青藏铁路格拉段污水水质特征及处理工艺评价

董贵奇，王文娟，李杰

(1.青藏铁路公司计统部，青海西宁 810007;2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070)

青藏铁路沿线的高寒生态系统是典型的脆弱生态系统，抗外界干扰的能力较低，破坏后恢复难度很大。青藏铁路建设及运营以后，国家一直非常注重沿线的污水处理问题。在铁路建设期就修建了众多的污水处理工程设施，并围绕这些设施在高寒缺氧条件下可靠、稳定的运行进行了很多工作。如今，这些设备已随着青藏线格拉段的开通运行将近8年，根据实际情况进行青藏铁路污水处理工艺评价，有利于对这些设备的科学使用，并给青藏线后续建设提供参考意见。

1 青藏铁路污水水量水质特征

1.1 水量

据2008年的监测结果［1］，青藏铁路建成运行后，随着铁路现代化技术的发展，正常情况下沿线的常住管理人员少，再加气候影响导致的人均用水量较低等原因，使实际污水水量偏小，致使沿线污水处理站点出现有机物进水负荷不足设计值的一半，有的甚至更低的超低负荷情况;而在特殊或应急时期，沿线人员大量增加，致使污水量剧增。青藏铁路公司的运营监测发现，这一现象近年来也没有多大变化。所以，水量变化很大是格拉段的最大特点。

1.2 水质

在青藏铁路格拉段进行铁路污水处理尚属首次，摸清沿线污水水质具有重要意义。依据《水和废水监测分析方法》［4］对2007年6月 －2008年5月、2012年及2013年各主要站点污水处理设施进出水质情况进行监测，监测结果见表1。

从表1可见，2012－2013年的水质总体要高于2007－2008年的水质指标;各污水处理站进水水质相差较大，COD、BOD5和氨氮分别在8～964 mg/L、0～106.8 mg/L和0～316 mg/L的范围内，总体呈现出水质指标变化很大、BOD5含量低，BOD5/COD偏低、氨氮相对偏高的特点。

沿线典型的小站段－当雄火车站和最大站－拉萨火车站2012年和2013年的进水水质逐月变化见图1、2。从图1、2可见:①当雄火车站每年内水质变化波动很大，2012年的COD和氨氮值较低，低值分别在50 mg/L和5 mg/L以下;2013年增加很大，并在2月和6－10月出现峰值，COD和氨氮都增加5倍左右。②拉萨火车站每年内水质变化波动相对较小，COD低值在100～150 mg/L、氨氮低值分别在10～20 mg/L;5－9月出现峰值，COD和氨氮分别增加3倍和5倍左右，且2013年峰值要比2012年稍大。③两车站2013年的水质指标要比2012年大(平均值比较见表2)，且COD和氨氮呈现明显的相关性。分析原因如下:①近年来到拉萨旅游的人数不断增多，以前绝大多数集中在夏季，近年来春季旅游人数有所增加;②当雄火车站小，水量小，到站人员变化时水质变化相对大;③拉萨火车站设计水量是当雄火车站的50倍，水质变化相对较小。

表1 青藏铁路各污水处理站进出水水质

表2 格拉段火车站污水水质均值比较 ρ/(mg·L－1)

图1 当雄站进水水质逐月变化情况

图2 拉萨站进水水质逐月变化情况

2 污水处理工艺及评价

2.1 污水处理工艺

格拉段各污水处理站主要污水处理工艺有:(1)MCR系统:工艺具体是:原水－混凝沉淀－MBR(生化处理－超滤)－活性炭吸附－出水。该工艺应用最多，在14个污水处理站中9个采用了该工艺。(2)SBR系统:应用于拉萨车站。(3)SBR+膜处理:实质为间歇式MBR工艺，主要用于安多和那曲火车站。(4)MCR+催化电氧化+折点加氯:在MCR基础上增添了催化电氧化、折点加氯把关工艺，以确保出水水质。该工艺应用于沱沱河地区污水处理站。(5)沿线设备间采用太阳能和电加热的混合加热方式，温度控制在9～13℃。

