目前我國大部分變電站通常建設在遠離城市的市政設施較差的城市郊區或農村地區，導致生活污水無法接入城市污水管網統一收集處理，多數變電站污水處理設施陳舊，棄用現象嚴重，造成污水隨意排放，污染環境。隨著我國變電站智能化建設工作的深入推進，站內工作人員數量銳減，導致全天用水量較少、不穩定，且污染物濃度變化較大，傳統污水處理工藝難以滿足新形勢下污水處理達標排放和節約能源的需求，基于此，急需研發出一種適用于小水量、分散式生活污水高效處理的新型工藝。
結合文獻查閱與實際調研結果，目前我國已建變電站污水處理工藝主要有3種形式：1)生物處理，代表工藝為化糞池、MBR等，優點為經濟效益高、易于安裝、操作簡單等；2)生態處理，代表工藝為人工濕地、土地滲濾等，優點為運行成本低、景觀效應強、資源化利用程度高等；3)生物+生態組合處理，代表工藝為生物接觸氧化+人工濕地、厭氧+穩定塘等，優點為出水穩定性強、去除效率高等。然而，隨著美麗鄉村工程的深入推進以及污水排放標準的日漸嚴格，單一使用生物或生態處理的弊端凸顯出來，受溫度影響大、處理效率降低、膜污染、濾料飽和等，因此，組合處理工藝受到了越來越多研究學者們的關注。國外對于小水量生活污水處理技術的研究，同樣以組合工藝為主，SAEED等將生物反應器化糞池與浮動人工濕地相結合，應用于孟加拉國當地農村生活污水處理工程中；BILGIN等將活性污泥法和垂直潛流人工濕地處理工藝相結合，用以處理土耳其某村生活污水。經前期對水質檢測后的結果顯示，污染物TP的濃度較高，故要選擇合適的TP強化去除技術，電解除磷技術因其處理效率高，無需外加藥劑，無需考慮溫度的影響，幾乎不產生有害副產物，適用于分散式生活污水中TP的去除。
因此，為了滿足變電站生活污水排放管理要求，借鑒農村分散式生活污水處理的經驗，創新設計出了一種效果明顯、操作簡單、管理方便、造價和能耗低的污水組合處理工藝。該新型組合工藝具有出水穩定性強、處理效率高、無人值守、運行成本低、安裝方式靈活等特點，不僅為北方低溫地區小水量、分散式變電站生活污水的高效處理及回用提供了理論指導和技術支撐，而且對踐行鄉村振興戰略、實現偏遠地區水環境的全面治理具有重大的現實意義。
1、工程及工藝概況
1.1 工程案例概述
遼寧省某220kV有人值守變電站位于城市郊區，周邊有居住的村民和農田，附近無污水管網系統和自然溝渠，站內常住值守人員3~7人，生活污水產生量約為300~500L·d−1。本工程采用一體化多級A/O生化+沉淀組合池(生化處理池)為主的處理工藝，在生化處理部分將傳統單級A/O改進為多級A/O工藝，厭氧和好氧生化部分增加懸浮填料；為減少化學藥劑添加，解決污水中TP濃度較高的問題，引入電解除磷系統和生態凈化池。生化處理與生態處理有機結合，不僅可以保證出水水質穩定達標，還可以實現處理后污水資源化利用，同時通過小型生態凈化池上層種植水生景觀植物發揮其景觀效應；為保證北方地區冬季低溫情況下的正常運行，該一體化裝置可采用地埋或半地埋的安裝方式。
1.2 工程設計與實驗方法
(1)設計規模及進、出水水質
工程設計處理規模為500L·d−1。由于每天在站人員不穩定，因此站內生活污水具有產生量不穩定、不連續，且水量較少、水質變化較大等特點，站內污水主要由廁所廢水、廚房廢水、淋浴廢水、洗滌廢水等構成，主要污染物為COD、SS、NH4+-N、TP等，其中以沖廁用水居多，導致NH4+-N和TP含量較高，可生化性好，基本不含難降解有機物和重金屬；根據要求，出水水質參照執行遼寧省地方排放標準(DB21/1627-2008《污水綜合排放標準》)中表1的限值標準，進、出水主要指標限值如表1所示。
