生物生態耦合工藝在鐵路站房生活污水處理中的應用

陳長君，金建軍，李亞密，楊帆，盧雅文

（1.中國鐵路北京局集團有限公司 北京工程項目管理部，北京 100038；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

水體污染、水資源短缺已經成為我國經濟社會實現可持續發展的嚴重制約因素。近幾年，國家對環保行業的重視程度和支持力度不斷提升，污水處理行業快速發展。在環保治污領域，鐵路站房生活污水處理屬于典型的分散型“點源”污染控制難題。地處偏遠地區的鐵路站房生活污水處理過程中，通常面臨以下問題和挑戰：（1）位置偏僻，周圍無成熟的市政管網，難以納入市政污水處理廠進行集中處理，只有采用自行處理的方式［1-2］；有些處于山區，受地勢影響，不具備建設常規污水處理設施的條件［3］；（2）污水來源分散，產生量不均勻，排水量少且波動大［4］；（3）對于建設較早的大型鐵路站房污水處理設備和材料長期同污染物接觸導致腐蝕嚴重，設備現狀已難滿足污水處理需求，導致大量未達標污染物外排，給地區環境帶來不良影響［5］；（4）人工濕地、厭氧接觸氧化等常規的分散型生活污水處理工藝雖然具備免維護的優點，但占地面積較大，且處理效果受氣候和植物影響，出水水質難以保證［6］；（5）車站缺少專職污水處理操作管理人員，難以應用管理復雜和運行費用高的污水處理工藝。

隨著環保要求日趨嚴格，對于鐵路站房污水的治理與排放、公眾的環境保護意識逐步提高，鐵路污水處理要求越來越高。2013年北京市環境保護局為防治水污染、保護和改善水環境，發布的DB 11/307—2013《水污染物排放標準》規定：排入北京市Ⅱ類、Ⅲ類水體的污水執行A排放限值，COD（化學需氧量）為20mg/L，NH3-N（氨氮）為1.0 mg/L，TP（總磷）為0.2 mg/L；排入北京市Ⅳ類、Ⅴ類水體的污水執行B排放限值，COD為30 mg/L，NH3-N為1.5 mg/L，TP為0.3 mg/L，要求的污水排放標準高于生活雜用水水質標準，甚至超過地表水Ⅲ類、Ⅳ類標準，這使鐵路污水處理工藝選擇面臨很大挑戰，需選擇合適的處理工藝。

針對生活污水處理設備出水難以達到DB 11/307—2013中A排放限值要求的問題，介紹一種生物生態耦合工藝，即采用PTS光合生態型污水處理技術的工藝，將其應用于工程實踐，通過工藝優化和參數調整，使設備出水達標，滿足水質要求，解決小型鐵路站房生活污水處理困難的問題，改善因鐵路站房污水造成的車站周邊水污染情況，同時也為分散式污水的高標準處理積累經驗，為工程實踐提供參考。

1 工藝概況

北京某鐵路站房日排生活污水量約2 m3，通過對該線路多個既有站房生活污水實地調研和取樣檢測，表明鐵路污水的BOD5/CODcr等于0.33及大于0.3，污水可生化性較好。其中CODcr平均濃度為278 mg/L，BOD5（五日生化需氧量）平均濃度為97 mg/L，NH3-N平均濃度為38 mg/L，SS懸浮物平均濃度為85 mg/L。TN代表總氮。根據該項目環境影響報告書要求，處理后出水水質標準執行DB 11/307—2013中A排放限值。鐵路站房污水處理設計進、出水水質標準見表1。

表1 鐵路站房污水處理設計進、出水水質標準 mg/L

對于這樣一個小規模、高處理標準、分散型的生活污水治理項目，按照節約投資、建設安裝簡便、處理成本低以及運維管理簡單的要求，在工藝選擇上采取有機污染物及氮磷物質多重強化生物處理技術，以確保系統穩定達標。通過方案比選，該項目確定采用PTS光合生態型污水處理技術。

