改造當(dāng)前國內(nèi)污水管網(wǎng)需要綜合考慮的四個(gè)因素
導(dǎo) 讀
影響污水管網(wǎng)性能和效率的四個(gè)因素：外來水入侵、管網(wǎng)里含外來水混合污水的處理量(污水處理廠的處理能力)、城市用水效率、污水收集率。以維也納和蘇黎世合流式污水管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理廠為例，比較國內(nèi)和一些歐洲國家在污水管網(wǎng)外來水入侵等情況，分析了造成國內(nèi)污水濃度偏低的因素, 提出了估算公式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量平衡概念模型及相關(guān)建議。
1 歐洲國家的相關(guān)數(shù)據(jù)
維也納和蘇黎世的污水管網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋97%以上市區(qū)，均以合流制為主。維也納主污水處理廠(VMWWTP)和蘇黎世Werdh?lzli 污水處理廠分別是奧地利和瑞士最大的污水處理廠。表1給出了兩座城市各自污水管網(wǎng)和污水處理廠的主要設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。維也納和蘇黎世兩個(gè)污水管網(wǎng)的外來水約為各自污水管網(wǎng)內(nèi)污水量的36%和48%(見表2)，合流制管網(wǎng)溢流(CSO)化學(xué)需氧量(COD)負(fù)荷約為各自污水負(fù)荷的7%和3%。維也納污水干管的坡度為0.4%。在旱季高峰水量運(yùn)行時(shí)，截流干管內(nèi)污水流速可達(dá)1 m/s，防止污水中固體在管網(wǎng)內(nèi)輸送過程中的沉積。
表1 維也納和蘇黎世污水管網(wǎng)系統(tǒng)和VMWWTP和Werdh?lzli污水處理廠的主要設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)
表2 歐洲(和美國)污水管網(wǎng)外來水占比和稀釋倍數(shù)
注：由于不同的計(jì)算方法和當(dāng)?shù)貤l件，表2中外來水占比和稀釋倍數(shù)不具備完全可比性。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(除非單獨(dú)說明，數(shù)據(jù)均來自于合流制系統(tǒng))。
VMWWTP的進(jìn)水設(shè)計(jì)濃度為: COD 750 mg/L、TN 60 mg/L、TP 9 mg/L，實(shí)際運(yùn)行能力約為設(shè)計(jì)值的75％。Werdh?lzli污水處理廠2019年進(jìn)水平均濃度為:COD 400 mg/L、TN 33 mg/L、TP 4 mg/L。兩座污水處理廠的出水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)相同: COD<30 mg/L、TN<10 mg/L、TP<1 mg/L。兩座污水處理廠在能量回收方面工作都卓有成效。VMWWTP新建的厭氧消化池自2021年初開始滿負(fù)荷運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)電力和熱能自給。Werdh?lzli污水處理廠除了在更早時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了電力和熱能自給，其污泥干燥和焚燒廠也實(shí)現(xiàn)了電力和熱能自給。
一般來說，相對于合流制，分流制管網(wǎng)具有污水和溢流量少及管網(wǎng)內(nèi)污染物濃度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在新開發(fā)和一些改造提升區(qū)域獲得較多應(yīng)用，盡管投資費(fèi)用很大， 特別是在大城市及人口稠密的老城區(qū)。在德國，合流制系統(tǒng)服務(wù)的人口占比從1983年的71.2%降低到2004年的58.3%。截至2019年，北部區(qū)域分流制系統(tǒng)占到約90%, 并顯示出色性能。在丹麥，截至2017年，分流制系統(tǒng)占比約68%，芬蘭分流制系統(tǒng)占比達(dá)73%。然而，需要指出的是，分流制管網(wǎng)也存在外來水和雨季溢流 (SSO）問題。一些調(diào)查表明，分流制系統(tǒng)在對營養(yǎng)物控制方面優(yōu)于合流制系統(tǒng)，但后者在重金屬和COD的控制上則優(yōu)于前者。