导读

截止到2022年，我国铁路交通营业里程达15.5万公里，其中高铁4.2万公里，稳居世界第一，运行体量巨大。与之相对的，高速铁路站段低效的污水处理方法降低了高铁的发车频次和运营效率，减缓了高铁的绿色发展，影响了高铁“走出去”的战略方针。铁路站段废水排放产生的生态环境影响及碳排放不可忽视。目前存在的主要问题包括：污水处理流程复杂且难达标；排污量大且处理成本高；污水潜在资源难回收。针对以上问题，本研究基于物联网高新技术开发出高铁污水原位处理并回收资源的一体化智能测控处理系统，以改良传统集便器的缺陷，提高列车污水处理质量和效率，助力高铁碳减排，实现铁路的减污降碳协同增效，助力低碳运输，建设绿色高铁。

01 高铁污水处理现状

目前，我国铁路交通中高铁运行体量巨大，2021年旅客发送量达到26.12亿，将产生563万吨集便器污水，粪污处理量大，需求量增多。本年预计完成旅客发送量26.9亿人次，将产生580万吨集便器污水。

在碳排放方面，任南琪等^[1]的研究中，某铁路局的数据显示，在铁路运营期间，机务段所占碳排放最高，达74.01%，而在机务段中，电力、热源、新鲜水碳排放为前三大碳排放来源。

高铁集便器污水处理量大，且同时具有高有机物（COD）、高悬浮物（SS）、高氨氮、高磷、低碳比等“四高一低”的特点，同生活污水一起处理，使整体回收处理难度和能耗增加^[2,3]。

图1 中国2020-2060年道路交通碳排放预测

(图源：中国知网)

随着我国高铁行业的发展，客流量逐年增大，需要频繁进行卸污处理，导致人、物流通速率下降，高铁运营效率下降，同时会增加铁路沿途污染，造成资源浪费。我国仍在使用德国2018年的污水处理设备技术，而日本高铁现已实现7分钟高效清洁。与国外技术相比，我国高铁污水处理工艺均是车下处理为主，依靠人工，时间长达1~1.5小时，且后续处理工艺流程较为复杂，处理设施较多，故在实际运行时缺乏稳定性。

在处理过程中，尿液中大量可资源化矿物质被浪费，例如磷含量为60~250mg/L，其资源化利用，尤其是磷回收对我国水体富营养化控制和磷资源储备具有重大战略意义。

综上，高铁列车污水处理主要存在着两方面的问题，一是车上集便器污水体量大、难处理，二是车下处理工艺碳排高、效率低、自动化程度低、资源浪费。为此，本研究开发了基于物联网智能管控的高速铁路列车近零排放智能废液循环系统以解决上述问题。

02 智能高铁固-液废物资源化碳减排

协同体系

智能高铁固-液废物资源化装置体积约1立方米，经实验检验能够适应各类海拔不同的区域，因此适用于高铁、轮船这类需要集中、高效处理的交通场景。本研究成果可对高铁废物进行资源化，实现废液资源回收以及处理过程的减污降碳。

基于粪尿源分离装置，进行粪尿分离，实现粪尿资源化、近零排放的处理新模式。如图2所示，对于尿液，通过生物炭吸附、膜蒸馏装置，得到净化水；针对粪便，通过粪便低温干化造粒，得到有机肥或沼气发电底质。净化水经过紫外线循环消毒后用于厕所回冲和清洁。生物炭的碳汇作用和不产生温室气体的膜蒸馏装置结合，能有效减少碳排放，助力列车碳减排。

图2 智能高铁固-液废物资源化装置流程图

（图源：百度）

一、源分离技术

采用粪尿源分离装置将粪尿分离，避免交叉污染。排放的固液混合物由于重力作用流到源分离装置中，经过过滤网流向下方的液体收集装置再流向液体处理装置，过滤网上固体部分会在自动推板的作用下被推向固体暂留装置中。

