辽宁省某220 kV有人值守变电站位于城市郊区，周边有居住的村民和农田，附近无污水管网系统和自然沟渠，站内常住值守人员3~7人，生活污水产生量约为300~500 L·d⁻¹。本工程采用一体化多级A/O生化+沉淀组合池 (生化处理池) 为主的处理工艺，在生化处理部分将传统单级A/O改进为多级A/O工艺，厌氧和好氧生化部分增加悬浮填料；为减少化学药剂添加，解决污水中TP浓度较高的问题，引入电解除磷系统和生态净化池。生化处理与生态处理有机结合，不仅可以保证出水水质稳定达标，还可以实现处理后污水资源化利用，同时通过小型生态净化池上层种植水生景观植物发挥其景观效应；为保证北方地区冬季低温情况下的正常运行，该一体化装置可采用地埋或半地埋的安装方式。

(1) 设计规模及进、出水水质

工程设计处理规模为500 L·d⁻¹。由于每天在站人员不稳定，因此站内生活污水具有产生量不稳定、不连续，且水量较少、水质变化较大等特点，站内污水主要由厕所废水、厨房废水、淋浴废水、洗涤废水等构成，主要污染物为COD、SS、NH₄⁺-N、TP等，其中以冲厕用水居多，导致NH₄⁺-N和TP含量较高，可生化性好，基本不含难降解有机物和重金属^[12-13]；根据要求，出水水质参照执行辽宁省地方排放标准 (DB 21/1627-2008《污水综合排放标准》) 中表1的限值标准，进、出水主要指标限值如表1所示。

(2) 污染物的检测分析方法

各指标检测方法均采用现行国标方法。COD采用重铬酸钾法；NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法；SS采用重量法；TP采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法；pH采用电极法。

污水经排水管道汇集到收集井中，收集井中的上清液进入调节池，调节池内的污水通过提升泵进入生化处理组合池，为控制水力停留时间，多余的进水通过回流管回流至调节池；污水依次流经生化处理组合池中所有缺氧区和好氧区，通过在缺氧区和好氧区中增加悬浮填料以强化污水中NH₄⁺-N的去除，最终进入沉淀区，沉淀区底部的污泥和硝化液通过混合液回流管至缺氧1区实现反硝化脱氮，上清液自然溢流进入中间水池+生态净化一体池；来自生化系统的出水经设置有电解除磷装置的中间水池后，进入由砾石层、砂石层、陶粒层和水生植物层组成的生态净化池，通过吸附、过滤、沉淀、微生物转化等作用，进一步强化了污染物的去除效果，保证出水符合标准要求，出水可以用于周边绿地灌溉和清洗厂区路面等。具体工艺流程如图1所示。

1) 配电控制箱：1个，箱体材质为SMC材料，安装方式为地上式，运行电压AC220 V，尺寸L×W×H为0.45 m×0.3 m×0.45 m。控制箱内的电子控制系统实现对调节池底的提升泵和电解除磷系统的启停，其中开关1对应提升泵、开关2对应曝气泵、开关3对应电解除磷装置，设备正常运行时，所有开关均需要保持开启状态；曝气泵JDK-60P安装于控制箱内，运行功率45 W，空气量60 L·min⁻¹。

2) 调节池：1座，池体材质为PVC，尺寸为高1 m、半径0.4 m，有效容积0.45 m³。调节池底安装有提升泵以实现进水操作，提升泵Q=1 m³·h⁻¹，N=40 W，H=2 m，通过球阀和流量计控制水力停留时间，调节进水量；提升泵功率固定，为防止进水量大导致进水管中压力过大，通过设置回流管道控制多余的进水回流至调节池，且在回流管道处安装有球阀调节回流量；为防止污泥过多造成的提升泵堵塞现象发生，污水需经过初筛过滤后方可进入调节池。