在德國，分流制管網(wǎng)調(diào)蓄池容積比合流管網(wǎng)調(diào)蓄池容積大，雨季污水處理廠通常需要考慮盡可能對管網(wǎng)內(nèi)污水輸送至污水處理廠進(jìn)行全過程處理或?qū)Τ课鬯M(jìn)行化學(xué)一級(強(qiáng)化)處理后排放。荷蘭經(jīng)驗(yàn)是，在連接分流制管網(wǎng)管道中, 5%的錯(cuò)接是難以避免的，而降雨時(shí)分流制管網(wǎng)系統(tǒng)溢流污染負(fù)荷與合流制系統(tǒng)實(shí)際上是同一的數(shù)量級。因此，在荷蘭，將初雨引入污水管道系統(tǒng)或調(diào)蓄池的措施同時(shí)用于合流制系統(tǒng)和分流制系統(tǒng)。
2 管網(wǎng)外來水量計(jì)算
城市污水主要由如下兩部分組成：①城市供水使用后產(chǎn)生的污水 (used water)；②外來水 (或寄生水) 。按照用水類別，第一部分污水來源為：a家庭生活用水；b行政/機(jī)構(gòu)設(shè)施用水（或稱公共建筑用水）；c工業(yè)用水。其中a和b相加稱之為公共用水 (PWC）。公共用水與c相加稱之為綜合用水 (CWC）。
外來水由兩部分組成: 入滲水和入流水。在污水管網(wǎng)系統(tǒng)中(合流或分流系統(tǒng))，入滲水是指地下水、地表水（河道）或城市供水系統(tǒng)滲漏通過老舊管道的侵入污水系統(tǒng)的水。入流水是指雨水、河水和山泉水通過管網(wǎng)錯(cuò)接點(diǎn)或者破損部位進(jìn)入污水系統(tǒng)的水。影響外來水量的因素是多方面的，包括: 地下水位、城區(qū)河道水位、水文特性、土壤特征和降雨（降雨量和強(qiáng)度）及污水管道的施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)性狀況等。污水管網(wǎng)內(nèi)污水(混合污水，RW)為收集污水和外來水之和。外來水經(jīng)常被視為清潔水，外來水的侵入，降低了污水管網(wǎng)內(nèi)混合污水的濃度。為了數(shù)據(jù)收集的便利和對比國內(nèi)外案例，在后續(xù)論述中將用單位”人日均”為基礎(chǔ)來表征相關(guān)參數(shù)。
外來水量對污水管網(wǎng)內(nèi)混合污水(RW) 量比被稱為外來水占比值，混合污水對收集污水(CS)比值被稱為稀釋倍數(shù)(DF）， 兩者常用來表示污水稀釋程度(或管道滲漏)。比較評估外來水量不同方法，水量平衡法和水質(zhì)稀釋方法相對簡單和直接。式(1)（基于水量平衡）和式(2) （基于水質(zhì)稀釋法）常用于計(jì)算稀釋倍數(shù)。
式中 SRW 為人日均管網(wǎng)中混合污水量；SCWC為人日均綜合用水量；PLCOD為人日均COD排放量；CRW 為管網(wǎng)中污水COD濃度。由于經(jīng)常缺乏SRW數(shù)據(jù)，實(shí)際上式（2)被更多地用于計(jì)算稀釋倍數(shù)。
表2匯集了主要來自歐洲國家的與城市污水稀釋相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。綜合來看，外來水占比范圍為25%~70%，對應(yīng)的稀釋倍數(shù)范圍為1.4~4.0。奧地利污水管網(wǎng)外來水占比約為1/3，蘇黎世污水管網(wǎng)外來水占比為48%。德國和荷蘭的的合流制系統(tǒng)外來水占比高達(dá)60%，意味著每售出1 m3自來水，對應(yīng)污水管網(wǎng)里約2.5m3混合污水。丹麥污水管網(wǎng)平均外來水占比為50%，對應(yīng)稀釋倍數(shù)2。美國污水管網(wǎng)外來水占比50%~65%，其中入滲水量僅占15%，在峰值時(shí)約為30%。德國北部和東北部的分流制污水管網(wǎng)系統(tǒng)平均外來水占比僅14%，但是全德國的分流制系統(tǒng)平均外來水占比為34%。在芬蘭，與分流制系統(tǒng)連接48座污水處理廠的外來水占比平均值為41%。這些數(shù)據(jù)表明，合流制系統(tǒng)外來水量占到管網(wǎng)內(nèi)污水量近50%或以上，意味外來水量和收集污水量(CWC)相當(dāng)甚至更多；對分流制系統(tǒng)，外來水占比差異較大，德國北部最低， 但也有較高的情況， 如丹麥和挪威的案例所示。因此可見， 污水管道外來水入侵是一個(gè)世界性的問題, 并不僅僅只發(fā)生在中國。