2.2 主要设备工艺运行评价

2.2.1mCR

MCR是格拉段使用最多的设备，该设备由混凝－MBR－活性炭过滤组成。混凝部分是MCR的预处理单元。当原水浓度高时，混凝沉淀对后续生化处理的正常运行起到积极作用。当原水浓度低时，要降低药剂投加量甚至停止运行，以保证后续生化处理能有足够的营养维持运行。所以该单元设计合理，实际中也容易操作，设备稳定性好。

MBR是二级生化处理单元。设计思路没错，但实际发现设计HRT太长。由于格拉段铁路沿线站段平时实际污水量大大小于设计值，给该处理单元的正常运行带来了一系列问题。主要体现在供气量和生化处理时间无法根据实际进水负荷调节，水量剧增时微生物无法快速增殖，严重影响了生化处理的正常运行与处理效果。

活性炭过滤作为把关措施，在现有处理排放标准要求下显得必要性不大。故实际中活性炭也没有及时更换，当做活性炭填料的生物滤池使用。

2.2.2 SBR

水量最大的拉萨车站污水处理厂采用SBR工艺，整体运行比较稳定。但抗冲击负荷以及处理氨氮的能力较弱。

3 总结运行经验，提高运行效率

3.1 合理使用混凝预处理

针对实际水量、水质，对现有MCR设备进行处理工艺调整，是目前进行的首要改进措施。MCR设备中，作为前处理的混凝沉淀部分可以降低原水中的污染物，但使得进入后续生化处理池中的有机物含量进一步降低。现场试验发现，正常进水情况下停止混凝沉淀，可大大增加进入生化池中的有机物含量。

3.2 改变生化处理的运行方式

图3为进水有机负荷对生化处理效果的影响。从图3可见，由于青藏线原水中有机物含量较低，故随着进水有机负荷的增加，生化处理的效果提高。合适的有机物负荷应保障在0.02 kgBOD5/kgMLVSS．d以上，而大多数站点污水处理设备的进水有机负荷未达到此值。试验发现，采用间歇式运行替代连续运行方式，反应器的处理状况会有所改善。

图3 进水有机负荷对生化处理效果的影响

当雄火车站污水处理站设计能力为12 m3/d，生化处理池有效容积为4 m3，正常情况下污水量约为2～3 m3·d，无法满足生化池正常运转需要。为此在停掉混凝沉淀前处理的前提下，采用将连续进水改为间歇运行、并缩短每个周期内曝气时间的方式，进行了保障生化处理部分正常运行的现场试验研究。实验结果见图4。从图4可见，随着曝气时间的缩短，生化池的COD去除率增高。但实验发现以12 h周期间歇式运行时，每周期内的曝气时间也不能太低，最好不要低于4 h。

图4 相同处理周期内曝气时间对COD处理效率的影响关系

3.3 生化处理池中投加载体

采用内径6 cm、高55 cm、有效容积700 ml的4个完全相同且同步运行的SBR反应器，1#、2#为普通活性污泥法SBR，3#、4#反应器内装有5串2 cm×2 cm×5 cm结合型微生物固定化载体［2］(反应器填充比约为40%)。不同处理周期(12 h和8 h)、不同水温(常温20℃和低温9℃)下，进水有机物容积负荷对处理效果的影响见图5。

图5 不同温度及处理时间下投加载体对反应器COD的去除率影响对比

从图5中(a)、(b)对比可以看出，投加载体后，低温低有机负荷下对反应器COD处理效果的影响大大降低。说明投加载体可以提高生化反应器的抗低温和低负荷能力。另外在运行发现，SBR反应器存在菌体流失的现象，也是导致低温下处理效果下降的原因之一。一般情况下，微生物对有机物的降解存在一个最小基质浓度，水中有机物低于这一浓度时，微生物降解反应速率很低，由于海绵串对水中有机物有较好的吸附性能，海绵表面对有机物的富集，提高了微生物的降解速率［6］。

