污水提質(zhì)增效平原老城區(qū)案例
以華東地區(qū)某城市老城區(qū)污水處理廠服務(wù)片區(qū)為研究對(duì)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采取防倒灌措施后，污水處理廠污染物進(jìn)水濃度提升明顯。平原高地下水位地區(qū)污水處理廠進(jìn)水濃度影響因素由大到小分別為：地下水入滲、管道沉積和降解、河水倒灌、降雨，對(duì)污染物進(jìn)水濃度影響程度（以BOD5計(jì)）分別為：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。在平原老城區(qū)實(shí)施“清污分流”，建議優(yōu)先采取的措施為防治河水倒灌、管網(wǎng)修復(fù)，管網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)完備后可采取降低管網(wǎng)運(yùn)行水位的措施，雨污分流需伴隨著老城區(qū)改造循序漸進(jìn)。通過(guò)多項(xiàng)措施的逐步實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)提高污水處理廠進(jìn)水濃度的目標(biāo)。
引言
2019年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019~2021年）》（以下簡(jiǎn)稱《方案》），其主要目標(biāo)：經(jīng)過(guò)3年努力，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本無(wú)生活污水直排口，基本消除城中村、老舊城區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部生活污水收集處理設(shè)施空白區(qū)，基本消除黑臭水體，城市生活污水集中收集效能顯著提高?！斗桨浮分刑岢鰧?shí)施管網(wǎng)混錯(cuò)接改造、管網(wǎng)更新、破損修復(fù)改造等工程，實(shí)施清污分流，全面提升現(xiàn)有設(shè)施效能，并明確要求城市污水處理廠進(jìn)水生化需氧量（BOD5）濃度低于100 mg/L的，要圍繞服務(wù)片區(qū)管網(wǎng)制定“一廠一策”系統(tǒng)化整治方案，明確整治目標(biāo)和措施。
截至2018年6月底，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理能力已達(dá)1.61億m3/d。然而城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度普遍偏低，仍然存在污水直排入河的情況，城市河道黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)2017年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水COD平均值僅為267 mg/L，南方地區(qū)的一些污水處理廠COD甚至低于100 mg/L，而歐洲污水處理廠的進(jìn)水COD一般在400～1 000 mg/L。
本文以服務(wù)于華東地區(qū)某城市老城區(qū)的污水處理廠（以下簡(jiǎn)稱老城區(qū)污水處理廠）為研究對(duì)象，通過(guò)分析該片區(qū)污水處理提質(zhì)增效相關(guān)工程措施，提出平原地區(qū)污水處理提質(zhì)增效的實(shí)施策略，為污水處理提質(zhì)增效工作的開展提供技術(shù)支撐。
1.污水處理廠進(jìn)水濃度偏低的成因及提質(zhì)增效措施分析
華東地區(qū)某城市老城區(qū)擁有唯一的一座污水處理廠，其服務(wù)范圍內(nèi)基本為合流制或混接分流制，污水處理廠所在城區(qū)地勢(shì)平坦，年均月降雨量1 000 mm，地下水距離地面最淺處只有1.6 m。分析老城區(qū)污水處理廠2016～2017年進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），污水處理廠污染物進(jìn)水濃度相對(duì)較低，COD、BOD5、NH3N的平均濃度分別為140.6 mg/L、66.1 mg/L、17.8 mg/L。經(jīng)分析，該污水處理廠進(jìn)水濃度偏低的主要原因可歸納為河水倒灌、地下水入滲、雨污合流、管道內(nèi)污染物沉積和降解。