3) 生化处理组合池：1座，池体材质为HDPE，尺寸为高1.2 m、半径0.6 m，有效容积1.1 m³。为强化污水中NH₄⁺-N的去除效果及充分满足污染物浓度的变化，将传统单级A/O工艺改进为多级A/O工艺，并在缺氧区和好氧区增加悬浮填料，组合池内部设有通过隔板划分为缺氧1、2、3区，好氧1、2、3区及沉淀区，主要目的是利用不同段内填料形成各自优势菌种生物膜，并通过延长污染物在各级中的停留时间，实现各污染物的高效降解与去除；每个缺氧区中均添加若干个直径约50~80 mm的多面空心球填料，体积占比50%，每个好氧区中均设有若干个球形填料组件，每个组件由一个直径约50~80 mm球和5~6个内置海绵填料构成，体积占比50%；沉淀区底部污泥和硝化液通过气提式回流装置至缺氧1区，实现反硝化脱氮，且设置有1~10不同档位的独立阀门控制回流量，整体生化停留时间为24 h；为应对进水中污染物的浓度变化，好氧1、2、3区池均设有1~10不同档位的独立阀门控制曝气量，曝气量保持30L·min⁻¹；为防止污泥堵塞，沉淀区设置有气提式反冲洗管道，开启周期约每2个月1次，每次10~15 min，可根据实际污泥产生量适当调整。

4) 中间水池及生态净化一体池：1座，材质为不锈钢防腐材料，尺寸L×W×H为1.2 m×0.5 m×0.8 m，有效容积为0.4 m³。生化处理组合池处理后的水通过自然溢流的方式进入中间水池及生态净化系统一体池，依次通过中间水池和生态净化池。中间水池安装有电解除磷装置强化污水中TP的去除，通过控制箱内开关3控制装置的启停，基于PC001型电解除磷控制器组成的电解除磷系统EP-Fe1，铁板间距4 cm，极板厚度5 mm，电解电压24 V，有效电解区域尺寸500 mm×200 mm；生态净化池采用下进水上部溢流出水的进出水方式，中间水池的出水依次流经各级过滤层，由下至上分别为砾石层、砂石层、陶粒层和水生植物层，砾石层、砂石层和陶粒层各占15 cm，水生植物采用当地的水生植物和花卉，根据实际情况需定期更换，生态处理过程通过吸附、过滤、沉淀、微生物转化等作用，进一步强化了污染物的去除效果，保证出水符合标准要求；出水可根据实际需要进行回用，或厂区内绿地灌溉或者路面清洗等。

变电站生活污水中TP浓度较高，单一A/O工艺对TP的去除效果无法达到标准要求，因此寻找一种处理效率高、易于维护管理、出水稳定、适合于北方地区分散式生活污水处理的除磷工艺是本工程的研究重点之一。目前TP的去除工艺主要包括生物、化学、电解除磷，但生物除磷技术需要通过大量排泥实现除磷，化学除磷技术需要人工外加药剂，同时增加了人工成本和药剂成本，因此，结合本工程污泥产生量较少、污水停留时间较长、自动化要求程度高的实际情况，选择电解除磷工艺用于强化污水中TP的去除。双铁电极具有成本低廉、处理效果显著等特点，在实际工程中应用较为广泛^[14]，基本原理为，铁电极在电解过程中，污水中的磷酸根和阳极释放出的Fe²⁺以及溶液中的Fe³⁺反应生成铁盐沉淀，此外，Fe²⁺和Fe³⁺会与OH⁻反应生成难溶的铁羟基化合物，发生胶体絮凝沉淀，最终达到除磷的作用^[15]。

电压是影响电解除磷反应速率的主要影响因素，电压增大，反应速率随之加快，产生的Fe²⁺越多，电絮凝效果越好，但电压过大会导致能耗增加，出水含铁过多造成出水色度增加，因此，选择合适的电压控制铁离子浓度至关重要。在进水pH值7.2~7.6、极板间距4 cm、TP平均浓度约1.40 mg·L⁻¹条件下，分别考察电解电压为12、18、24、30 V时的除磷效果，结果如图2所示。

TP的去除率随电解电压的增大而逐步增加，电压为12 V时，去除率仅为43.75%，电压提升到24 V时，去除率升高到89.13%，此时出水TP浓度为0.15 mg·L⁻¹，当电压增大到30 V时，去除率虽提升到90.85%，但能耗增大，TP去除率已经接近饱和状态。由此可见，电压增大，反应速率随之加快，Fe²⁺的释放速率也相应提高，随着TP去除率接近饱和，当电压增大到某一固定值后，去除效果增长缓慢。因此，在保证TP高去除率的前提下，考虑经济节能成本，电压值24 V为该组合工艺下的最优电解电压。

