铁路生活污水低温厌氧生物滤池设计

梁 政

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

铁路沿线的会让站、越行站、独立的工区、桥隧守护点、区间牵引变电所等单位绝大多数位于城镇市政排水设施覆盖之外，具有排放量小、水质污染浓度低等特点。针对这些特点，实际工程中多采用厌氧生物滤池（AF）对这些场所的生活污水进行处理，处理后的污水多用于绿化、农业灌溉等。

我国幅员辽阔，各地海拔高差、南北纬度相差很大，气象条件大不相同。在相对温暖、炎热的中部、南方地区，中小车站厌氧滤池一般运行比较稳定，出水水质能满足国家GB8978—1996《污水综合排放标准》中的Ⅱ级标准，具体指标如表1。

表1 厌氧滤池进、出水水质指标 单位：mg/L

在气候寒冷、气温长年偏低的东北、西北地区，系统收集到的污水水温普遍较低，冬季难以达到10 ℃以上。由于厌氧反应器对温度有很高的要求，在寒冷地区继续采用厌氧生物滤池处理后尾水不能达标排放。另外，东北、西北地区冬季严寒而漫长，普遍存在季节性冻土，一些地区冻土深度甚至超过3m，考虑到施工难度、系统维护及结构合理性，厌氧滤池不能埋设太深，难以避免受到冻土层的影响。

厌氧反应过程的影响因素主要包括内部因素和外在因素两类：基础因素（主要包括有机负荷、营养比、污泥浓度、混合接触状况等），外在因素（包括pH值、温度、毒性物质、氧化还原电位等［1］）。

1 厌氧反应的控制条件

1.1 水温

按照3种不同嗜温厌氧菌（5 ℃～20 ℃；20 ℃～42 ℃；42 ℃～75 ℃）工程上分为低温厌氧（15 ℃～20 ℃）、中温厌氧（30 ℃～35 ℃）、高温厌氧（50 ℃～55 ℃）3种。温度对厌氧反应尤为重要，当温度低于最优下限温度时，每下降1 ℃，效率下降11%。在上述范围，温度在1 ℃～3 ℃的微小波动，对厌氧反应影响不明显，但温度变化过大（急速变化），则会使污泥活力下降，产生酸积累等问题［3］。

温度对CODCr的去除率影响如图1，对厌氧微生物活性的影响如图2。

图1 温度去除率

图2 温度与厌氧生物活性

在低温（10 ℃以下）条件下采用厌氧反应器处理低浓度的铁路生活污水，出水难以达到Ⅱ级排放标准。如果继续采用优点众多的厌氧生物滤池工艺，需要认真研究。

1.2 污水水质指标

1.2.1 pH

厌氧水解酸化工艺，对pH要求范围较松，即产酸菌的pH应控制4～7范围内；产甲烷反应控制范围6.5～8.0，最佳范围为6.8～7.2。

1.2.2 营养物

厌氧反应池营养物比例为C∶N∶P=（350～500）∶5∶1。

1.2.3 氧化还原电位

水解阶段氧化还原电位为-100～+100mV，产甲烷阶段的最优氧化还原电位为-150～-400mV。

1.2.4 有毒有害物

抑制和影响厌氧反应的有害物主要有：无机物、有机化合物、生物异型化合物。

铁路中小车站排放的污水性质为生活污水，污水中不存在有毒有害物，其pH值、氧化还原电位、营养物一般符合厌氧反应的水质条件。

1.3 主要工艺参数

1.3.1 水力停留时间（HRT）

保持进水浓度不变，水力停留时间的变化不仅影响泥水在厌氧反应器中的接触时间，更影响到反应器有机负荷率的大小，随着HRT的降低，反应器的有机负荷率会大幅增加，从而影响运行效果。

1.3.2 污泥负荷（NS）

增加污泥负荷，初期CODCr去除率会暂时下降，但经过一段稳定运行后，正常温度下去除率会慢慢稳定，在一定运行状态下逐步提高污泥负荷，不会对反应器的运行造成不良影响。

2 低温条件

自然界中大部分甲烷是在低温环境下形成，随着嗜冷产甲烷微生物的分离 （最低生长温度-2 ℃～5 ℃）等一系列研究，已证明嗜冷消化的可行性。另一方面，生态学者认为各种低温生态系统中，甲烷的生成是由嗜冷产甲烷古菌群落与其他微生物群落的相互营养作用决定［2］。因此，通过添加特定低温水解菌群的菌株或者驯化的菌群，可为有机物厌氧降解及达标排放提供一个方向。

2.1 低温厌氧细菌的驯化

厌氧消化存在水解酸化和厌氧发酵产气两个生化阶段，考虑在这两个阶段驯化、优选出低温厌氧细菌和低温厌氧生物添加剂。

2.1.1 水解产酸阶段

水解性细菌生长代谢中产生的一系列酶类，如蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶和脂酶，这些酶是大分子有机化合物分解的主要催化剂，活性大小决定了厌氧发酵的速度［4］。通过分离和选择在低温条件下能大量分泌蛋白酶、淀粉酶和脂酶的细菌进行混合培养，并筛选在厌氧低温条件下能促进厌氧菌群生长代谢的细菌，如粪链球菌及其他一些有益细菌进行混合培养，这些细菌同纤维素分解菌共同组成了有益微生物菌群［3］。链球菌污泥颗粒（SEM）照片如图3。