國內(nèi)污水管道外來水定量報(bào)道不是很多。據(jù)近年文獻(xiàn)， 外來水占比約在30%~70%，對于維護(hù)良好的污水管道系統(tǒng)，地下水入滲量占比約在28%~40%?？紤]到許多污水管道處在滿管或高水位運(yùn)行，在正常水位運(yùn)行條件下實(shí)際的外來水入侵可能比已報(bào)告的的數(shù)值更高。需要注意的是，由于不同用水效率，相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)并不意味著相同數(shù)量的外來水量。如表2和表3顯示，對應(yīng)相同的外來水占比或稀釋倍數(shù)，用水效率較高(低人日均綜合用水量）的一些西歐國家和城市相比用水效率較低(高人日均綜合用水量）的國內(nèi)城市，外來水量僅是后者的約50%。但在相似的占比或稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，歐洲的污水管道里污水COD濃度仍可維持在400~680mg/L 范圍(如德國和蘇黎世的合流制系統(tǒng)），遠(yuǎn)高于當(dāng)前許多國內(nèi)污水管道系統(tǒng)的COD濃度(見表3)。說明國內(nèi)污水低濃度不僅僅是由于污水管道外來水侵入造成的，尤其在新建城區(qū)，用水效率應(yīng)該是不可忽視的一個(gè)因素。
表3 部分歐洲國家和中國的人日均綜合用水量、人日均污水處理量、人日均(混合)污水量及污水COD濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)
注：①在污水全收集條件下，等于人日均綜合用水量(SCWC)，中國案例的用水量不包括由于供水管泄漏造成的水損失。② 奧地利和德國的人日均污水處理量(SRW)數(shù)據(jù)基于人口當(dāng)量(PE)，其余數(shù)據(jù)基于居民數(shù)。③文獻(xiàn)［1, 25］中數(shù)據(jù)的平均值。④沒有括號值由式（2）計(jì)算; 括號中的稀釋倍數(shù)是根據(jù)污水處理廠記錄的處理量作為人日均(混合)污水量(SRW)由式（1）計(jì)算。
3 含外來水混合污水的處理量和降低外來水量的策略
削減污水管網(wǎng)外來水入侵是全球城市水環(huán)境面對的一個(gè)持續(xù)挑戰(zhàn)。歐洲的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)是：準(zhǔn)確測定外滲水進(jìn)入管網(wǎng)位置通常操作復(fù)雜、耗時(shí)良久，且費(fèi)用不菲。而一般來講，入滲水量占外來水量相對較少，因此，減少入流水入侵常成為第一要?jiǎng)?wù)， 重點(diǎn)放在溪流、河道、施工排水和雨水等入流水量的減少上。以蘇黎世為例，自19世紀(jì)80年代起，河水、小溪流和“干凈”的雨水等天然水被逐漸隔離在合流制系統(tǒng)外， 由單獨(dú)管線(經(jīng)沉淀后)排放，從而實(shí)現(xiàn)“清污分離”。由此，從1985年到2003年，蘇黎世合流制污水管網(wǎng)外來水量降低了約30%，其中的60%是通過將小溪和河水從合流制系統(tǒng)中分離得以實(shí)現(xiàn)的，通過減少入滲水僅占7%。國內(nèi)相當(dāng)部分污水管網(wǎng)系統(tǒng)，即使在旱季也充滿外來水，說明小溪、河道等外流水侵入情況嚴(yán)重。因此，污水管網(wǎng)系統(tǒng)提質(zhì)增效實(shí)現(xiàn)“清污分離”應(yīng)該是優(yōu)先事項(xiàng)，這方面的任務(wù)包括將導(dǎo)入河道或雨水通道中的污水分離并接回到污水管網(wǎng)，消除河水通過溢水管進(jìn)入(倒灌)污水管網(wǎng)，糾正雨水管與污水管之間的錯(cuò)接，尤其是在那些具備條件的城市老舊住宅小區(qū)內(nèi)等雨/污水管錯(cuò)接和沿河截污的管網(wǎng)。最近在廣州和國內(nèi)其他城市的項(xiàng)目說明了類似經(jīng)驗(yàn)的有效性。
4 污水稀釋因素
假設(shè)居民人數(shù)等于人口當(dāng)量數(shù) (PE)，式 (3）被用于計(jì)算污水管網(wǎng)混合污水COD濃度 (CRw)：
式中，PLCOD為人日均COD排放量；X為污水收集率；PLCOD,i/i為人日均外來水含COD量；SCWC為人日均綜合用水量；SQi/i為人日均外來水體積。
研究數(shù)據(jù)表明，中國發(fā)達(dá)地區(qū)城市居民人日均COD排放量與歐洲人相近。因此，本研究可將式(3）簡化為式(4），后者被用來估算管網(wǎng)中混合污水COD的濃度。