(2)污染物的檢測分析方法
各指標檢測方法均采用現行國標方法。COD采用重鉻酸鉀法；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法；SS采用重量法；TP采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法；pH采用電極法。
1.3 污水處理工藝
污水經排水管道匯集到收集井中，收集井中的上清液進入調節池，調節池內的污水通過提升泵進入生化處理組合池，為控制水力停留時間，多余的進水通過回流管回流至調節池；污水依次流經生化處理組合池中所有缺氧區和好氧區，通過在缺氧區和好氧區中增加懸浮填料以強化污水中NH4+-N的去除，最終進入沉淀區，沉淀區底部的污泥和硝化液通過混合液回流管至缺氧1區實現反硝化脫氮，上清液自然溢流進入中間水池+生態凈化一體池；來自生化系統的出水經設置有電解除磷裝置的中間水池后，進入由礫石層、砂石層、陶粒層和水生植物層組成的生態凈化池，通過吸附、過濾、沉淀、微生物轉化等作用，進一步強化了污染物的去除效果，保證出水符合標準要求，出水可以用于周邊綠地灌溉和清洗廠區路面等。具體工藝流程如圖1所示。
1.4 主要構筑物和設備
1)配電控制箱：1個，箱體材質為SMC材料，安裝方式為地上式，運行電壓AC220V，尺寸L×W×H為0.45m×0.3m×0.45m。控制箱內的電子控制系統實現對調節池底的提升泵和電解除磷系統的啟停，其中開關1對應提升泵、開關2對應曝氣泵、開關3對應電解除磷裝置，設備正常運行時，所有開關均需要保持開啟狀態；曝氣泵JDK-60P安裝于控制箱內，運行功率45W，空氣量60L·min−1。
2)調節池：1座，池體材質為PVC，尺寸為高1m、半徑0.4m，有效容積0.45m3。調節池底安裝有提升泵以實現進水操作，提升泵Q=1m3·h−1，N=40W，H=2m，通過球閥和流量計控制水力停留時間，調節進水量；提升泵功率固定，為防止進水量大導致進水管中壓力過大，通過設置回流管道控制多余的進水回流至調節池，且在回流管道處安裝有球閥調節回流量；為防止污泥過多造成的提升泵堵塞現象發生，污水需經過初篩過濾后方可進入調節池。
3)生化處理組合池：1座，池體材質為HDPE，尺寸為高1.2m、半徑0.6m，有效容積1.1m3。為強化污水中NH4+-N的去除效果及充分滿足污染物濃度的變化，將傳統單級A/O工藝改進為多級A/O工藝，并在缺氧區和好氧區增加懸浮填料，組合池內部設有通過隔板劃分為缺氧1、2、3區，好氧1、2、3區及沉淀區，主要目的是利用不同段內填料形成各自優勢菌種生物膜，并通過延長污染物在各級中的停留時間，實現各污染物的高效降解與去除；每個缺氧區中均添加若干個直徑約50~80mm的多面空心球填料，體積占比50%，每個好氧區中均設有若干個球形填料組件，每個組件由一個直徑約50~80mm球和5~6個內置海綿填料構成，體積占比50%；沉淀區底部污泥和硝化液通過氣提式回流裝置至缺氧1區，實現反硝化脫氮，且設置有1~10不同檔位的獨立閥門控制回流量，整體生化停留時間為24h；為應對進水中污染物的濃度變化，好氧1、2、3區池均設有1~10不同檔位的獨立閥門控制曝氣量，曝氣量保持30L·min−1；為防止污泥堵塞，沉淀區設置有氣提式反沖洗管道，開啟周期約每2個月1次，每次10~15min，可根據實際污泥產生量適當調整。
