有人值守变电站生活污水处理技术现状及展望

瞿子涵，蔡 萱，张 莹，甄 颖，王 璇，毛怡彬

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

随着电网自动化程度不断提升，110 kV～330 kV电压等级变电站已基本转为无人值守，而高电压等级有人值守变电站多位于基础设施薄弱的偏远农村地区，污水难以接入城镇污水管网。为降低有人值守变电站运行期间产生的生活污水对周边生态环境的影响，变电站通常建设有生活污水处理设施，对污水进行处理后排放或进行资源化回用［1-4］。近年来，我国城市污水处理能力和水平不断提高，水污染防治工作重点已逐渐转向占全国总面积近90%的广大农村地区，排放标准日趋完善，分散于广大农村地区的高电压等级变电站生活污水达标排放压力不断加大。

本文基于2018 年对华中某省已投运的27 座500 kV及以上有人值班变电站值班人数、生活污水处理设施设置、污水排放方式及受纳环境现状调研，分析变电站生活污水处理技术需求，探讨适合于变电站的污水处理技术发展方向。

1 调研内容

1.1 调研对象基本情况

调查共涉及27 座有人值守变电站，其中1 000 kV变电站1座，500 kV变电站26座。通常情况下，变电站工作人员包括运行值守人员、保安、保洁以及厨师等后勤人员，其中运行人员及保安昼夜驻扎在站内，保洁、厨师等后勤人员仅在白天工作需要时入站。

1.2 生活污水处理方式

变电站生活污水主要采用包括化粪池或动力式一体化污水处理装置处理。

1.2.1 化粪池

化粪池处理方式作为传统处理工艺，装置结构较为简单，处理原理主要为厌氧发酵，生活污水通过生活污水管网排入化粪池后，污水中的污染物质在化粪池中自然降解、沉淀。化粪池通常不设水泵等动力设备，污水通过溢流排放，维护工作量较少，仅需定期进行掏挖。

1.2.2 动力式一体化污水处理装置

变电站用动力式一体化污水处理装置通常采用生物接触氧化法降解水中污染物，生活污水在进入处理装置前进入沉砂调节池，去除部分大颗粒物质，调节水量并均衡水质；调节池中污水到达设定水位时，触发污水提升泵进入接触氧化池，氧化池中通过悬挂或填充填料作为生物载体，为微生物的生长提供繁殖场所，形成大面积的生物膜，从而高效利用微生物降解水中有机物，起到脱氮、除磷、降低BOD5的作用；微生物繁殖和有机物降解过程中，生物膜会不断增厚并以生物粘泥形态脱落并混入水中，混有生物粘泥的废水在二沉池中静置沉淀，表层清水作为处理装置出水排出。部分变电站废水经接触氧化及沉淀处理后进入消毒池进行消毒处理，消毒方式通常为固体氯片接触溶解消毒方式。为保证污水处理效果，动力式污水处理设备需设置鼓风机对接触氧化池进行曝气，以保证生物膜中好氧微生物的正常生长，有效降解水中有机物。

1.3 处理后生活污水排放去向

生活污水经过污水处理设施处理后直接进入排水管网外排或进入回用水池用于站内绿化。

由于500 kV及以上变电站多位于农村地区，周边市政基础条件及自然环境存在差异，生活污水排出站外后的去向可以分为以下3类：

1）地表水系，包括河流、大型沟渠、湖泊等；

2）小微水体，包括小型沟渠、池塘以及农田和荒地环境下的排水沟等小微水体；

3）市政污水管网。

2 调查结果

2.1 人员值守情况及生活污水排放量

根据调查结果（表1），27 座被调查的500 kV 及以上变电站内值班人数多为2～8人，3号和4号变电站作为运维基地站，配置有昼间上班的检修人员，站内人员相对较多。

变电站生活污水排水量根据站内值班人数及生活用水量进行估算。生活用水量参考《GB/T 50331-2002 城市居民生活用水量标准》设定为日人均用水量限值130 L，排放系数按0.8 估算，则人均日排水量为104 L。根据站内当值人员2～15 人计算，变电站每日生活污水排放量为0.2～1.6 m3，平均排放量约为0.6 m3/d，其中超过90%的变电站生活污水排放量少于1 m3/d。

