高铁动车段集便器污水处理调研及优化脱氮分析

李泽莹，班玮璘，王 锦，段建国，龙步斌，田立红

（1. 北京交通大学 土建学院市政与环境工程系，北京 100044；2. 中国铁路武汉局集团有限公司 计划统计部，湖北 武汉 430071）

1 概述

“十三五”作为铁路发展的关键时期，运营里程从原来的12万km增至15万km[1]，其中高铁所占比例逐渐攀升。随着2015年《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)[2]的颁布，氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)排放明确了限制性浓度，即NH4+-N为45 mg/L、TN 为70 mg/L，污水处理问题面临更加严峻的挑战。部分处理设施较为老旧的站段出水无法满足日益严格的排放标准，需进行更为高效的脱氮处理。

高铁动车段污水主要包括生产过程中的含油废水、一般生活污水及列车运行过程中收集产生的集便器污水。由于列车集便器污水采用真空集便器系统收集，将沿线直排的流动污染源转变为集中处理排放的方式，较常规的污水而言具有高有机物(COD)、高悬浮固体浓度(SS)、高氨氮、高磷、低碳比等“四高一低”的特点[3]，是高铁动车段污水中NH4+-N和TN含量高于《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)的重要原因之一。为了解高铁动车段集便器污水的状况，对某铁路局集团公司所属不同站段开展现场调研和理论计算分析，针对集便器污水的水质水量、处理工艺、运行效果及经济适用性进行研究。

集便器污水量作为一项关键的数据信息，会直接影响铁路站段污水处理设施的设计和改造。通过前期调研发现，由于列车运行时长、旅客大小便频次及昼夜运行等因素，不同高铁动车段集便器污水量存在较大差异，如在高铁动车段污水总量大致相同的情况下，A 动车段的集便器污水量约为340 m³/d，B 动车段的集便器污水量约为220 m³/d。同样，根据列车运行差异，集便器污水的水质会出现一定范围内的波动(见表1)。因此，污水量应根据列车编组、定员和集便器容积等因素综合考虑计算，即集便器污水产生量=厕所使用频次×(冲洗用水量+使用过程中产生的污水量)，其中集便器冲洗用水量为0.25～0.5 L，一般取0.45 L，每人次使用厕所后产生的污水量约为0.25 L[4]。

表1 集便器污水水质情况[3] mg/L

由表1 可知，高铁动车段集便器污水中NH4+-N、TN、COD及SS的含量高，污染物未经去除无法直接排入城市污水管网，需进一步处理以满足污水排放要求。

2 污水处理工艺分析

2.1 常见污水处理工艺

目前我国常见的集便器污水处理工艺如表2所示。

由表2 可知，列车集便器污水经简单的厌氧池、化粪池处理后能够去除大部分的COD，但NH4+-N、TN 的含量仍高于GB/T 31962—2015 的要求。混凝沉淀、A/O工艺、氧化沟曝气等生物处理对集便器污水的处理效果有待提高，污染物去除率较低，虽然部分站段的NH4+-N 经处理后小于45 mg/L，满足下水道排放标准，但TN仍高于下水道排放标准70 mg/L的限值要求。SBR工艺虽具有良好的污水处理效果，但工艺的运行精度要求较高。

表2 集便器污水处理工艺比较[5]

上述情况表明，在无外加碳源的情况下，采用传统生物处理工艺处理低碳比的高铁动车段集便器污水的脱氮效果不佳，需选择更为高效的生物脱氮工艺以去除集便器污水中的污染物。

2.2 高效生物脱氮工艺

传统的生物脱氮是在好氧条件下硝化菌将NH4+-N转化为NO3-或NO2

-，之后在缺氧及可利用碳源的条件下，反硝化菌将NO3-或NO2

-还原成氮气(N2)从水中去除的过程，如图1 所示。虽然传统硝化反硝化工艺技术成熟、应用范围广，但高铁动车段集便器污水中较低的COD 浓度无法确保反硝化过程的良好运行，导致系统的整体脱氮效能较差，并且反应过程中产生的污泥会提高运行及处理费用。因此，在传统硝化反硝化工艺的基础上出现了更为经济高效的短程硝化反硝化反应。

