张士超，李思媛，孙 铭，薛 强，李东力，牛宇锟，杨 俊

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081；
2. 中国铁路北京局集团有限公司 计划统计部，北京 100860；
3. 中国铁路北京局集团有限公司 北京动车段，北京 102600）

近年来，我国铁路建设快速发展，现有铁路站段已经超过5 000 个，中小车站占比较大。这些中小车站多数所处地区市政排水管网覆盖滞后，污水处理规模一般较小且处理不稳定，缺乏有效的运行机制、自动化程度低，给污水处理全面达标和水资源再利用带来了挑战[1]。随着国家和地方污水排放标准的不断提升，对铁路站段污水排放要求也愈加严格，应在降解有机物的同时满足脱氮除磷的要求[2]，现有污水处理工艺的强化和升级改造迫在眉睫。

铁路站段生活污水若得不到有效处理就直接排放，会对站点周围的环境和居民健康产生影响。因此，深入探讨和研究铁路站段分散式污水处理技术，使其因地制宜且有效运行，是解决铁路站段生活污水资源化技术的有效途径。本文从分析铁路站段生活污水资源化技术的特点出发，综述了目前铁路行业、国内外污水资源化新技术的适用范围和优缺点，探讨了适宜铁路站段分散式生活污水资源化的技术模式，旨在为后续的推广应用提供理论支持。

通过调研发现，铁路由于生产运输过程的特殊性，铁路站段生活污水主要有以下特点：铁路站段点多线长，污染源分散；
污水量小，一般为10～2 000 m3/d，在中午和下午各有1 个峰值，晚上污水量较小[3]；
铁路各站点排水量不均匀，主要受站区工作人员数量和车站规模影响；
水量日变化量不大，相对稳定，但当春运、节假日客流量增加时，铁路站段生活污水排放量会受到一定影响[4-5]。

铁路站段生活污水水质日变化幅度不大，因主要来源于站段内生活洗涤污水及冲厕用水等，其排放成分相对简单，主要包含有机物质、氮磷等营养物质、病毒及悬浮物。同时，具有低碳氮比、氨氮含量相对较高的特点[6]。一般市政生活污水的碳氮比大于4，而铁路中小站段生活污水COD 一般为50～250 mg/L，碳氮比一般小于3，属于低碳氮比废水[6-8]。铁路站段生活污水氨氮浓度相对较高，一般为10～50 mg/L，有的甚至达到了250 mg/L，如洪飞宇等[6]测定某站生活污水中氨氮的浓度在80～100 mg/L，王睿彤[8]测定6 个站区生活污水氨氮浓度范围为2.71～253 mg/L。

我国铁路站段生活污水具有水量小、变化系数大、专业运行人员不足等特点，处理工艺多选择厌氧-缺氧-好氧法(Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O)、间歇式活性污泥处理(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)、膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)、人工湿地等常规生物处理工艺[9]，污水处理后回用比例低。

2.1 铁路站段生活污水处理工艺

2.1.1 AO/A2O工艺

针对脱氮除磷深度处理的工艺AO 或A2O，是典型的生物除磷脱氮污水处理工艺。A2O 同步脱氮除磷工艺，又称为厌氧-缺氧-好氧法，是一种传统的硝化反硝化工艺，应用较为广泛。A2O工艺主要是在厌氧、缺氧、好氧3 种状态下以不同性质微生物种群之间的相互协作达到同时去除有机物、脱氮、除磷的目的，污泥沉降性能好，污染物去除效率高，有较高的耐冲击负荷，污泥中含磷较高，其工艺流程较简单，但水力停留时间长且内回流污泥量较大，硝化反硝化过程中需要消耗大量的碳源[10]，运行费用较高。在铁路站段污水处理的实际应用中，因碳源投加量、设备运转等问题，该工艺运行故障率较高，未能达到预期的设计效果及环保效益。

2.1.2 SBR工艺

SBR工艺流程简单，不需单独设置二沉池和污泥回流装置，反应池集进水、反应、沉淀、排水、闲置功能于一体，通过调节运行周期及曝气时间，使反应器中有好氧段和缺氧段，为生物脱氮提供适宜的环境条件。SBR工艺占地面积小，反应池间歇运行，沉降性能好，有效减少污泥膨胀，抑制丝状菌生长。

