某中原地区铁路机务段主要承担总计近400 km的货运及部分客运的牵引和段内40多条专用线的调车任务，同时担负着内燃机车中修、小修、辅修任务，年均用水量达50万m3以上。由于该机务段所处地区水资源极为匮乏，用水紧张制约了该段正常生产的组织开展；同时由于内燃机车废水污染严重，而原有废水处理站设备老化，难以正常运转，造成废水排放不能达标，外排水中石油类物质及COD超标，对当地环境造成较大危害。对此，决定对原有废水处理工程进行升级改造，使处理后废水得以回用，既解决了用水紧张的难题，又减少了废水排放带来的环境污染。
1 工程概况
铁路机务段废水主要包括：内燃机车洗车废水、油库降温废水、段内锅炉房冲渣及除尘器废水、职工澡堂废水、打风机降温冷却废水、清洗机车配件废水、冲洗地面及段区办公楼废水等，其水质：COD 111～273 mg/L，SS 86～139 mg/L，石油类27～126 mg/L，pH 6.9～7.6。经站内用排水统计分析，进入污水 站的水量为1 000 m3/d，考虑安全系数1.2，废水处理站的设计规模确定为50 m3/h。
处理后回用水拟主要用于油库降温、机车冲洗、锅炉房除尘、冲厕、浇洒绿地及人工湖补充用水等，需满足《铁路回用水水质标准》（TB/T 3007—2000）的要求。改造工程设计进出水水质如表 1所示。
表 1 设计进出水水质
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项目 |
COD |
SS |
石油类 |
pH |
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设计进水水质 |
≤250 |
≤150 |
≤130 |
6.5～9.0 |
|
设计出水水质 |
≤50 |
≤20 |
≤3 |
6.5～9.0 |
|
注：除 pH 外，其余项目单位均为 mg/L 。 | ||||
2 原有工艺分析
原废水处理工艺流程如图 1所示。
原废水处理设施是按照《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的二级排放标准（COD≤150 mg/L，石油类≤10 mg/L，SS≤150 mg/L）进行设计与建设的，运行几年后因设备老化，处理后的废水不能实现稳定达标排放。近年来，随着污染的加剧及周围居民环保意识的增强，废水排放需执行《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的一级排放标准（COD≤100 mg/L，石油类≤5 mg/L，SS≤70 mg/L）。为彻底实现废水达标排放并改善和缓解该段用水紧张问题，在最大限度利用原有废水处理设施的基础上，对废水处理工程进行升级改造。
3 改造工艺选择及主要构筑物设计
3.1 改造工艺选择
针对原污水处理设施存在的不足，为保证废水达标排放并满足中水回用水质要求，对原处理工艺进行改造。经多方案技术经济比较，结合原有处理设施，改造后的工艺流程如图 2所示。
3.2 主要构筑物设计
（1）格栅改造。原有格栅间隙太大，靠人工捞除悬浮物困难，现改为细格栅。选用机械格栅1台，GSHZ300-1500-10-600-75°，B=300 mm，H=1 500 mm，电机功率1.5 kW，栅宽0.6 m，栅条间隙10 mm，安装倾角75 °。
（2）调节池内新增油水自动分离装置。原调节池深达9 m，原有吸油装置吸油效果不好，需要人工清油，缺乏油水分离措施，吸上来的是油、水、泥混合物，而且油已乳化，很难分离。为改善除油效果，将调节池水位最大限度地提高（调整后水深为4 m），采用真空吸油，设置油、水、泥三相分离设施，设备型号JF-200，Q=50 m3/h，吸油量可达150 kg/h，彻底克服了池中浮油吸出困难，吸出后油已乳化不能自动分离的弊端，提高了油的回收率。