粪尿原位源分离技术对高铁上的排泄物进行粪尿源分离，降低了污水处理成本，优化了现有动车组水箱结构。对8节编组的动车来说，改造后可以减少单个水箱容量160~170L，总体可减负约1吨，节省动车空间，减少了43%~47%的用水量耗费，极大地优化了现有高铁动车组污物储存方式，助力动车运行整体碳减排。

源分离技术不仅可以有效地实现资源回收，为后续处理提供条件，而且可以很大程度上消除在污水末端处理过程中，靠自来水稀释、输送、处理污染物，浪费大量水资源的弊端^[4]。

二、粪便低温干化造粒

建立粪便低温干化技术对粪便进行收集，分离后的粪便进入干化仓，经过管道落到加热板上，控制系统启动加热板并对粪便低温（70℃）加热干化。干化后的物料进入收集仓，定期取出利用，造粒形成生物质燃料。粪便中的液体蒸发为气体，在冷凝室中再次凝结并收集，排入尿液缓冲箱，参与尿液处理并循环利用。

若用作肥料，粪便中含有大量氮、磷、钾等元素，可作为优良有机肥作用于农业生产当中。籍春蕾等^[5]的研究显示若用有机肥替代化肥，全球环境酸化潜力、变暖潜力和富营养化潜力将分别下降62.6%、17.5%和52.9%。

若用作厌氧发酵基质，粪污进行处理后可形成沼气、沼渣、沼液等，可用作燃料、肥料等^[6]，协助电力资源绿色化、低碳化。

本装置程序操作简单，能够实现粪便减量化处理，减轻高铁空间占用，回收水资源与氮磷资源，推动污物中的资源循环化，降低末端治理成本，贯彻落实低碳理念。

三、新型生物活性炭吸附

一般情况下，超过60%的进入人或动物体内的抗生素会通过粪便和尿液被排放到环境中^[7]，大量的抗生素进入环境中可能会诱导耐药致病菌或条件致病菌菌株的生成，将成为严重的潜在威胁^[8]。

目前常用于去除水体中抗生素的方法主要包括吸附、光化学降解、微生物降解等，存在成本高、稳定性差、工艺复杂等问题^[9]。而本系统将分离后的尿液与干化产水泵入生物炭吸附装置去除抗生素、重金属等污染物，其使用的铁碳复合生物炭成本低廉，工艺简单且能耗低。

四、膜蒸馏装置

经生物炭处理过的液体流入本装置中，加热系统对液体加热后产生水蒸气，使用负压真空泵将水蒸气透过疏水膜负压泵入冷凝系统进行冷却，产生冷凝水。

以CRH380B型动车为例，在高铁运行时水通量保持在约31.5L/(m2·h)，1小时后，回用水即可进行厕所的回冲。根据表1的数据显示，总回用水量可达87.3%。

本研究采用的膜为中空纤维膜，由于源分离之后悬浮物固体较少，预计仅需半年更换一次。浓缩尿液中的氮、磷的回收效率分别可达到93%、95%，作为肥料返还于农田和菜地，转换成的液态肥料将代替20-25%的商业化肥，节省高达30%的能源消耗。

蒸馏过程中产生的浓缩液排入粪便干化装置，与粪便一同干化造粒，产出富含氮、磷的固态肥；产生的冷凝水进入消毒系统经过紫外消毒后原位冲厕或作他用，从而真正达到减污降碳协同增效，实现尿液无害化、资源化。