圖1 老城區(qū)污水處理廠2016~2017年污染物進(jìn)水濃度變化
1.1 河水倒灌南方平原城市河網(wǎng)密度較高，地勢(shì)平緩，管道基本無(wú)法借助地形排水，入河排水口多為淹沒(méi)出流。由于入河排水口淹沒(méi)在河道常水位之下，加之老城區(qū)內(nèi)合流制或混接分流制的影響，河水通過(guò)入河排水口倒灌回污水系統(tǒng)。河水的倒灌使得污水系統(tǒng)中摻雜大量清水，污水的轉(zhuǎn)輸、提升、處理系統(tǒng)的效率顯著下降，最終導(dǎo)致污水處理廠的污染物進(jìn)水濃度普遍偏低。同時(shí)由于清水侵占了污水的空間，容易出現(xiàn)旱季污水外溢的情況。解決河水倒灌可以采取兩種方式，降低河道水位或在排水口設(shè)置防倒灌措施。
降低河道水位可有效的減少河水通過(guò)入河排水口進(jìn)入污水系統(tǒng)，但是河道常水位的設(shè)置涉及到常水位與現(xiàn)狀沿河構(gòu)筑物高程的關(guān)系、整體景觀效果、生態(tài)水深等因素，改變現(xiàn)狀河道的常水位需要系統(tǒng)分析研究并征得各管理部門的同意。
入河排水口設(shè)置防倒灌措施同樣是為了解決河水倒灌至污水系統(tǒng)，使得污水系統(tǒng)的輸送和處理能力提升，有效的緩解了污水旱季溢流。由于其改造內(nèi)容較為簡(jiǎn)單因此工程可實(shí)施性較強(qiáng)。
1.2 地下水入滲
地下水入滲管道的原因很多，主觀原因包括管道材質(zhì)、接口形式、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)管水平等；客觀原因包括地質(zhì)條件、地下水水位、降雨等。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，入滲量占總水量的10%～15%，但實(shí)際入滲量每個(gè)城市差別較大，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分別測(cè)定。
隨著《方案》的提出，各地正在重點(diǎn)排查現(xiàn)狀管道的運(yùn)行情況，著手通過(guò)修復(fù)現(xiàn)狀管道，解決地下水入滲的情況。但是在老城區(qū)內(nèi)管網(wǎng)的修復(fù)受外界影響的因素多，修復(fù)成本高，實(shí)施難度大，需要伴隨著城市的發(fā)展由重要滲漏點(diǎn)向普通滲漏點(diǎn)逐步推進(jìn)，絕非一蹴而就能夠完成的。
1.3 雨污合流
合流制是最為傳統(tǒng)的排水體制，在我國(guó)很多老城區(qū)排水系統(tǒng)建設(shè)于19世紀(jì)80年代或者更早，受制于當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)能力等因素，很多城市都采用合流制系統(tǒng)。從圖1中可以看出每年雨季進(jìn)水濃度顯著降低，以2016~2017年數(shù)據(jù)為例，雨季月均降雨量為156.4 mm，BOD5平均濃度61 mg/L，NH3-N平均濃度16.2 mg/L。旱季月均降雨量為25.4 mm，BOD5平均濃度71 mg/L，NH3-N平均濃度19.7 mg/L。雨季BOD5和NH3-N進(jìn)水濃度分別為旱季的85.9%和82.2%，降雨對(duì)污水處理廠進(jìn)水濃度存在一定影響。
雖然近年新建項(xiàng)目已基本普及分流制，老城區(qū)也在推行雨污分流改造，但受制老城區(qū)地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，施工難度大，拆遷賠償?shù)榷嘀匾蛩?，推進(jìn)相對(duì)緩慢。有些地區(qū)即使完成了雨污分流改造，由于后期管理問(wèn)題，往往雨污分流后又出現(xiàn)雨污混接的情況，整體改造效果不明顯。
1.4 管道內(nèi)污染物的沉積和降解
平原城市管道由于無(wú)法借助地形，管道坡度較小，加之目前很多城市污水系統(tǒng)高水位運(yùn)行，污水在管道中的流速較低。較低的流速導(dǎo)致污水中的大顆粒物質(zhì)在管網(wǎng)中蓄積，同時(shí)由于停留時(shí)間長(zhǎng)，有機(jī)物在管道中發(fā)生生化反應(yīng)，最終導(dǎo)致污水中污染物濃度的降低，也易造成局部淤塞。