2 PTS光合生態型污水處理技術

2.1 技術構成

PTS光合生態型污水處理技術是一種由A2/O法與人工濕地技術相結合的新型污水處理技術，能同時去除有機物及氮、磷等污染物，該技術使用設備由生物處理罐和生態處理罐2部分構成，現場安裝調試情況見圖1。

圖1 現場安裝與調試情況

（1）生物處理罐。基于A2/O生物脫氮除磷工藝原理設計，工藝設計采用較低的設計容積負荷 Fr為 0.14 kgCOD/（m3·d），系統運行過程中，混合液連續回流，剩余污泥采用間歇自動運行方式進行回流與排放，旨在保證出水水質達到最佳。

（2）生態處理罐。采用好氧接觸氧化、光合生態濕地以及濾料物理吸附相結合的工藝技術，一方面利用系統填料進行微生物掛膜與繁殖生長，促進微生物的新陳代謝；另一方面利用植物根系的吸附作用和植物光合作用，進一步吸收降解污水中的有機物和氮磷，構建了一個表層植物床和底層生物反應床組成的復合生物生態處理系統，實現內部持續供氧形成好氧、缺氧等不同區域。表層植物床分別選育栽種了根系發達和污染物吸收能力強的水生和景觀植物，不僅起到凈化污水的作用，而且外觀美觀。

2.2 技術特點

PTS光合生態型污水處理技術利用污泥原位減量技術反應原理中的內源代謝和微生物捕食［7］實現污泥減量，污泥原位減量可達到85%以上，從而保證在出水排放滿足要求的情況下，整個污水處理系統向外排放的剩余污泥量達到最少。為避免污泥處置問題，生物處理罐直接排放剩余污泥至鐵路站房的化糞池，這樣既保證了生物降解工藝的運行，同時又大大簡化了污水處理系統的運行操作。

PTS光合生態型污水處理技術主要有以下特點：

（1）污水處理系統可依靠自身植物生態優勢，實現內部持續供氧。單獨的生物污水處理系統極少利用外部能量，節約能源。

（2）污水處理系統利用微生物、植物的雙重污染物凈化作用，單獨的生物污水處理系統實現了低耗能、高效凈化水質的目標。

（3）污水處理系統是單獨的生物污水處理系統，在長期缺水或無水的狀態下可自行維持系統的處理活性，菌種無水存活時間達12個月。

（4）污水處理系統主體為地埋式，地面部分為植物，外觀形似植物花壇，對周圍環境無影響且可與周圍環境完美契合，具有集約、生態、美觀的特點。

（5）污水處理系統高度集約，占地面積小，平面布置靈活、安裝方便。

（6）該技術具備抗堵塞和免維護功能，可實現無人值守運行，運行過程中不產生剩余活性污泥。

（7）污水處理系統不需投加碳源和化學藥劑，用電設備少、設備功率低，具有運行管理簡單、運維成本低的特點。

（8）設備殼體采用不銹鋼材料，耐腐蝕、可承重、安全性高，常壓下壽命可達30年。同時具備保溫功能，能保證在低溫條件下穩定運行，保證出水效果。

3 工藝設計

3.1 工藝流程

鐵路站房生活污水處理工藝流程見圖2。

圖2 鐵路站房生活污水處理工藝流程

（1）生活污水先經過化糞池，部分懸浮性有機物在池內沉淀，上清液受重力流入格柵調節池內，經格柵過濾后污水進入調節池進行水量調節和水質均化，然后由調節池內提升泵提升至PTS處理系統。

（2）污水在PTS處理系統中分別進入生物處理罐的厭氧段、缺氧段及生態處理罐的好氧段，在植物和微生物的共同降解下，COD、BOD5、NH3-N、SS以及各種形式存在的氮磷被去除。

（3）生態凈化后的污水進入過濾消毒池被深度處理后達標排放。

3.2 格柵調節池

格柵為初級過濾設備，不銹鋼材質，柵條間隙3.0 mm，用于去除污水中大于3 mm的懸浮、漂浮物，對后續處理設備起有效保護作用，人工定期清運外送柵渣［8］。

調節池均衡水質水量，池內設置2臺潛水提升泵，1用1備，設備參數Q（輸出流量）=0.5 m3/h，H（輸出壓力）=6 m，N（額定功率）=0.37 kW，將污水提升至PTS系統，降低PTS系統埋深及造價。