3.4 使用高效菌

高效微生物(简称高效菌)是利用生物工程手段，针对不同的污染物，培养出专门降解污染物的微生物，再将其制配成干粉状，在污水生化工艺启动时直接投加使用。具有专一性强、微生物活性高，抗冲击能力强、繁殖速度快、培养时间短、能快速启动和恢复生化系统运行的特点［3］。另外，有研究表明，高效菌对高浓度氨氮的去除率也很高，能达到90%左右［3］。相同条件下高效菌与普通活性污泥处理性能对比见图6。从图6可见，常温下，高效菌与普通活性污泥的COD降解能力基本相当，而在低温条件(9℃)下，高效菌的处理性能明显优于普通活性污泥。且从图7沉降性能对比可见，高效菌的沉降性能也优于普通活性污泥。

图6 高效菌与活性污泥降解COD性能对比

图7 高效菌与活性污泥沉降性能对比

3.5 微生物固定化技术

将筛选出的优势降解菌种人工固定在载体上，组成一个快速、高效、能连续处理污染物的降解系统。能够可选择性地提高泥龄，保持有效菌种的活性，大大提高污水的处理效率，降低处理费用［7］。载体是微生物固定化的关键，制备与微生物菌群亲和性好的聚合物多孔载体，能够很大程度上提高去除效率［5］。

图8为9℃条件下采用SBR和载体结合微生物固定化SBR(简称固定化－SBR)处理生活污水的实验室对比试验结果。从图8可见，将载体结合微生物固定化技术结合于SBR反应器后，对主要污染物COD和氨氮的去处率大有提高［8］。

将兰州交通大学开发的AT-PVF结合型载体和进口高效菌应用于拉萨火车站污水处理设备，近两个月的对比试验结果表明，改进后的一组SBR池COD和氨氮的处理效果明显好于另一组未改造的SBR池(图9)。所以微生物固定化技术是保证设备低温运行中处理效果的有效途径。

图8 SBR和固定化SBR处理生活污水效果比较

图9 投加载体和高效菌对SBR池COD处理效果比较

4 结论

①格拉段污水处理站进水水质相差较大，COD、BOD5和氨氮分别在 8～964 mg/L、0～106.8 mg/L和0～316 mg/L的范围内。

②沿线小站每年内水质变化波动幅度大于最大的拉萨站，并在6～10月出现3～5倍的峰值;水中污染物含量2012－2013年要大于2007－2008年。

③MCR设备的混凝沉淀预处理单元设计合理;中段MBR单元要增设供气与生化处理时间调节措施;后段活性炭过滤的作用不大。

④固定化高效微生物SBR的运用，能够较好的解决出水水质氨氮浓度偏高的情况。

⑤针对青藏铁路沿线存在的实际污水水质水量偏低，特殊情况下污水量会剧增等问题，采用将连续进水改为间歇进水的运行方式、投加载体和使用高效菌等措施是比较有效的解决方式。

［1］李杰，孟昕，王亚娥，等．青藏铁路沿线污水处理现状及安全运营保障措施［J］．中国给水排水，2009，25(4):1 －5．

［2］李芙蓉，毛成银，董有．悬浮载体SBR工艺最佳运行工况研究［J］．安徽农业科学，2010，38(5):2755 －2757．

［3］李杰，王亚娥，王志盈．高效微生物在污水生化处理中的应用［J］．工业用水与废水，2006，37(5):28 －30．

［4］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法［M］．第4版．北京:中国环境科学出版社，2002．

［5］郑邦乾，张洁辉，吴中兴，等．固定微生物用聚合物多孔载体的研究［J］．高分子材料科学与工程，1995，11(3):112－116．

［6］兰淑澄．生物活性炭技术及在污水处理中的应用［J］．城市给排水，2002，28(12):1 －5．

［7］谢东海，韩奇，唐文浩．微生物固定化技术在污水处理中的应用［J］．环境与可持续发展，2006(4):48－50．

［8］李杰，王亚娥，王志盈．载体结合固定化SBR反应器处理生活污水的研究［J］．铁道劳动安全卫生与环保，2006，33(3):124－127．