式(4）表明，混合污水COD的濃度取決于綜合用水量和稀釋倍數(shù)，前者與用水效率有關(guān)，后者與外來水(或管網(wǎng)滲漏)有關(guān)。在污水全收集(X = 100%)且管網(wǎng)外來水可以忽略(DF≈1)的條件下，混合污水COD最大濃度為120/SCWC (g/L)，綜合用水量(SCWC)決定了混合污水COD能夠達(dá)到最大濃度。德國柏林市主要城區(qū)污水管網(wǎng)為合流制，但由于較高的水利用效率［SCWC= 117 L/(人·d)］和出色的外來水控制 (或與較低降雨量550mm/年有關(guān)），混合污水COD和總磷(TP) 平均濃度分別達(dá)963 mg/L和15.5 mg/L (2016年)。因此，管網(wǎng)外來水入侵越少(管網(wǎng)施工質(zhì)量和管理越好，滲漏越少)，用水效率越高(用水量越少)，污水收集率越高，混合污水的污染物濃度則越高。
表3匯總了德國、奧地利、蘇黎世、北京、長三角和珠三角二城市與水有關(guān)的數(shù)據(jù)，還列出了基于污水處理廠記錄的人日均污水處理量數(shù)據(jù)。詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析可參考文末原文。如表3顯示，除北京外，長三角和珠三角兩座代表性城市污水COD濃度均顯著低于德國，奧地利和蘇黎世污水COD濃度。因?yàn)楦呔C合用水量，國內(nèi)的相當(dāng)一部分污水管網(wǎng)外來水量要比德國等西歐國家高得多，盡管稀釋倍數(shù)(1.7~1.8)與一些歐洲國家相近。且如前所述，如果降低污水管網(wǎng)中的水位，外來水得到不有效控制，實(shí)際的外來水入侵可能進(jìn)一步增加。改善國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏、尤其是“擠外水”確實(shí)是一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
根據(jù)式(2)計(jì)算的稀釋倍數(shù)(1.7~1.8) 與使用污水處理廠的處理量作為式 (1)中SRW計(jì)算的稀釋倍數(shù)(1.0~1.2)，可以估計(jì)約30％~40％的污水未經(jīng)處理排放，接近文獻(xiàn)估值。這部分未經(jīng)處理污水可分為兩部分: ① 未收集進(jìn)污水管網(wǎng); ②在污水輸送過程外滲和溢流設(shè)施(CSO, SSO)排出。
5 污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量流和平衡概念模型
本節(jié)提供了一個(gè)簡化的污水管網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量流與平衡的概念模型 (見圖1)。
圖1 污水管網(wǎng)水力和污染物質(zhì)量流與平衡簡化模型
模型被用來描述五個(gè)不同的的場景，展示外來水入侵和含外來水混合污水的處理(污水處理廠的處理能力)、用水效率和污水收集率對管網(wǎng)里污水濃度和污染物溢流的影響。模型參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表4。五個(gè)場景中，三個(gè)為德國案例：場景1為以分流制排水系統(tǒng)為主的北部地區(qū)，場景2和3為以合流制為主的某州。場景1和2中污水處理廠能夠處理所有混合污水。為說明污水處理廠處理能力對溢流控制的重要性并與場景2相比，假定場景3中污水處理廠只能處理1×SCWC混合污水。前三個(gè)場景污水都是全收集(X=100%)。兩個(gè)為中國案例：長三角和珠三角二個(gè)城市，污水收集率均為85%。除了稀釋倍數(shù)，其他參數(shù)與表3中長三角和珠三角二城市情況相同，前者因下水道收集的污水流量減少而略高于表3中值。
對五個(gè)場景模型計(jì)算結(jié)果詳見表4:
當(dāng)用水效率，污水收集率相似時(shí)，污水管網(wǎng)滲漏及外來水入侵是污水濃度的決定因素。根據(jù)目前國內(nèi)情況，減少和控制外來水是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。
外來水入侵造成管網(wǎng)混合污水流量增加，當(dāng)超過污水處理廠水力處理負(fù)荷時(shí)，則導(dǎo)致溢流排放增加。因此，污水處理廠具備適當(dāng)?shù)乃μ幚碡?fù)荷(截流倍數(shù))對于控制溢流和受納水體的水質(zhì)至關(guān)重要。