3.3 PTS光合生態型處理系統

（1）生物處理罐主要有6部分：調節池、厭氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、清水池。尺寸為L×W×H=1.5 m×3.5 m×3.0 m，數量是1個，材質是SUS304。其中，生化系統設計容積負荷是0.14 kgCOD/（m3·d），設計停留時間是1.5 d，設計容積是3.5 m3。主要設備有2臺攪拌機，1用1備，設備參數N=0.22 kW；以及配套的曝氣系統。

（2）生態處理罐數量是2個，材質是SUS304，尺寸是Φ×H=2.0 m×2.0 m。

經過研究不同植物對污水中COD和氨氮的去除效果以及景觀觀賞效果比選［9］，選擇種植菖蒲和美人蕉2種植物。設計單株植物COD吸收量為0.07 g/d，吸收氨氮量為0.05 g/d，植物約1 000棵。

主要設備有2臺空氣泵，1用1備，設備參數Q=100 L/min，H=0.03 MPa，N=0.20 kW；2臺潛水回流泵，1用1備，設備參數Q=0.5 m3/h，H=6 m，N=0.37 kW；以及其他配套曝氣系統、填料、濾料和水生植物。

3.4 過濾吸附消毒系統（兼回用水池）

該系統數量是1個，材質是不銹鋼，尺寸是L×W×H=1 m×1 m×2 m。

主要設備有2臺潛水回用泵，1套紫外線消毒系統；還有1 m3復合吸附除磷填料。

4 運行效果

該污水處理系統操作簡便，只涉及到攪拌機、污水泵和風機的啟動與停止，均可實現自動啟停及故障切換功能。長期運行過程中，由于化糞池出水中攜帶的不溶性固體物質會在調節池底部沉積，因此需每年清掏1次。在冬季，需要對植物枯萎的葉子進行清理。

設備運行成本低，每天運行用電量約3.5 kW/m3，可采用220 V電壓供電，且無需專業人員管理。

試運行以來，實際進水水量達到1～2（m3·d-1），系統處理效果穩定，出水數據優于DB 11/307—2013中A排放限值要求。

為了驗證PTS光合生態型污水處理技術在不同季節、不同溫度環境的處理效果，選擇2個站房的污水處理系統分別在夏、冬2個季節調試運行，站房1在7月份調試完畢，而站房2在12月份調試完畢，通過降低污泥負荷、延長污泥齡、增加水力停留時間和采取池體保溫等措施有效提高了低溫污水處理效率，最終均保證了出水水質達標，達到預期目標。2021年7月和12月測得的鐵路站房污水處理進、出水水質檢測結果見表2。

表2 鐵路站房污水處理進、出水水質檢測結果

從運行效果分析，PTS光合生態型污水處理技術污水處理效率高，設備全年運行穩定，出水水質能達到設計要求，其中對CODcr、BOD5、NH3-N的去除率達到95%以上，對TN和TP的去除率達到80%～90%。

5 結束語

生物生態耦合工藝的PTS光合生態型污水處理技術采用較低的設計容積負荷0.14 kgCOD/（m3·d），并利用菖蒲和美人蕉等具備較高污染物降解能力的水生植物降解氮、磷等污染物，實現了不同氣溫條件出水水質均可符合DB 11/307—2013的A排放限值的目標。該技術應用于分散式小水量的鐵路車站污水處理工程中，驗證了其污水處理效果是有效、可行的；將污水處理、植物凈化、生態環境進行有機結合，達到了美化環境、高效低耗運行的目的，取得了良好的環境、經濟和社會效益［10］。

該技術具有工藝簡單、投資及運行費用少、處理效果好、無人值守、觀賞性強、中水可回用等諸多優勢，可有效滿足今后污水排放標準的更高要求，不僅為小型鐵路車站污水處理、還為分散式污水處理積累了經驗，可在同類分散點源式污水處理中推廣應用。