SBR 反应器通过可编程序控制器(PLC)控制污水泵、电动阀门、鼓风机、滗水器等机械部件的启动或关停，因而该工艺对于机电设备的要求和依赖性较高[11]，这也是SBR在中小站区污水处理运转效果不佳的主要原因。同时，SBR工艺适用于中水量的污水处理，污水量过小，不利于其运转周期的设置及兼性微生物的生息与繁殖，从而影响污水处理的效果。

2.1.3 MBR工艺

MBR是将传统活性污泥法与膜分离技术结合的一种处理技术，通过将曝气池与二沉池合二为一，使工艺流程简单、结构紧凑。一方面，MBR工艺利用膜组件的截留作用保持了高污泥浓度和硝化菌数量，从而保证了生物降解的稳定性，提高了系统的抗冲击能力，对COD和氨氮的去除率较高且稳定；
另一方面，可高效进行固液分离，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现污水资源化[12]。

MBR工艺因其抗冲击负荷能力强及出水水质效果好的优势，被逐渐应用于铁路站段生活污水深度处理工程中，不同站段可因地制宜选择不同的膜生物组合工艺，以达到理想的处理效果。李占文等[13]将MBR工艺应用于朔黄铁路原平南站污水处理厂工艺改造，运行结果显示该工艺出水可达到《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GB/T 18920—2002)，作为公司内绿地灌溉、冲厕及景观用水，但膜污染是限制MBR应用的最主要问题之一，这一情况在污水处理系统中长期存在会降低膜的水通量，因而需进行频繁的化学清洗，不利于膜寿命的保持[14]，同时铁路站段因专业人员配备不足，对膜日常维护较少，影响了其在铁路站段生活污水处理的效果。

2.1.4 人工湿地

人工湿地是为了污水处理而模拟和强化“自然湿地”所建造的一个自然系统，分为水平潜流型人工湿地、表面流型人工湿地、垂直流型人工湿地和组合式人工湿地等。人工湿地通过湿地植物、湿地填料、微生物间的协同处理，将有机物、氮、磷等污染物吸收和降解，通过定期收割植物以达到净化污水氮磷的作用。人工湿地工艺简单、运行维护方便，但其占地面积大、处理负荷低、易堵塞等缺点影响了其发展[15]。

2.2 存在的主要问题

我国铁路废水资源化再生利用起步较晚，以往铁路站段污水部分经处理后排放。近年来，随着《水污染防治行动计划》(以下简称“水十条”)的发布，国家对污水排放要求提高，铁路站段的废水资源化再生利用得到了快速发展。综合文献及实际现场调研发现，铁路站段污水处理及资源化设备存在以下共性问题：铁路站段较为分散，污水不易收集；
铁路站段污水处理站建设时期较早，污水处理设施自控设施等配置较落后，主要以人工控制为主；
铁路站段污水资源化设计及其资源化处理工艺设计缺乏针对性；
铁路站段低碳氮比污水导致工艺深度脱氮除磷困难。

这些问题的存在将对铁路行业水资源的可持续发展产生不利影响。因此，选择铁路站段生活污水处理工艺、处理设施时，首先应考虑站段内生活污水水质、水量特点及排放情况，确保出水水质稳定达标的同时，能耗低、易管理维护；
同时，铁路站段生活污水处理需遵循节能化、生态化、景观化原则，以实现污水回用。

目前，铁路站段生活污水进行资源化利用需执行《铁路回用水水质标准》(Q/CR 50—2014)、《城市污水再生利用 城市杂用水水质标准》(GB/T 18920—2020)或《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级A标准。因此，选择合适的工艺实现污水资源化利用至关重要。

3.1 新型污水资源化技术

3.1.1 短程硝化反硝化技术

短程硝化反硝化技术处在当前生物脱氮技术的最前沿，目前研究的核心内容为如何实现亚氮的积累，以及通过低溶解氧、高氨氮、pH和温度等的实时控制来实现良好的亚硝化效果，但目前该工艺主要应用于实验室内研究[17-19]，后续需要继续深入研发较强适应性的短程硝化反硝化的污水处理工艺，以实现污水生物脱氮技术的更大进步。

3.1.2 厌氧氨氧化技术

近年来，厌氧氨氧化技术作为新型生物脱氮工艺逐步得到应用。厌氧氨氧化工艺是指在缺氧条件下，以厌氧氨氧化菌为代表的微生物直接以NO2--N为电子受体，将NH4+-N氧化为N2的生物脱氮工艺[20]，其反应式如下。