（3）新增生物接触氧化处理单元。因废水经原流程处理后，COD、BOD、含油量均达不到《铁路回用水水质标准》（TB/T 3007—2000）的要求，因此增加生物处理单元。该处理技术的实质是在曝气池内充填比表面积大的填料，为微生物的生长提供便利条件，便于世代时间较长的硝化菌群的附着生长，可以同时去除COD、BOD、N、P和油类物质。
生物接触氧化池尺寸为6 m×8.5 m×5 m，填料采用框架式组合弹性纤维填料，填料装填高度为 2.5 m。采用罗茨风机供氧，型号LSR80-80A，风量5.01 m3/min，N=5.5 kW，曝气装置采用穿孔管。
（4）新增过滤砂缸。因原设备过滤能力只有20 m3/h，新增加2台Q=30 m3/h的L1400过滤砂缸，使过滤单元处理能力满足50 m3/h。1台20 m3/h和2台30 m3/h的过滤装置可以按需要进行组合，且反冲洗时也可以保持最大处理能力。配套新增过滤泵，型号65DFWQ-160，Q=30 m3/h，H=26 m，N=5.5 kW。
（5）新增二氧化氯消毒设备。消毒装置型号 CPF-100XD1，二氧化氯发生量可达100 g/h，折合有效氯≥300 g/h，处理水消毒后，可满足铁道部规定的回用水细菌指标。
（6）新建清水池。新建清水池容积50 m3，钢筋混凝土结构，用于蓄存已达回用标准的水。
（7）新增变频调速供水装置。新增回用水供水装置，包括3台水泵（DFG65-200A/2/5.5，2用1备），变频恒压仪表电控装置（BHGC16/2-0.60）等，可在0.35 MPa下恒压供水。
（8）新增中水回用管网系统。根据需水点新建1套压力为0.35 MPa的中水供应管网系统。新建供水干管4条，分别为2条400 m的DN65管线，1条 1 000 m的DN65管线，1条1 500 m的DN80管线。DN25的中水回用支管，总长度5 000 m。
4 调试运行
设备安装完成后即进入调试阶段。按照单机试车、联合试车顺序对各单元进行调试，各单元机械设备和电气控制达到设计要求后进行系统调试。系统调试主要分为强化预除油调试、生化系统调试、深度处理单元调试。
4.1 强化预除油调试
预除油单元主要包含自动油水分离装置、斜板隔油池及气浮设备。自动油水分离装置可去除50%的浮油，且回收的一部分油可外售。斜板隔油池可进一步去除粒径＞80 μm的油珠，去除率可达40%。经隔油后的废水进入气浮池，通过投加破乳剂、混凝剂及助凝剂去除分散油和悬浮物〔2〕。调试结果表明，气浮设备在容器压力为0.35 MPa、回流量为30%、PAC投加量为60 mg/L、PAM投加量为3 mg/L时，出水水质较好，除油率稳定达到80%以上，SS去除率稳定达到60%以上，COD去除率达40%以上。油类物质经此3单元的处理，总去除率可达到94%。
4.2 生化系统调试
生物接触氧化池中的微生物采用接种培养与驯化。菌种采用城市污水处理厂的脱水污泥，投加量为生化池有效容积的20%。接种污泥后，先进行2 d的间歇式曝气培养，使微生物有一定的适应阶段，之后开始小水量进水，2～3 d提高一次进水流量，每次增加不超过20%，逐步培养驯化生物膜。此过程中控制生化池溶解氧为2～4 mg/L，并定时取水样监测废水中各污染物的去除情况以考察生物膜的生长情况。经过15 d左右的挂膜培养，废水中各污染物的去除基本稳定，填料表面出现了一层灰褐色黏性膜状物质，进行显微镜观察，发现生物膜中微生物丰富，且含有一定数量的钟虫、轮虫等，标志着填料表面生物膜逐渐成熟。二沉池出水较清澈，水质稳定达标，挂膜启动成功。驯化阶段结束，进入稳定运行阶段。