表1 变电站污水处理与排放情况Table 1 Sewage treatment and emission in substations

2.2 生活污水处理方式

调查涉及的27座变电站于1982年至2017年之间投运，修建于1982 年的1 号变电站采用化粪池处理方式，与1号变电站同期修建的2号变电站在后期由化粪池改建为动力式一体化污水处理装置，25座变电站投运时采用动力式一体化污水处理装置。

2.2.1 化粪池

1号变电站化粪池采用“二格式”化粪池的传统设计，第一池为截留沉淀与发酵池，第二池为发酵池，池中未设置折流板、填料等污水处理效果提升材料，污水经过处理后上清液通过溢流口自流进入雨水管网后排放。

2.2.2 动力式一体化污水处理装置

动力式一体化污水处理装置主要采用生物接触氧化处理工艺，包括WSZ-A-1、DCW-A-1、SJW-M-1 等型号，污水处理量均为1 m3/h，污水处理装置前端通常设有容积为10 m3的沉砂调节池。

根据现场调查，变电站污水处理装置在实际使用与运维过程中主要存在以下两方面问题，进而影响污水处理效果。

1）接触氧化池活性污泥系统运行状态不佳。图1（a）所示接触氧化池水质清澈，填料表面污泥附着情况良好，出水污泥量少；图1（b）所示氧化池水体浑浊，大量污泥上浮，水体变黑发臭，活性污泥运行处于异常状态，污水处理效果难以保障。

图1 接触氧化池活性污泥运行情况对比Fig.1 Running states of activated sludge in contact oxic tank

2）动力设备故障、设备锈蚀老化。动力式污水处理装置通常需通过潜污泵从调节池抽送生活污水进入生化反应池，同时接触氧化工艺需设置鼓风机对氧化池进行曝气。现场调查过程中发现，部分变电站的污水处理装置出现不同类型装置故障：风机故障本体或其控制装置（如图2（a）），导致接触氧化池无法进行曝气充氧；水泵本体或其控制装置损坏，导致污水未进入接触氧化池进行降解处理；动力式污水处理装置箱体普遍为碳钢金属钢板结构，通常采用地埋式设计与施工，破损严重时导致设备故障、装置无法继续运行（如图2（b））。

图2 变电站动力式污水处理装置及问题示例Fig.2 Demonstration of powered domestic sewage treatment equipment faults

2.3 处理后生活污水排放去向

27座变电站中，12座变电站生活污水处理后直接通过排水管网排放至站外；15座变电站生活污水处理后进入回用水池，但实际运行过程中，因回用系统启用频次不高，部分污水从回用水池溢流口排放至站外。

由于变电站周边市政基础条件及自然环境各不相同，处理后的生活污水排出站外去向有所差异，27 座变电站中仅2 座变电站外排口接入市政管网，15 座排至河流、湖泊、大型沟渠等地表水系，10座经雨水管网外排至池塘等小微水体。

3 分析及讨论

3.1 污水排放控制需求分析

变电站生活污水排放应满足污水排放标准要求。表2 对比了生态环境部《GB 8978-1996 污水综合排放标准》、《GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准》等生活污水典型排放标准限值。相对于《污水综合排放标准》，《污水排入城镇下水道标准》限值最为宽松，吉林省和湖北省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》根据农村生活污水水质特点和处理规模，严格了悬浮物、化学需氧量（CODCr）、氨氮的排放要求，放松了对五日生化需氧量（BOD5）、总磷的要求，生活污水排放应执行标准与排放去向、处理规模紧密相关。

表2 生活污水典型排放标准限值（单位：mg/L）Table 2 Limits of typical water pollutants for domestic sewage discharge(Unit:mg/L)

根据排放去向的不同，变电站生活污水排放控制需求存在不同程度的差异：

1）市政污水管网。污水排入城镇污水管网时依据《GB/T 31962-2015 污水排入城镇下水道标准》或《GB 8978-1996 污水综合排放标准》三级标准，排放限值较为宽松，排放前经过化粪池等措施预处理即可满足排放标准要求。

2）地表水系。外排水直接排入自然水体的环保风险与受纳水体水环境功能分区相关。当污水直接排入Ⅱ、Ⅲ类功能水体时，吉林与湖北地方排放标准限值均与《GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B排放标准相近。当污水Ⅳ、Ⅴ类水体时，地方生活污水排放标准限值均接近GB 18918-2002 二级标准。相对于吉林省，湖北省针对处理规模小于5 m3/d的污水处理设施设定了较为宽松的排放限值，有利于变电站生活污水排放达标。