降低污水系統(tǒng)運(yùn)行水位，恢復(fù)管道設(shè)計(jì)充滿度有利于提高管道中污水流速。但是如果沒(méi)有解決地下水入滲、河水倒灌，僅降低城市管網(wǎng)的運(yùn)行水位難以真正實(shí)現(xiàn)污水收集系統(tǒng)的效能提升。
2.污水處理廠進(jìn)水濃度各影響因素的量化分析
2017年11月底為了響應(yīng)國(guó)家黑臭水體治理的要求，華東地區(qū)某城市老城區(qū)對(duì)所有入河排水采取了防倒灌措施，確保河水不倒灌至市政管網(wǎng)，同時(shí)旱季不出現(xiàn)污水溢流。經(jīng)過(guò)約2年的運(yùn)行，污水處理廠進(jìn)水濃度發(fā)生了較為顯著的變化，為研究河水倒灌、降雨、地下水入滲的影響程度提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料。
為了量化分析各因素的影響程度，首先需確定污水系統(tǒng)起始點(diǎn)的污染物濃度。我國(guó)各地實(shí)測(cè)居民小區(qū)出口的污水COD一般為350～500 mg/L，按照生活污水BOD5/COD≈0.5的比例，確定污水系統(tǒng)起始點(diǎn)的污水BOD5濃度約為175～250 mg/L。按照各因素造成的濃度降低量與起始點(diǎn)濃度的比值測(cè)算其影響程度。
2.1 河水倒灌及降雨對(duì)進(jìn)水濃度的影響分析
為了研究河水倒灌和降雨對(duì)污水處理廠進(jìn)水濃度的影響，暫定全年地下水入滲不存在顯著性差異，將2016~2019年的進(jìn)水月均數(shù)據(jù)，根據(jù)月降雨量分為3個(gè)層次。
當(dāng)月降雨量小于50 mm時(shí)，此時(shí)處于旱季，降雨基本不會(huì)影響管網(wǎng)水質(zhì)。從圖2中可以看出2017年11月實(shí)施防倒灌措施后，污水處理廠月均進(jìn)水濃度顯著上升。2017年11月前BOD5平均濃度71.0 mg/L，NH3-N平均濃度19.7 mg/L。2017年11月后BOD5平均濃度103.4 mg/L，NH3-N平均濃度24.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了45.6%和22.8%。
圖2 2016~2019年月均進(jìn)水濃度變化（月降雨量小于50 mm）
圖3 2016~2019年月均進(jìn)水濃度變化（月降雨量50~150 mm）
當(dāng)月降雨量為50~150 mm時(shí)，此時(shí)處于雨季，降雨頻次顯著提高，但每場(chǎng)降雨的強(qiáng)度不大，降雨將顯著影響管網(wǎng)污染物濃度。從圖3中可以看出2017年11月前BOD5平均濃度68.3 mg/L，NH3-N平均濃度18.2 mg/L，2017年11月后BOD5平均濃度84.9 mg/L，NH3-N平均濃度23.2 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了24.3%和27.4%。當(dāng)月降雨量大于150 mm時(shí)，此時(shí)處于雨季，降雨多為強(qiáng)降雨。從圖4中可以看出2017年11月前BOD5平均濃度53.7 mg/L，NH3-N平均濃度14.2 mg/L。2017年11月后BOD5平均濃度86.5 mg/L，NH3-N平均濃度22.1 mg/L。BOD5和NH3-N的平均濃度分別提升了61.1%和55.6%。由此可見(jiàn)在降雨量較大的月份，河水倒灌和降雨的疊加影響導(dǎo)致了污水處理廠污染物進(jìn)水濃度的顯著降低。在采取防倒灌措施后，雨季雖然降雨量較大，但從平均值水平來(lái)看，對(duì)污水處理廠的污染物進(jìn)水濃度的影響是有限的。
圖4 2016~2019年月均進(jìn)水濃度變化（月降雨量大于150 mm）