极板间距的大小对整个电解过程中电子和离子的迁移速率产生影响，间距过大会导致迁移难度增大，增加电解过程的阻力，间距过小会导致电流过载引起短路^[16]。在进水pH值7.2~7.6、电解电压24 V、TP平均浓度约1.41mg·L⁻¹条件下，分别考察极板间距2、4、6、8 cm时的除磷效果，结果如图3所示。

随着极板间距的增大，TP去除率呈现先增长后降低的趋势，在极板间距为4 cm时去除率最高，达到89.63%，此时出水TP浓度为0.14mg·L⁻¹。极板间距越小，极板间的电流密度越大，释放出的Fe³⁺也越多，但过小的极板间距会造成难溶性物质的堆积，容易产生电极钝化和浓差极化等问题^[17]，过大的极板间距会造成电阻增大，释放出的Fe³⁺减少，与磷酸根相遇发生反应的概率也随之减小，导致电解时间增加，能耗增加，效率降低。综合以上因素考虑，选择4 cm为该组合工艺下的最优极板间距。

电解时间的长短直接影响Fe²⁺的析出量，以往研究表明，电解时间越长，Fe²⁺的析出量越多，除磷效率越高，但时间过长会造成能耗增加，Fe²⁺过量导致水体颜色加深。在进水pH值7.2~7.6、电解电压24 V、极板间距4 cm、TP平均浓度约1.42 mg·L⁻¹条件下，分别考察电解时间4、8、12、16 h时的除磷效果，结果如图4所示。

由图4可以看出，TP的去除率随电解时间的延长而增大，4~12 h期间去除率增长较快，电解时间为12 h时，去除率达到86.52%，此时出水TP浓度为0.19 mg·L⁻¹，当电解时间延长至16 h时，去除率虽有提升，但出水中TP含量已经相对较低，使得进一步延长电解时间对污水中TP的去除影响贡献不大，且水体颜色已经出现加深的现象。因此，在保证TP高去除率的前提下，考虑经济节能成本，12 h为该组合工艺下的最优电解时间。

该多级A/O-电解除磷-生态净化组合工艺与传统污水处理工艺相比具有明显优势。在传统A/O处理工艺的基础上加以改良，设置为3级缺氧/好氧系统，使得微生物更加充分的利用水中有机质，针对高NH₄⁺-N生活污水具有良好的处理效果；引入电解除磷工艺消除了生物除磷工艺处理效率低、化学除磷工艺需要外加药剂的弊端，运行过程中无需考虑温度的影响更加满足寒冷地区实际运行的条件，且通过第2节对电解除磷工艺优化后得出，电解电压24 V、极板间距4 cm、电解时间12 h为该组合工艺的最优参数组合；系统末端的生态处理不仅对出水水质提供进一步保障，而且生长期的水生植物可以美化变电站环境，发挥景观效应。本节通过该组合工艺在实际工程应用中的运行效果、经济分析、北方地区安装使用方法等方面进行介绍与分析。

变电站生活污水每日排放时间相对固定，早8点到下午5点，夜间几乎不产生污水，所收集实际污水产生量不稳定、不连续、水质变化大。每天上午及下午各取样监测一次进水浓度，主要污染物检测结果为COD 160~220 mg·L⁻¹、SS 220~280 mg·L⁻¹、NH₄⁺-N 45~74 mg·L⁻¹、TP 4.5~6.0 mg·L⁻¹等，废水可生化性较好，但是NH₄⁺-N和TP含量较高。

该分散式生活污水处理系统具有启动快、适应性强等特点，安装、试水完成后，将取自城市污水处理厂的剩余污泥加入生化系统，通过一系列进水调试操作，约7 d实现稳定运行。设备投入正常运转后，于10—11月 (东北地区10月平均温度<12 ℃) 对各项指标进行采样监测，进、出水pH均稳定在7.2~7.6，COD、SS、NH₄⁺-N、TP的去除效果如下图5~图8所示，其中图5 (a) 表示生化处理组合池单元出水沉淀后各指标运行效果，图5 (b) 表示生态净化池出水各指标运行效果。

