定的污泥量。一沉池出水進入?yún)捬醢毖趸到y(tǒng)，Anammox菌能將氨氮直接轉(zhuǎn)化為氮氣，是脫氮領(lǐng)域的重要突破，污水中的約60%以上的氨氮在此過程中可被去除[17,18]。剩余的小部分氨氮可通過膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)進一步去除，從而達到排放要求。MBR工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，剩余污泥產(chǎn)量少，占地面積小，且無需設(shè)置二沉池，工藝設(shè)備集中。該工藝組合技術(shù)成熟，運行可靠，對高CODcr、高氨氮的廢水處理具有較強的適應(yīng)性，保障處理后尾水的穩(wěn)定達標。出水采用液氯消毒工藝，污泥處理系統(tǒng)采用污泥貯池+帶式濃縮脫水一體機。

3 主要處理構(gòu)筑物設(shè)計

3.1 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池的主要作用為調(diào)節(jié)水量及水質(zhì)，其有效水深為5.1 m，池體尺寸為8 m(長)×5 m(寬)，總有效容積為203.2 m3，廢水停留時間為8 h。為保證調(diào)節(jié)池良好運行，池體中設(shè)混合和曝氣裝置。

3.2 IC厭氧反應(yīng)器

IC厭氧反應(yīng)器的外形尺寸φ2.7 m×H20.0 m，其結(jié)構(gòu)形式為圓柱體形，總有效容積為114.5 m3，廢水水力停留時間為4.5 h，第一反應(yīng)室容積負荷率取20 kg CODcr/m3·d， 第二反應(yīng)室容積負荷率取7 kg CODcr/m3·d，反應(yīng)器總?cè)莘e負荷為14 kg CODcr/m3·d。大沼氣產(chǎn)生量約為291 m3/d，經(jīng)脫硫后進行收集。

3.3 高負荷曝氣池

高負荷曝氣池的外形尺寸為3.0 m×4.0 m×2.4 m，設(shè)有2座，其有效容積為45.8 m3，有效停留時間為1.8 h。該單元設(shè)置進水的BOD容積負荷為0.69 kg BOD/m3·d，單元底部設(shè)有曝氣系統(tǒng)，每個曝氣量設(shè)置為2.0～6.0 m3/h，服務(wù)面積為0.2～0.4 m2。

3.4 一沉池

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2座。外形尺寸為1.6 m×5.3 m×3.5 m，設(shè)置有效容積為51.0 m3，水力停留時間為2.0 h，設(shè)計表面負荷為1.5 m3/m2·d。同時，配套刮泥機和污泥回流系統(tǒng)。

3.5 厭氧氨氧化生物反應(yīng)器

厭氧氨氧化池的設(shè)計外形尺寸為φ2.2 m×H18.0 m，設(shè)置1座，單座的有效容積為70 m3，有效停留時間為3 h，設(shè)計負荷為2.0 kg NH3-N/m3·d。池底部設(shè)有曝氣系統(tǒng)。

3.6 膜生物反應(yīng)器MBR

厭氧氨氧化出水自流至MBR反應(yīng)器，其主要作用是進行深度脫氮。該處理單元設(shè)有3套，外形尺寸為4.5 m×2.8 m×3.5 m，有效容積為113.4 m3，有效停留時間為4.5 h，設(shè)計污泥濃度為8 000 mg/L，膜組件銅梁為20 L/m2·h。反應(yīng)器底部配置曝氣系統(tǒng)，防止污泥沉淀，每個曝氣頭的服務(wù)面積為0.2～0.4 m2。同時，該系統(tǒng)配備反洗泵、加藥泵、真空壓力表等，保證其順利運行。

4 廢水處理效果

工藝各單元去除效率詳見表2。

表2 各單元去除效率 mg/L

5 主要經(jīng)濟指標及技術(shù)特點

本工程建設(shè)總占地面積約為1 500 m2，工程總投資約為3 000萬元，其中土建工程600萬元，設(shè)備及安裝調(diào)試費用為2 400萬元，后期運營過程中產(chǎn)生的直接費用包括電費、自來水費、藥劑費、人工費以及其他費用，合計為25元/m3。

本設(shè)計以“厭氧氨氧化+MBR”為主體工藝，與傳統(tǒng)鐵路行業(yè)采用的氧化溝、SBR反應(yīng)池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化等方法相比，厭氧氨氧化由于硝化作用控制在亞硝化階段，可節(jié)省60%左右的耗氧量，供氧能耗大幅下降[19-20]；同時，厭氧氨氧化菌直接以氨氮為電子供體、硝酸氮或亞硝酸氮為電子受體的自養(yǎng)菌，一方面無需添加碳源，解決了常規(guī)工藝中碳源不足影響硝化反硝化的處理效果，降低了運行成本，另外又減少了溫室氣體排放[21]；厭氧氨氧化菌生產(chǎn)速率緩慢、世代周期長，降低了污泥產(chǎn)量。基于以上背景，本設(shè)計采用厭氧氨氧化-MBR為主體的工藝，可以對高鐵運行產(chǎn)生的糞便污水進行深入的脫氮，從而達到污水處理排放標準。

6 結(jié)語

采用厭氧氨氧化-MBR組合工藝處理鐵路高濃度糞便污水，具有設(shè)計合理、工藝先進、運行穩(wěn)定以及處理效率高的特點，能有效去除水中的COD、NH3-N以及TN，出水水質(zhì)滿足《污水綜合排放標準》(GB8978-2002)的二級排放要求，滿足當?shù)丨h(huán)保部門的要求。且該工藝占地面積小、能耗低、產(chǎn)泥量少，也具有較好的經(jīng)濟效益，未來在鐵路站段具有廣闊的應(yīng)用前景。