3）小微水体。对于外排水排入环境功能未明确的小溪、沟渠、池塘、鱼塘等小微水体情形，污水排放限值相对宽松，但均接近GB 18918-2002二级标准要求，但由于小微水体环境容量小、自净能力弱，污水排入后会加重小微水体的污染，随着农村黑臭水体治理的推进，变电站宜根据各地水污染治理要求，合理设定污水处理目标。

综上所述，根据生活污水排放去向的不同和污水处理装置处理规模的大小，国家到地方排放标准限值存在一定差异，限值总体上相当于GB 18918-2002 一级B 或二级排放标准，变电站在设计阶段应合理设定污水处理目标、选择污水处理装置，在运行期间加强水质监测、保障设施良好运行，加强废水回用，减少废水外排，在具备纳管条件时将生活污水接入城镇污水管网，以降低排放超标风险。

3.2 现有污水处理工艺适宜性分析

我国生活污水排放标准限值目前总体上相当于《GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B 或二级排放标准，而电网工程建设普遍采取典型设计，本节将以GB 18918-2002 一级B 排放标准作为参考，分析现有变电站污水处理工艺的超标风险。

3.2.1 化粪池

化粪池池型结构是影响污水处理能力和出水水质的关键因素。传统化粪池为泥水混合模式，底部沉积的污泥消化过程中产生的消化气造成沉淀的污泥上浮并重新污染污水，最终导致化粪池沉淀去除率通常在50～60%，有机物去除能力以生化需氧量表征一般仅为20%，一般情况下出水水质难以达到排放标准要求［5］。为提高污水处理效率及寄生虫卵沉降效果，化粪池逐步改进为“二格式”或“三格式”池型结构。王玉华等对江苏农村“三格式”化粪池污水处理效果评价研究显示“三格式”化粪池对化学需氧量、总氮和总磷的全省平均去除率分别为48.51%、6.83%和23.92%，处理后尾水未达到污水排放标准要求［6］。因此，变电站采用化粪池处理时，出水水质存在较大的超标排放风险，已不适用于有人值守变电站生活污水外排处理需求。

3.2.2 动力式一体化污水处理装置

动力式一体化污水处理装置采用的生物接触氧化处理工艺对生活污水的处理效率通常优于化粪池采用的厌氧发酵处理工艺，设备正常运行情况下，出水水质一般可达到排放标准要求［7］。然而，该工艺在变电站实际使用运维过程中突出存在接触氧化池污泥系统运行状态不佳、动力设备故障两方面问题：

1）动力式污水处理装置污水处理量一般为1 m3/h，装置调节池容积普遍在7～16 m3之间，而变电站生活污水排放量平均仅为0.6 m3/d，导致潜污泵启动频次降低，污水长期处于厌氧消化状态，装置进口污水有机物碳氮比降低，同时盥洗、洗涤和淋浴排水对污水起到了一定的稀释作用，导致微生物有机碳源供给不足，污泥活性下降甚至出现负增长，最终影响脱氮除磷效果，出水水质难以稳定达标［8］。

2）动力式污水处理装置普遍采用地埋式设计与施工，长期运行过程中潮湿、通风不佳等因素易导致风机设备故障［7］，运维需求较高，但现场实际维护难以得到保障［1–3］，导致污水处理效果难以达到预期或未经处理直接溢流排放。

3.3 污水处理方案探讨

变电站生活污水的特点主要在于排水量少、排水不连续、污染物浓度不高，而目前普遍采用的动力式污水处理装置及化粪池处理效果已难以适应日趋严格的环保管理要求。变电站生活污水与农村生活污水特点相似，可借鉴目前快速发展的农村生活污水处理技术，探索适用于变电站的分散式污水处理技术方案［9］。

3.3.1 动力式氧化处理工艺

针对变电站污水排放量较少的特点，曾媛等提出采用“小型化接触氧化池+人工湿地”处理变电站生活污水，将接触氧化池设计为微型池体，以使污泥负荷与变电站生活污水特征相匹配，接触氧化池出水进入人工湿地完成脱氮除磷，出水达标排放［10］，从而有效降低变电站排水量过少引起的污泥负荷不足问题。

古腾等采用“厌氧池+曝气生物滤池+模块化人工湿地”组合工艺处理农村生活污水，曝气生物滤池为核心工艺，采用风机进行充氧，该方案对COD、氨氮、总氮、总磷的平均去除率分别为90.05%、95.29%、67.65%、91.42%，达到GB18918-2002一级A标准要求［11］。