從2016~2019年的污水處理廠污染物進(jìn)水濃度數(shù)據(jù)可以看出，2017年底實(shí)施防倒灌措施后有效提高了污水處理廠的污染物進(jìn)水濃度。由于旱季基本不存在降雨對(duì)濃度的影響，因此采用旱季污水處理廠污染物進(jìn)水濃度，分析采取防治河水倒灌措施前后的數(shù)據(jù)，污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度提升約32.4 mg/L。因此，河水倒灌對(duì)進(jìn)水BOD5濃度的影響程度約為13%~18%。通過(guò)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)表1）可以看出降雨對(duì)污染物濃度影響是顯著的，2018~2019年度采取防倒灌措施后基本可以忽略河水倒灌對(duì)進(jìn)水濃度的影響。對(duì)比旱季和雨季的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，降雨導(dǎo)致進(jìn)水BOD5濃度降低了17.7 mg/L，對(duì)污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度的影響程度約為7%~10%。
表1 2018~2019年度旱季和雨季污水處理廠平均進(jìn)水濃度對(duì)比
2.2 污染物管道中沉積和降解對(duì)進(jìn)水濃度的影響分析研究表明在15 ℃條件下，管道中污水COD的衰減速率為20 mg/(L·h)［折算BOD5的衰減速率約為10 mg/(L·h)］。本研究對(duì)象老城區(qū)污水處理廠的收集系統(tǒng)起始端到終點(diǎn)的平均長(zhǎng)度約8 km，由于現(xiàn)狀管道基本處于滿管流，按照污水處理廠的進(jìn)水流量反算管道平均流速約0.4～0.6 m/s。據(jù)此可知污水在管道運(yùn)輸過(guò)程中BOD5的衰減量約為37.0～55.5 mg/L，污水在管道轉(zhuǎn)輸中由于沉積和降解導(dǎo)致污染濃度的衰減對(duì)污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度的影響程度約為17%～26%。
2.3 地下水入滲對(duì)進(jìn)水濃度的影響分析
地下水入滲量與地下水水位、降雨、河水倒灌以及管道漏損等情況均息息相關(guān)。為了初步量化分析入滲的影響，擬采用老城區(qū)污水處理廠實(shí)施防倒灌措施后旱季的實(shí)測(cè)進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)反算地下水入滲的影響。此時(shí)主要影響污水處理廠濃度的因素為地下水的入滲、污染物轉(zhuǎn)輸過(guò)程的沉積和降解。地下水入滲對(duì)進(jìn)水濃度的影響值=小區(qū)出口濃度-污水在管道轉(zhuǎn)輸中的衰減量-污水處理廠進(jìn)水平均濃度。根據(jù)表2可知地下水的入滲對(duì)污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度的影響程度約25%～34%。這充分的反應(yīng)出地下水位較高的老城區(qū)，管網(wǎng)的滲漏對(duì)污水處理廠進(jìn)水濃度影響非常大。
表2 地下水入滲量對(duì)污水處理廠進(jìn)水濃度的影響分析(BOD5)
3.結(jié)論與建議●分析華東地區(qū)某城市老城區(qū)污水處理廠2016~2019年進(jìn)水濃度的變化情況，河道排水口采取防倒灌措施后污水處理廠進(jìn)水濃度顯著提升，BOD5平均濃度提升24.3%～61.1%，NH3-N平均濃度提升22.8%～55.6%。
●通過(guò)多年數(shù)據(jù)對(duì)比分析，平原老城區(qū)污水處理廠進(jìn)水濃度影響因素由大到小分別為：地下水入滲、管道沉積和降解、河水倒灌、降雨。影響程度（以BOD5計(jì)）分別為：25%～34%、17%～26%、13%～18%、7%～10%。
●總體來(lái)看地下水入滲影響最大，但對(duì)老城區(qū)實(shí)施管道修復(fù)和雨污分流改造都是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。因此，應(yīng)綜合考慮工程實(shí)施的難度和措施的有效程度，開展平原老城區(qū)“清污分流”工作，建議優(yōu)先采取的措施為防治河水倒灌、管網(wǎng)修復(fù)，在此基礎(chǔ)上采取降低管網(wǎng)運(yùn)行水位的措施，并結(jié)合老城區(qū)改造循序推進(jìn)管網(wǎng)的雨污分流。通過(guò)多項(xiàng)措施的逐步實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)提高污水處理廠進(jìn)水濃度的目標(biāo)。