4)中間水池及生態凈化一體池：1座，材質為不銹鋼防腐材料，尺寸L×W×H為1.2m×0.5m×0.8m，有效容積為0.4m3。生化處理組合池處理后的水通過自然溢流的方式進入中間水池及生態凈化系統一體池，依次通過中間水池和生態凈化池。中間水池安裝有電解除磷裝置強化污水中TP的去除，通過控制箱內開關3控制裝置的啟停，基于PC001型電解除磷控制器組成的電解除磷系統EP-Fe1，鐵板間距4cm，極板厚度5mm，電解電壓24V，有效電解區域尺寸500mm×200mm；生態凈化池采用下進水上部溢流出水的進出水方式，中間水池的出水依次流經各級過濾層，由下至上分別為礫石層、砂石層、陶粒層和水生植物層，礫石層、砂石層和陶粒層各占15cm，水生植物采用當地的水生植物和花卉，根據實際情況需定期更換，生態處理過程通過吸附、過濾、沉淀、微生物轉化等作用，進一步強化了污染物的去除效果，保證出水符合標準要求；出水可根據實際需要進行回用，或廠區內綠地灌溉或者路面清洗等。
2、組合工藝下電解除磷效果影響因素探究
變電站生活污水中TP濃度較高，單一A/O工藝對TP的去除效果無法達到標準要求，因此尋找一種處理效率高、易于維護管理、出水穩定、適合于北方地區分散式生活污水處理的除磷工藝是本工程的研究重點之一。目前TP的去除工藝主要包括生物、化學、電解除磷，但生物除磷技術需要通過大量排泥實現除磷，化學除磷技術需要人工外加藥劑，同時增加了人工成本和藥劑成本，因此，結合本工程污泥產生量較少、污水停留時間較長、自動化要求程度高的實際情況，選擇電解除磷工藝用于強化污水中TP的去除。雙鐵電極具有成本低廉、處理效果顯著等特點，在實際工程中應用較為廣泛，基本原理為，鐵電極在電解過程中，污水中的磷酸根和陽極釋放出的Fe2+以及溶液中的Fe3+反應生成鐵鹽沉淀，此外，Fe2+和Fe3+會與OH−反應生成難溶的鐵羥基化合物，發生膠體絮凝沉淀，最終達到除磷的作用。
2.1 電解電壓對除磷效果的影響
電壓是影響電解除磷反應速率的主要影響因素，電壓增大，反應速率隨之加快，產生的Fe2+越多，電絮凝效果越好，但電壓過大會導致能耗增加，出水含鐵過多造成出水色度增加，因此，選擇合適的電壓控制鐵離子濃度至關重要。在進水pH值7.2~7.6、極板間距4cm、TP平均濃度約1.40mg·L−1條件下，分別考察電解電壓為12、18、24、30V時的除磷效果，結果如圖2所示。
TP的去除率隨電解電壓的增大而逐步增加，電壓為12V時，去除率僅為43.75%，電壓提升到24V時，去除率升高到89.13%，此時出水TP濃度為0.15mg·L−1，當電壓增大到30V時，去除率雖提升到90.85%，但能耗增大，TP去除率已經接近飽和狀態。由此可見，電壓增大，反應速率隨之加快，Fe2+的釋放速率也相應提高，隨著TP去除率接近飽和，當電壓增大到某一固定值后，去除效果增長緩慢。因此，在保證TP高去除率的前提下，考慮經濟節能成本，電壓值24V為該組合工藝下的最優電解電壓。
2.2 極板間距對除磷效果的影響
極板間距的大小對整個電解過程中電子和離子的遷移速率產生影響，間距過大會導致遷移難度增大，增加電解過程的阻力，間距過小會導致電流過載引起短路。在進水pH值7.2~7.6、電解電壓24V、TP平均濃度約1.41mg·L−1條件下，分別考察極板間距2、4、6、8cm時的除磷效果，結果如圖3所示。