通过图5~图8可以看出，在气温较低的东北地区 (平均温度<12 ℃) ，该组合工艺对COD、SS、NH₄⁺-N、TP均有较好的处理效果，系统进水水质虽存在波动，但出水水质保持稳定。生化处理过程中，污染物COD、SS和NH₄⁺-N的去除效果十分显著，平均去除率均达到90%以上，其中NH₄⁺-N的去除率达到97%，这说明改进后的多级A/O工艺与增加在缺氧、好氧区的悬浮填料对NH₄⁺-N的强化去除作用明显，而TP的去除率仅为75%，未能达到标准要求。生态处理过程中，TP的去除率迅速提升至98%，这说明电解除磷装置对强化TP的去除发挥着重要作用。此外，系统对COD、NH₄⁺-N、SS的去除效率虽有提升，但相比于COD和NH₄⁺-N，人工湿地工艺对SS的去除作用明显，这说明各级过滤层的吸附、过滤、沉淀等过程对SS的去除效果显著。最终出水指标均符合辽宁省地方排放标准 (DB 21/1627-2008《污水综合排放标准》) 中表1的限值标准，且满足进一步回用站区绿化和冲洗地面等方面需要求。

由于变电站排水量不稳定，本工程每天上下午分2次将收集井污水送至调节池，控制系统进水量，维持系统24 h运行，特别是增设出水回流系统，确保设备24 h系统不缺水，保证了设备的稳定运行。该系统设备维护简单、无需加药、无水耗、平时运行无需安排专人值守 (可通过远程控制和定期巡检确保系统安全稳定) 、运行成本低。系统用电设备只有曝气泵、提升泵 (间歇性使用) 与电解除磷装置，每处理一吨污水约耗电0.2 kWh，电费以每kWh 0.6元计，合计约每吨水0.12元，仅产生少量人工费、折旧费及设备维护费，约每吨水0.5元，系统运行3个月仅产生少量剩余污泥，沉淀污泥清掏频率仅为每年1次，由于无重金属等污染物，清掏物可用作庭院植物肥料，也可定期运输至污水处理厂统一处理，实现全过程资源化利用。

针对北方地区冬季低温特点，本装置可采用地埋式或外加保温设施的半地埋式两种安装设计方式，若采用地埋安装方式，应将装置安装至冻土层以下，若采用半地埋安装方式，则冬季运行时需要在主要构筑物外加塑料薄膜或彩钢板等保温措施。电解除磷与生物、化学除磷最大的优势在于，无需考虑温度的影响，冬季可以实现出水TP达标排放，生态系统主要目的是进一步过滤水中悬浮物，春季到秋季种植水生植物在进一步削减氮磷同时，主要是景观效果，冬季运行时，主要利用下层填料过滤、吸附等作用，此外，变电站生活污水具有污染物浓度变化较大的特点，在生物处理后连接生态处理池，可以应对高浓度负荷，最大程度的保证出水稳定达标，同时，各级过滤层对电解除磷中产生少量的铁离子存在一定的截留作用；经实际运行后结果显示 (进水温度约为6~8 ℃) ，出水仍符合辽宁省地方排放标准 (DB 21/1627-2008《污水综合排放标准》) 中表1的限值标准。针对北方地区部分变电站人员极少 (仅2~3人) 的问题，本系统可在出水后加回流装置，使出水回流至调节池以保证装置24 h运行。该装置无需外加药剂、用电设备自动化程度高、污泥清掏周期长，因此可以做到无需人工现场看守，采用定期巡检即可满足使用条件。同时，装置各单元具有较为灵活的组合和安装方式，使其在不同地形、不同进水水质条件下做到因地制宜安装使用。为解决北方地区变电站生活污水处理及回用提供了技术支撑。

1) 为解决污水中TP浓度较高的问题，本工程引入电解除磷技术，并通过分析不同电解电压、极板间距以及电解时间对其进行参数优化，发现电解电压24 V、极板间距4 cm、电解时间12 h为该组合工艺的最优参数组合。

2) 进出水水质检测结果表明，多级A/O-电解除磷-生态净化池组合工艺与单一工艺相比，对北方地区变电站生活污水处理效果较好，出水水质满足辽宁省地方排放标准 (DB 21/1627-2008《污水综合排放标准》) 中的限值标准。

3) 本工程运行成本低，吨水成本仅为0.62元，且自动化程度高，安装方式灵活，同样适用于北方寒冷地区。