用水效率是影響管網(wǎng)污水濃度的因素之一，尤其是外來水入侵得到適當(dāng)控制的情況下。
污水收集率和污染物對水環(huán)境排放負(fù)荷存在明顯關(guān)系。低收集率意味著高溢出率，盡管所致污水濃度降低現(xiàn)象可能并不明顯。今年發(fā)改環(huán)資等”十部門“在聯(lián)合發(fā)布關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見中強(qiáng)調(diào)了增加污水收集率的重要性。
以相對低成本策略實(shí)現(xiàn)排放到水環(huán)境中污染負(fù)荷總量的最大程度削減，應(yīng)成為城市水環(huán)境和流域治理的優(yōu)先方向和整體評估指標(biāo)。
表4 五種不同場景下模型參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)和污水COD濃度及溢流負(fù)荷計(jì)算值
注：① 除了括號中值, 所有值為污水處理廠記錄處理量,場景1~3單位是L/(PE·d)。括號中值為由式(2)計(jì)算的DF算得的人日均混合污水量(SRW)。②括號中為由式（2）算得DF計(jì)算人日均混合污水量(SRW)。③沒有括號值由式（2）計(jì)算; 括號中的值是由將污水處理廠的處理量作為人日均混合污水量(SRW)由式（1）算得的稀釋倍數(shù)。
6 污水處理廠如何應(yīng)對含外來水的超量混合污水
圖2顯示了蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季一周（2018年8月25至31日）水力負(fù)荷從0.5 m3/s (43 200 m3/d)提升至6.5 m3/s(561 600 m3/d，雨季最大的水力負(fù)荷) 期間運(yùn)行情況。在峰值流量期，活性污泥SRT約14 d，HRT僅2.8 h，出水氨氮始終低于2 mg/L, 硝酸鹽氮低于12 mg/L，且管網(wǎng)無溢流發(fā)生。國內(nèi)不少城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥工藝SRT 和HRT設(shè)計(jì)偏于保守，基于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，現(xiàn)有相當(dāng)部分生化處理單元應(yīng)能夠接受并處理雨季進(jìn)水額外負(fù)荷 。
現(xiàn)有相當(dāng)一部分污水處理廠是根據(jù)旱季狀況設(shè)計(jì)，雨季面臨主要挑戰(zhàn)是那些以水力負(fù)荷為設(shè)計(jì)依據(jù)的單元(主要是物理和化學(xué)處理單元)。為此，需要對現(xiàn)有污水處理廠的相關(guān)單元、設(shè)施和設(shè)備能力和運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和分析，確定有必要進(jìn)行升級改造的單元。與此同時(shí)，應(yīng)充分利用調(diào)蓄池和污水管網(wǎng)系統(tǒng)(管網(wǎng)、及泵站等）的潛在存儲(chǔ)容積、錯(cuò)峰及流量控制，緩解峰值流量沖擊從而減少CSO (和SSO) 溢流排放。近些年在國內(nèi)一些城市黑臭水體治理工作中，對管網(wǎng)溢流采用就地處理，改善了受納水體水質(zhì)。但從長遠(yuǎn)看，根據(jù)接收水體的功能，對現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行適當(dāng)改造，采用旁路化學(xué)強(qiáng)化一級處理、甚至全過程處理或許更具成本效益。
圖2 瑞士蘇黎世Werdh?lzli污水處理廠雨季（2018年8月25至8月31日）進(jìn)水流量、出水氨氮即硝態(tài)氮及調(diào)蓄池水位在線測量數(shù)據(jù)
7 幾點(diǎn)建議
?。?）污水管網(wǎng)系統(tǒng)升級改造需綜合考慮的四個(gè)因素：外來水入侵、含外來水混合污水的處理量(污水處理廠的處理能力)、污水收集率和用水效率。
（2）對現(xiàn)有污水管網(wǎng)影響因素進(jìn)行定量分析，識別較易實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)有效的行動(dòng)的優(yōu)先次序。
?。?）重新考慮和確定污水管網(wǎng)和污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)程。
?。?）新政策和法規(guī)。
來源：給水排水