隨著極板間距的增大，TP去除率呈現先增長后降低的趨勢，在極板間距為4cm時去除率最高，達到89.63%，此時出水TP濃度為0.14mg·L−1。極板間距越小，極板間的電流密度越大，釋放出的Fe3+也越多，但過小的極板間距會造成難溶性物質的堆積，容易產生電極鈍化和濃差極化等問題，過大的極板間距會造成電阻增大，釋放出的Fe3+減少，與磷酸根相遇發生反應的概率也隨之減小，導致電解時間增加，能耗增加，效率降低。綜合以上因素考慮，選擇4cm為該組合工藝下的最優極板間距。
2.3 電解時間對除磷效果的影響
電解時間的長短直接影響Fe2+的析出量，以往研究表明，電解時間越長，Fe2+的析出量越多，除磷效率越高，但時間過長會造成能耗增加，Fe2+過量導致水體顏色加深。在進水pH值7.2~7.6、電解電壓24V、極板間距4cm、TP平均濃度約1.42mg·L−1條件下，分別考察電解時間4、8、12、16h時的除磷效果，結果如圖4所示。
由圖4可以看出，TP的去除率隨電解時間的延長而增大，4~12h期間去除率增長較快，電解時間為12h時，去除率達到86.52%，此時出水TP濃度為0.19mg·L−1，當電解時間延長至16h時，去除率雖有提升，但出水中TP含量已經相對較低，使得進一步延長電解時間對污水中TP的去除影響貢獻不大，且水體顏色已經出現加深的現象。因此，在保證TP高去除率的前提下，考慮經濟節能成本，12h為該組合工藝下的最優電解時間。
3、實際工程運行情況
3.1 總體運行效果
該多級A/O-電解除磷-生態凈化組合工藝與傳統污水處理工藝相比具有明顯優勢。在傳統A/O處理工藝的基礎上加以改良，設置為3級缺氧/好氧系統，使得微生物更加充分的利用水中有機質，針對高NH4+-N生活污水具有良好的處理效果；引入電解除磷工藝消除了生物除磷工藝處理效率低、化學除磷工藝需要外加藥劑的弊端，運行過程中無需考慮溫度的影響更加滿足寒冷地區實際運行的條件，且通過第2節對電解除磷工藝優化后得出，電解電壓24V、極板間距4cm、電解時間12h為該組合工藝的最優參數組合；系統末端的生態處理不僅對出水水質提供進一步保障，而且生長期的水生植物可以美化變電站環境，發揮景觀效應。本節通過該組合工藝在實際工程應用中的運行效果、經濟分析、北方地區安裝使用方法等方面進行介紹與分析。
3.2 實際運行數據
變電站生活污水每日排放時間相對固定，早8點到下午5點，夜間幾乎不產生污水，所收集實際污水產生量不穩定、不連續、水質變化大。每天上午及下午各取樣監測一次進水濃度，主要污染物檢測結果為COD160~220mg·L−1、SS220~280mg·L−1、NH4+-N45~74mg·L−1、TP4.5~6.0mg·L−1等，廢水可生化性較好，但是NH4+-N和TP含量較高。
該分散式生活污水處理系統具有啟動快、適應性強等特點，安裝、試水完成后，將取自城市污水處理廠的剩余污泥加入生化系統，通過一系列進水調試操作，約7d實現穩定運行。設備投入正常運轉后，于10—11月(東北地區10月平均溫度<12℃)對各項指標進行采樣監測，進、出水pH均穩定在7.2~7.6，COD、SS、NH4+-N、TP的去除效果如下圖5~圖8所示，其中圖5(a)表示生化處理組合池單元出水沉淀后各指標運行效果，圖5(b)表示生態凈化池出水各指標運行效果。