图1 传统及短程硝化反硝化脱氮原理

短程硝化反硝化是将传统的硝化反应控制在生成NO2

--N阶段，阻止NO2

--N进一步氧化生成NO3--N，以NO2-作为最终电子受体进行反硝化，通过NH4+-N→NO2--N→N2的方式完成整个系统的生物脱氮过程(具体反应原理见图1)。与传统的生物脱氮工艺相比，短程硝化反硝化可减少25%的曝气量和40%的碳源，降低运行成本[6]。同时，短程硝化反硝化显著降低了污泥产量，减小了反应器体积[7]。

近年来，厌氧氨氧化反应以其优秀的处理性能引发了高氮废水生物脱氮领域的探究热点。厌氧氨氧化反应指厌氧氨氧化菌在厌氧的环境条件下，以NH4+-N

为电子供体，NO3-或NO2

-为电子受体，将NH4+-N转化成N2，达到脱氮效果的过程[8]。具体反应方程式如公式（1）所示，反应原理如图2所示。

图2 厌氧氨氧化脱氮原理

相较于传统的硝化反硝化反应，厌氧氨氧化反应在确保脱氮性能的同时无需碳源，污泥产率低，可降低50%的曝气量[9-10]，但厌氧氨氧化菌对温度的要求较高，适宜温度为25～30℃。

在碳源充足的情况下，A/O等传统生物脱氮工艺、短程硝化反硝化工艺的TN 去除效率均可达到85%以上[11-12]，在温度适宜的条件下，厌氧氨氧化的TN去除效率也可达85%以上[13]。因此，需结合碳源消耗、加热能耗等因素对3 种不同工艺进行综合对比分析，确定出最为经济可靠的脱氮方式。

3 不同脱氮工艺的经济性分析

以某动车段为例进行分析，该动车段每日产生集便器污水约400 m3，具体水质情况：NH4+-N为760～800 mg/L，TN 为1 200～1500 mg/L，COD 为800～1 200 mg/L，以《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)中NH4

+-N 45 mg/L、TN 70 mg/L 的排放限值为处理目标，估算高效生物脱氮工艺和传统生物脱氮工艺的占地面积、能耗、运行成本等，结果如表3所示。

表3 高效生物脱氮工艺与传统生物脱氮工艺经济性比较

从表3 可知，短程硝化反硝化和厌氧氨氧化的总运行成本相较于传统硝化反硝化工艺可分别节约40%和15%。短程硝化反硝化、厌氧氨氧化的污泥产量低，以干污泥处理价格400 元/t 测算，短程硝化反硝化可节约60%的污泥处置费用，而厌氧氨氧化污泥可作为种泥资源化利用，无需相应费用。厌氧氨氧化工艺不产生药耗，短程硝化反硝化可节约40%的药耗，均优于传统硝化反硝化工艺。同时，厌氧氨氧化和短程硝化反硝化工艺可实现自动化控制，在运行维护及检修方面更为方便，但厌氧氨氧化菌的倍增时间长，所需环境控制条件较为严格，应根据具体情况结合各因素综合比选。

4 结论

随着铁路行业的高速发展及愈发严格的污染物排放标准，传统硝化反硝化生物工艺处理高铁动车段集便污水在无外加碳源的情况下脱氮效果不佳，如果外加碳源会增加运行成本，需寻找更为高效的脱氮工艺，以在满足处理效果的同时降低成本消耗。短程硝化反硝化及厌氧氨氧化工艺较传统生物脱氮工艺而言，污泥产量低、能耗小、可降低运行成本，具有更好的处理效果及经济效益，是集便污水处理工艺的可行选择。