2.1.2 厌氧发酵产气阶段

图3 链球菌

嗜冷产甲烷菌对于自然界的碳素循环具有非常重要的意义，近年来引起了国内外学者的广泛关注。利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程，可从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈，进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本。产甲烷菌污泥颗粒（SEM）照片如图4。

图4 产甲烷菌

实际工程中，在北方寒冷地区沼泽地采集底泥，底泥内栖息着大量天然的低温甲烷菌。采用培养甲烷菌用的BalchM培养基，并用丙酸钾代替乙酸钠和甲酸钠，用丙酸钾及猪粪水作底物。在温度10 ℃条件下驯化培养1年，然后再以纤维素（滤纸粉末）为基质在室温下培养2个月后作菌种使用［5］。就低温驯化菌群而言，可以解决部分不可培养细菌（特别是产甲烷菌）的问题，但驯化周期较长、微生物互生关系复杂，对不同底物及温度变化的适应性有限。

经过长时间低温条件培养，可以筛选出嗜冷菌群或者使普通的中温菌群产生低温适应性。但是，这个菌群对温度上升非常敏感，容易失去低温下保持的平衡，并且让嗜中温或高温菌群迅速占据生长优势，低温适应性也随之减弱。因此气温变化从中温转入低温厌氧时，额外添加冷适应菌群加快菌群调整是十分必要的［6］。

系统启动中投入嗜冷产甲烷菌等生物菌种后，在10 ℃，污泥负荷2kgCOD/（m3·d），厌氧滤池装置对铁路生活污水CODCr，TOC，SS的去除率如图5～图6。

图5 CODCr去除率

图6 TOC、SS去除率

2.2 采用厌氧附着膜与厌氧颗粒污泥组合系统

厌氧颗粒污泥系统（如UASB），使微生物天然固化，进而提高了系统内微生物对污水的处理效能并增强了系统的稳定性。

厌氧滤池（AF）对半速度常数低时能生长的甲烷菌有选择性，可降低出水VFA。对颗粒污泥的沉降性能也有很好的选择性，可以增加反应器容纳的生物量，延长SRT。

通过和其他反应器比较可发现，厌氧附着膜系统与厌氧颗粒污泥系统的结合（UBF）能够充分发挥不同反应器的运行优势，有效提升单个反应器对污水中COD等的去除效率，有助于保障低温条件下生活污水中污染物的高效去除［7］。

2.3 改善工艺技术参数

2.3.1 水力停留时间HRT

低温环境下，水力停留时间8h，厌氧生物滤池的CODCr去除率可以达到54%，停留时间14h，CODCr去除率可以达到63%，但当水力停留时间从14h增加到16h，去除率提高不明显。因此，从工程经济性出发，合理的HRT应控制在14h以下。

2.3.2 污泥负荷NS

系统运行成功的关键是使反应器中微生物合成的生物量大于流失的生物量。低温条件下污泥沉降性降低，即使加大容积负荷，提高HRT，污泥负荷也无法达到设计条件，而且投资急剧升高。因此，低温条件下厌氧生物滤池（AF）采用的污泥负荷一般为1.5～3kgCOD/（m3·d）。

3 结语

北方寒冷地区低温环境下仅靠调节HRT、NS等设计参数，厌氧生物滤池既不经济也不能达标排放。通过在系统中接种、投加优选出的嗜冷厌氧细菌，在低温条件下也可采用较低的污泥负荷，当温度从20 ℃降低到10 ℃以下时，温度降低所产生的冲击可以考虑由嗜冷生物量的比例增大来补偿，具有十分重要的工程意义。

通过优选出嗜冷厌氧细菌及改进工程措施后，厌氧生物滤池在启动40d后CODCr去除率就能够稳定在60%以上，SS去除率也能达到40%，表明在低温条件下处理铁路低浓度生活污水达到Ⅱ级排放标准是可行的。

［1］赵庆良，高畅，魏亮亮，等.城镇生活污水的低温厌氧生物处理技术研究与应用进展［J］.环境保护科学，2014（5）：12-18.

［2］李香真.低温沼气发酵技术研究［R］.成都：中国科学院成都生物研究所，1997.

［3］曾胤新，俞勇，陈波，等.低温纤维素酶产生菌的筛选、鉴定、生长特性及酶学性质［J］.高技术通讯，2005（4）：60-64.

［4］胡梅芬，李小明，曾光明，等.中低温厌氧处理城市污水污泥颗粒化的研究［J］.环境污染治理技术与设备，2005（10）.

［5］谭铁鹏.废水的低温厌氧及低温固化技术［J］.新疆环境保护，1994（6）：60-64.

［6］左剑恶，邢薇.嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用［J］.应用生态学报，2007（9）：2127-2132.

［7］江瀚，王凯军，倪文，等.厌氧生物水处理技术研究进展［J］.中国沼气，2004（4）：18-21.