3.3.2 厌氧组合处理工艺

作为传统厌氧处理工艺的化粪池污水处理效果较差，但通过增加厌氧池数量、设置折流板、添加填料等方式可极大提升COD、BOD5去除效果，去除率可达到70%～90%［12］，结合人工湿地［1，13–18］、生物滤池［19–23］等方式对尾水进行深度处理，提升污水处理工艺效果。

1）厌氧工艺+人工湿地

生活污水通过厌氧工艺去除大部分有机物后，在人工湿地通过土壤过滤、吸附、生物降解和植物吸收过程完成脱氮除磷。高鹏等在四川地区采用“厌氧发酵+垂直潜流人工湿地”工艺处理农村生活污水，其中厌氧消化池采用箱型3 格折流厌氧发生器，并以竹编材料作为厌氧池填料，出水水质达到GB18919-2002一级B标准［16］。谭迪等采用模块化理念，构建了“厌氧罐+生化预处理罐+人工湿地”成套无动力生活污水处理设备，出水总磷、总氮、氨氮达到GB18918-2002 一级B标准，COD达到二级标准［17］。

2）厌氧工艺+自然复氧好氧工艺+人工湿地

“厌氧工艺+好氧工艺+人工湿地”处理方案综合利用各单元污水处理设施的优势，可适用于出水水质要求较高的地区，而自然复氧方式因无需动力设备、易于管理而逐步应用到好氧工艺当中。熊仁等研究构建了“厌氧池+跌水曝气池+潜流人工湿地”组合工艺进行农村生活污水处理，通过跌水的方式对水流进行充氧，出水水质达到GB18918-2002 一级A 标准［18］。范建伟等研发了“三相分离缺氧单元+上流式厌氧接触单元+自充氧生化单元”加强型化粪池，自充氧单元通过旁路污水跌落水力充氧形成好氧条件，化粪池尾水经过潜流人工湿地再处理，出水效果可达到GB 18918-2002的一级B 标准要求［14］。

2）厌氧池+生物滤池

生物滤池利用滤料间微生物对污染物进行吸附、过滤和降解，同时，生物滤池在间歇性布水工作方式下，污水周期性进入渗滤田并形成干湿交替，实现滤料间自然复氧，为好氧反应提供条件。易齐涛等人则采用了“厌氧池+生物滤池+潜流人工湿地”组合工艺进行污水处理，对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率分别为89.6%、26.7%、63.3%和32.4%［22］。潘伟亮等人通过增设导流板和填料对厌氧反应器进行改良，构建了“新型厌氧反应器+垂直生态滤池”组合系统，对农村生活污水COD、总氮、氨氮、总磷的平均去除率分别为85.9%、39.3%、69.9%和83.2%，总磷去除率大幅提升，出水效果可达到GB 18918-2002的一级B标准要求［21］。

从上述案例可以看出，采用动力式充氧方式的氧化处理工艺具有更高的处理效率，但该工艺仍采用动力式污水处理装置，对运维需求较高。以厌氧处理工艺为核心的无动力式处理组合工艺处理效果已可达到GB 18918-2002 的一级B 标准要求，且厌氧工艺具有工艺简单、施工速度快、运维简单、管理方便、投资和运行费用低的特点［1］，有望成为变电站生活污水处理技术的发展方向。

4 结语

近年来，生活污水排放管控日益严格，农村地区生活污水治理已逐步成为工作重点。另一方面，随着新能源的大规模接入，能源结构电气化、电网运维智能化的不断推进［24］，变电站运营规模日益庞大，值守人数却减少，变电站现有污水处理工艺已难以适应日趋严格生活污水排放管理要求。结合变电站生活污水排放特征，借鉴农村分散式污水处理技术，发展适用于变电站的生活污水处理技术已成为现实需求。

根据受纳水体环境的差异，变电站应在具备纳管条件时，将生活污水经过化粪池简单处理后排入城镇污水管网。在排入地表水体或小微水体时，应结合当地排放管理要求，生活污水处理达标后排放，必要时采取污水回用措施以避免外排。随着农村生活污水处理工艺的快速发展，投资少、运维简单、管理方便的厌氧组合处理工艺为值班人员少、排水量少、运维力量欠缺的变电站生活污水处理提供了新的技术方向。

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