采用鼓风曝气方式充氧，气水比不易过大，可根据进水水质进行调节，一般采用（4～6）∶1。气水比过大，会有部分老化脱落的生物膜和固体颗粒被冲出生物接触氧化池而导致出水浊度升高；气水比过小，会造成溶解氧不足，导致生物接触氧化池中生物膜脱落、气泡直径变大、出水浑浊、处理效果劣化等。
4.3 深度处理单元调试
生化系统运行稳定后，其出水进入过滤单元进行深度处理。滤速为4 m/h，过滤周期24 h。反冲洗方式采用气水反冲洗，这种冲洗方式可以减小反冲洗用水量且冲洗效果优于常规水反冲洗。关闭进出水阀门，先用气进行冲洗，冲洗强度为10～12 L/（m2·s），时间3～5 min；之后采用水反冲洗，冲洗强度为8～10 L/（m2·s），时间8～10 min。
过滤处理后的水经消毒直接进入清水池，消毒剂采用二氧化氯，投加量为1.5～2 mg/L，折合氯投加量为4～5 mg/L。
4.4 运行效果
到目前为止，该工程运行已接近2 a，出水水质稳定。消毒处理后的出水SS ＜ 5 mg/L、COD ＜ 32 mg/L、石油类 ＜ 3 mg/L、浊度 ＜ 3 NTU、总大肠杆菌 ＜ 5 L-1，优于铁路回用水水质标准中的铁路景观用水水质标准，可分别回用于机车配件蒸煮和冲洗、绿化景观补水、冲洗厕所等。
5 环境、经济效益分析
5.1 环境效益分析
回用水量按季节存在一定差异，冬季因绿化、冷却及人工湖补充用水少回用水量较少，春、夏、秋季回用水量较大，以年为单位进行核算，年平均废水回用率＞50%。进入废水处理站的水量按1 000 t/d计，废水回用率按50%计，则改造前后的排污状况及污染物削减量如表 2所示。
| 项目 | 改造前 | 改造后 | 消减量/(t·a -1 ) | ||
| 质量浓度/(mg·L -1 ) | 总量/(mg·L -1 ) | 质量浓度/(mg·L -1 ) | 总量/(mg·L -1 ) | ||
| COD | 100 | 36.0 | 32 | 9.0 | 27 |
| 石油类 | 60 | 21.6 | 3 | 0.54 | 21.26 |
5.2 经济效益分析
经核算，与原污水处理工艺相比，改造后废水处理站运行功率增加32.8 kW，电费按平均0.6 元/（kW·h）计，则运行费用增加0.47元/m3，每年按360 d计，处理规模按1 000 m3/d计，则每年增加运行费16.92万元。而每立方新鲜水水价为2.8元，每年可利用回用水按18万m3（回用率50%，回用水量500 m3/d，1 a按360 d计算）计，每年可节约水费32.69万元，加上闭路回用减少排污费、超标费 15万元，每年可节约30.77万元。改造工程总投资为124万元，4 a即可收回全部投资，经济效益显著。
总之，该项目的建设不仅具有显著的环境效益和社会效益，而且有显著的经济效益。。
6 结论
针对原废水处理工艺设计标准低、处理设备老化、出水水质不达标等问题，结合中水回用的循环用水理念，对原处理工艺进行了改造。增加了除油单元以降低原废水中的油类物质；增加了生物接解氧化单元，利用微生物去除水中的有机污染物质；增加了过滤消毒单元，进一步去除废水中的悬浮物和微量有机物。经生化和消毒处理后，废水pH、COD、SS和油类等指标均达到了回用水标准。
进行处理工艺改造后，废水处理费用增加了16.92万元，但处理后废水达到铁路回用水水质标准，在回用水率达50%的情况下，每年可节省新鲜水用量18万m3，节约水费32.69万元，并可节省排污费15万元，合计每年可节约30.77万元。由于出水水质的提高，可减少向淮河排放COD 27 t/a，石油类21.06 t/a，经济效益和环境效益显著。