通過圖5~圖8可以看出，在氣溫較低的東北地區(平均溫度<12℃)，該組合工藝對COD、SS、NH4+-N、TP均有較好的處理效果，系統進水水質雖存在波動，但出水水質保持穩定。生化處理過程中，污染物COD、SS和NH4+-N的去除效果十分顯著，平均去除率均達到90%以上，其中NH4+-N的去除率達到97%，這說明改進后的多級A/O工藝與增加在缺氧、好氧區的懸浮填料對NH4+-N的強化去除作用明顯，而TP的去除率僅為75%，未能達到標準要求。生態處理過程中，TP的去除率迅速提升至98%，這說明電解除磷裝置對強化TP的去除發揮著重要作用。此外，系統對COD、NH4+-N、SS的去除效率雖有提升，但相比于COD和NH4+-N，人工濕地工藝對SS的去除作用明顯，這說明各級過濾層的吸附、過濾、沉淀等過程對SS的去除效果顯著。最終出水指標均符合遼寧省地方排放標準(DB21/1627-2008《污水綜合排放標準》)中表1的限值標準，且滿足進一步回用站區綠化和沖洗地面等方面需要求。
3.3 經濟性與適用性分析
由于變電站排水量不穩定，本工程每天上下午分2次將收集井污水送至調節池，控制系統進水量，維持系統24h運行，特別是增設出水回流系統，確保設備24h系統不缺水，保證了設備的穩定運行。該系統設備維護簡單、無需加藥、無水耗、平時運行無需安排專人值守(可通過遠程控制和定期巡檢確保系統安全穩定)、運行成本低。系統用電設備只有曝氣泵、提升泵(間歇性使用)與電解除磷裝置，每處理一噸污水約耗電0.2kWh，電費以每kWh0.6元計，合計約每噸水0.12元，僅產生少量人工費、折舊費及設備維護費，約每噸水0.5元，系統運行3個月僅產生少量剩余污泥，沉淀污泥清掏頻率僅為每年1次，由于無重金屬等污染物，清掏物可用作庭院植物肥料，也可定期運輸至污水處理廠統一處理，實現全過程資源化利用。
針對北方地區冬季低溫特點，本裝置可采用地埋式或外加保溫設施的半地埋式兩種安裝設計方式，若采用地埋安裝方式，應將裝置安裝至凍土層以下，若采用半地埋安裝方式，則冬季運行時需要在主要構筑物外加塑料薄膜或彩鋼板等保溫措施。電解除磷與生物、化學除磷最大的優勢在于，無需考慮溫度的影響，冬季可以實現出水TP達標排放，生態系統主要目的是進一步過濾水中懸浮物，春季到秋季種植水生植物在進一步削減氮磷同時，主要是景觀效果，冬季運行時，主要利用下層填料過濾、吸附等作用，此外，變電站生活污水具有污染物濃度變化較大的特點，在生物處理后連接生態處理池，可以應對高濃度負荷，最大程度的保證出水穩定達標，同時，各級過濾層對電解除磷中產生少量的鐵離子存在一定的截留作用；經實際運行后結果顯示(進水溫度約為6~8℃)，出水仍符合遼寧省地方排放標準(DB21/1627-2008《污水綜合排放標準》)中表1的限值標準。針對北方地區部分變電站人員極少(僅2~3人)的問題，本系統可在出水后加回流裝置，使出水回流至調節池以保證裝置24h運行。該裝置無需外加藥劑、用電設備自動化程度高、污泥清掏周期長，因此可以做到無需人工現場看守，采用定期巡檢即可滿足使用條件。同時，裝置各單元具有較為靈活的組合和安裝方式，使其在不同地形、不同進水水質條件下做到因地制宜安裝使用。為解決北方地區變電站生活污水處理及回用提供了技術支撐。
4、結論
1)為解決污水中TP濃度較高的問題，本工程引入電解除磷技術，并通過分析不同電解電壓、極板間距以及電解時間對其進行參數優化，發現電解電壓24V、極板間距4cm、電解時間12h為該組合工藝的最優參數組合。
2)進出水水質檢測結果表明，多級A/O-電解除磷-生態凈化池組合工藝與單一工藝相比，對北方地區變電站生活污水處理效果較好，出水水質滿足遼寧省地方排放標準(DB21/1627-2008《污水綜合排放標準》)中的限值標準。
3)本工程運行成本低，噸水成本僅為0.62元，且自動化程度高，安裝方式靈活，同樣適用于北方寒冷地區。（來源：國家電網遼寧省電力有限公司電力科學研究院）