表1 跨膜时物质通量数据表

（表源：中国知网）

图3 固-液废物资源化体系中核心装置剖面图及原理图

（图源：中国知网）

03 高铁污水处理现状

基于智能管理、疫情防控等角度，开发如厕小程序与监测平台，配合高铁乘务人员使用，方便快捷，降低管理的人力物力成本，整体智能监测，节省高铁运营成本，助力低碳运输。

一、小程序

通过小程序，让开关门、冲水按钮等操作均可智能操控，实现如厕零接触，最大程度减小致病菌传播风险。设置可调节的冲水量，由乘客自主控制，节约水资源，降低碳排放。

二、监测平台

监测平台设置全自动检测系统，操作简单。当出现问题时，通过平台显示问题并自动分析处理。除维修及换料，装置其他部分均无需人工，降低人力消耗，节省铁路运输人力成本。

三、监测系统展示

智能高铁数据监控管理系统，相关技术已申请软件著作权。系统内可以对废液生态的基本情况进行信息采集，之后进行水处理，集中监测废液生态并随时反馈和处理监测的数据信息，方便高铁乘务人员操作和管理数据信息，实时监控污水处理情况，提升高铁管理效率。

图4 数据监测体系效果图

（图源：中国知网）

04 应用前景与展望

铁路交通的绿色发展、技术革新将在交通行业“双碳”目标的实现中扮演重要角色。本研究成果不仅可解决高铁上污物多、卸污难、污水处理不达标的问题，降低人力成本和高铁运营成本，提升高铁运行效率和经济效益，而且可以使污水废物得到原位处理，使其资源化、节能化，实现减污降碳协同增效，助力低碳交通，打造绿色高铁。

高铁作为重要的交通方式，未来我国高铁客运量巨大，高铁集便器治污需求极其旺盛，市场容量巨大。本研究成果未来可向更多类似于高铁场景或行业拓展，比如船舶、长途汽车等空间狭小、污水量大、处理困难的无下水道场景；助力“一带一路”建设，推动面向国际班列运输系统的废液处理体系智慧转型，实现全线低碳运输，打造低碳中国高铁品牌，提升国际市场占有率；助力我国污水处理、绿色环保领域发展，为我国生态环境建设、可持续发展贡献力量。

参考文献

[1] 任南琪,许志成,鲁垠涛等.铁路运营期碳排放特征及减排路径思考[J].铁道标准设计,2022,66(07):1-6.DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202206160001.

[2] 果志伟. 尿液中氮磷去除的试验研究. 北京交通大学, 2016.

[3] 曾俊钦, 邱春生, 孙力平,等. 磷酸铵镁沉淀法对尿液中磷的回收影响因素研究[J]. 水处理技术, 2015, 41(12): 68-72+76.

[4] 郝晓地,衣兰凯,仇付国.源分离技术的国内外研发进展及应用现状[J].中国给水排水,2010,26(12):1-7.DOI:10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2010.12.001.

[5] 籍春蕾,丁美,王彬鑫,王春梅,赵言文.基于生命周期分析方法的化肥与有机肥对比评价[J].土壤通报,2012,43(02):412-417.DOI:10.19336/j.cnki.trtb.2012.02.029.

[6] 张望霞.生态猪养殖与粪污处理技术[J].农业技术与装备,2022,No.395(11):148-150.

[7] ZHANG H Q, JIA Y Y, KHANAL S K, et al. Understanding the role of extracellular polymeric substances on ciprofloxacin adsorptionin aerobic sludge, anaerobic sludge, and sulfate-reducing bacteria sludge systems [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52（11）: 6476-6486.

[8] CHAUDHARY A S.A review of global initiatives to fight antibiotic resistance and recent antibiotics׳discovery [J]. ActaPharmaceutica Sinica B, 2016, 6（6）: 552-556.

[9] 蒋宗宏,陈淼,李心清等.改性生物炭对水体中抗生素的去除研究进展[J].环境化学,2021,40(12):3846-3860.

作者简介

周小凯，北京交通大学，全国向上向善好青年、中国青少年科技创新奖得主。北京沣潮至数科技有限公司CEO，北大博雅产学研训高级智库专家，北大博雅元培工匠专家谷客座教授，中国管理科学研究院客座教授，任北交大、矿大等高校双创导师。希望能和大家一起躬耕双碳事业，为双碳目标奉献青春！

文字 | 周小凯

排版 | 姚乐艺郭璐瑶

审核 | 陈星安程泽堃刘轩姜惠雯