厌氧氨氧化工艺为生物法处理低碳氮比(C/N)的废水提供了一条优选途径。与传统脱氮工艺相比，该工艺仅需将部分氨氮转化为亚硝氮，节约了剩余氨氮的进一步氧化需氧量及从亚硝氮转化为硝氮的深度氧化需氧量，从而节省了大量曝气产生的电耗。其次，该反应以HCO3-为碳源，无需额外的投加有机碳源，对于低碳氮比废水，可大幅度降低脱氮成本。此外，脱氮反应不涉及异养反硝化菌，可显著降低污泥产量。但是，厌氧氨氧化菌较长的世代周期、较低的细胞产率、严格的环境要求导致厌氧氨氧化工艺启动时间长，稳定运行困难[21]，严重影响了该工艺在小水量工程中的应用。

3.1.3 同步硝化反硝化技术

同步硝化反硝化技术——膜曝气生物法反应器(Membrane Aeration Bioreactor，MABR)研究起源于20世纪70年代末，因其独特的优势已成为膜生物反应器研究领域的一大热点。该技术是一种基于自由扩散原理的膜曝气技术，氧气以分子的形式通过膜的空气侧渗透至膜的污水侧，膜表面形成高溶解氧浓度区域，好氧微生物在膜壁上繁殖并对污水进行处理。因曝气过程为氧分子的自由扩散过程，不再需要克服反应池内水位高度的阻力，显著降低曝气能耗。同时，MABR膜表面是微生物易附着材质制成，膜也是微生物的生长载体，兼具生物膜处理技术的各种优点。MABR模块可实现同步硝化反硝化反应，氧气透过膜进入水体，距离膜较近的区域氧含量较高，好氧生物膜在此生长，NH3-N在此处被去除，反应生成NO3-N。在非膜表面的区域，低氧含量和充足的BOD 创造良好的缺氧环境，NO3-N在此处进行反硝化反应生成N2排入大气。

3.2 污水资源化利用技术比较及适用性分析

3.2.1 技术比较

总结上述几种处理工艺的原理和特点，进行工艺比较如表1所示。

表1 污水深度处理工艺比较

铁路站段生活污水处理工艺的选择应根据运行难易度、运行成本、建设成本综合考虑。考虑目前铁路系统污水处理运行管理、专业人才等现实条件，目前在工艺路线选择时，工艺运行难度低应作为重要考虑因素。

3.2.2 适用性分析

根据上述比较，从工艺运行效果角度，传统的A2O、SBR 等工艺难以满足污水深度脱氮除磷要求，人工湿地受温度影响大，运行效果不稳定。从运行管理难度角度，短程硝化反硝化及厌氧氨氧化工艺运行难度最大，同时厌氧氨氧化菌对进水C/N、环境温度要求严格，须由专业化团队运维。MBR工艺具有出水悬浮物低、无二沉池等优点，但运行过程曝气及抽吸泵能耗大，膜组件的维护对运行管理水平要求较高。MABR工艺运维简单，无需对膜组件进行清洗，无需内回流，运行费用低。从建设成本角度，MABR和短程硝化-厌氧氨氧化工艺建设费用较高。

因此，针对铁路行业污水处理特点和既有处理技术存在的不足，MABR工艺特点具有以下适用性。一是曝气能耗是污水处理的主要能耗，MABR工艺无泡膜曝气方式较传统曝气方式显著降低了曝气能耗、电耗，对于铁路行业节能降耗具有重要意义；
二是MABR 工艺在同一反应器内进行同步硝化反硝化作用，可以充分利用原进水的有机物，协同短程硝化反硝化从而节省碳源投加，对于铁路站段生活污水低C/N将可节省运行费用；
三是MABR工艺无需内回流及膜材料的反冲洗，运行管理简单，符合铁路行业专业运行人员不足的现状。综上，以MABR技术为核心的处理方案，运行维护简单、运行成本低等适用于铁路站段生活污水深度处理和资源化利用。

与传统的污水处理工艺相比，MABR技术因其独特的曝气方式和传氧机制具有处理效率高、总能耗低、抗负荷冲击能力强、无需频繁维护等特点，可实现工艺的全自动化控制，同时降低运营成本。MABR技术可应用于铁路站段生活污水深度处理及资源化回用工程中，实现站段内水的循环利用，降低站段内新鲜水资源的使用量，同时解决偏远地区污水无去向的问题，实现环保效益与经济效益的统一，建立针对铁路站段生活污水资源化利用的新型处理模式，具有广阔的应用前景。

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