雨污混接系統(tǒng)調(diào)蓄池的設(shè)計及運行控制要點

徐國鋒，張 雪

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

調(diào)蓄池作為控制面源污染、削減雨水峰值流量的有效措施，已在多個國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用[1,2]。目前調(diào)蓄池多用于控制初期雨水污染[3-7]，在雨污混接系統(tǒng)中應(yīng)用較少。本文以上海市泰和污水處理廠調(diào)蓄池為例，分析雨污混接系統(tǒng)中調(diào)蓄池的設(shè)計及運行控制要點，以期為同類型調(diào)蓄池的設(shè)計及運行控制提供參考。

1 項目背景

泰和調(diào)蓄池位于上海市寶山區(qū)泰和污水廠工程用地范圍內(nèi)，屬石洞口污水片區(qū)。調(diào)蓄池進水總管接自新西干線。新西干線同時是泰和污水廠和石洞口污水廠的進水總管。泰和調(diào)蓄池、泰和污水廠與石洞口污水廠通過新西干線實現(xiàn)了進水系統(tǒng)的連通。圖1為新西干線連通系統(tǒng)示意圖。

新西干線沿線各接入點雨污混接現(xiàn)象嚴重。由于雨污混接現(xiàn)象短時間內(nèi)難以解決，因此在新西干線設(shè)計時，考慮了系統(tǒng)混接的雨水量，同時通過設(shè)置調(diào)蓄池解決系統(tǒng)合流污水溢流的問題。為了進一步解決石洞口片區(qū)的合流污水溢流問題，在泰和污水處理廠工程中新建調(diào)蓄池1座，設(shè)計調(diào)蓄容積為15萬m3。調(diào)蓄池主要包括以下兩方面功能：

圖1 新西干線連通系統(tǒng)示意圖

（1）針對系統(tǒng)雨污混接問題，作為雨季的合流污水調(diào)蓄，蓄存的合流污水通過泰和污水廠全流程處理后達標排放。

（2）保障石洞口區(qū)域污水廠平穩(wěn)運行，在污水廠檢修及事故狀態(tài)時提供調(diào)蓄，減少旱季污水溢流。

2 調(diào)蓄池設(shè)計

2.1 調(diào)蓄池進出水設(shè)計

進出水設(shè)計作為調(diào)蓄池設(shè)計的關(guān)鍵部分，對于調(diào)蓄池功能的有效發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。在雨污混接系統(tǒng)中，調(diào)蓄池要在保證污水廠正常運行的基礎(chǔ)上消納系統(tǒng)超量的混接雨水，對于系統(tǒng)水量分配和水位調(diào)控的要求較高。

2.1.1調(diào)蓄池進出水水位控制

雨污混接系統(tǒng)調(diào)蓄池進出水水位的設(shè)計要充分考慮系統(tǒng)在不同入流量、不同運行模式下的水量特點與水量需求，結(jié)合系統(tǒng)的高程布置統(tǒng)籌分析，實現(xiàn)系統(tǒng)水量的合理分配。調(diào)蓄池不僅要接納超過污水廠處理能力的合流污水，更要保證在低水量時系統(tǒng)內(nèi)污水優(yōu)先進入污水廠進行處理，滿足污水廠的處理能力。

特殊的是，在新西干線連通系統(tǒng)中，位于下游的石洞口污水廠其主要處理構(gòu)筑物為地上布置，而位于上游的泰和污水廠其設(shè)備操作平臺及主要處理構(gòu)筑物均位于地下。系統(tǒng)水位必須嚴格控制，既要避免因水位過低造成下游石洞口污水廠無法達到設(shè)計處理規(guī)模，又要避免因水位過高導致上游泰和污水廠被淹。鑒于雨污混接系統(tǒng)水量分配情況較為復(fù)雜，在設(shè)計時可借助軟件進行模型分析，模擬不同入流情況、不同運行工況下系統(tǒng)的水量分配及水位變化，尋找最不利點，為調(diào)蓄池的設(shè)計提供依據(jù)。泰和調(diào)蓄池在設(shè)計中利用了Info works軟件進行數(shù)學建模，模擬了在新西干線沿線各接入點不同入流量時石洞口污水廠、泰和污水廠及泰和調(diào)蓄池的水量分配及水位線變化。

為了控制泰和調(diào)蓄池的進水水位，在調(diào)蓄池進水渠設(shè)置了4臺水平格柵，每臺水平格柵后均配套設(shè)置液動式閘門。根據(jù)水力模型模擬結(jié)果，設(shè)定液動式閘門的溢流水位和開啟水位。初始狀態(tài)如圖2（a）所示，液動式閘門頂部與水平格柵頂部之間有部分溢流空間。當調(diào)蓄池進水渠水位達到溢流水位-1.90 m（絕對標高，吳淞高程，下同）時，合流污水自進水渠經(jīng)液動式閘門溢流進入調(diào)蓄池；當進水渠水位進一步升至開啟水位-1.70 m時，如圖2（b）所示，液動式閘門全部開啟，加大調(diào)蓄池的進水量；當進水渠水位降至溢流水位以下時，液動式閘門緩慢關(guān)閉，恢復(fù)初始狀態(tài)，無合流污水進入調(diào)蓄池，如圖2（c）所示。通過液動式閘門的啟閉控制調(diào)蓄池的入流量，既避免了調(diào)蓄池設(shè)備頻繁啟動，又保證了泰和污水廠地下操作空間的安全，實現(xiàn)系統(tǒng)水量的有效分配。

調(diào)蓄池出水進入泰和污水廠進行處理，出水水位與泰和污水廠進水水位保持一致，在水量低谷時通過控制調(diào)蓄池出水渠閘門的開啟高度，調(diào)節(jié)調(diào)蓄池出水流量，向泰和污水廠補水。泰和調(diào)蓄池主池體內(nèi)最高設(shè)計水位為+2.50 m，根據(jù)水力模型模擬結(jié)果，系統(tǒng)進水量低谷時泰和污水廠進水水位變化范圍為-3.0~-4.0 m，需嚴格控制出水渠閘門的開啟高度，緩慢出流，保證泰和污水廠地下操作空間的安全。

圖2 液動式閘門運行模式示意圖

2.1.2 調(diào)蓄池進出水方式

重力自流和水泵提升是調(diào)蓄池的兩種進出水方式。重力自流無需水泵提升，設(shè)備投資和運行費用較低，但為了實現(xiàn)系統(tǒng)重力自流，勢必增加調(diào)蓄池的埋深，從而造成土建費用的增加；采用水泵提升進出水的調(diào)蓄池可有效減小埋深，但由于調(diào)蓄池配泵流量較大，能耗較高，也會造成運行費用的增加。

泰和調(diào)蓄池的進出水方式需要綜合考慮系統(tǒng)流量分配、泰和污水廠地下操作空間安全、調(diào)蓄池埋深和投資控制等多重因素，最終采用重力進水+泵提進水、重力出水+泵提出水的模式。調(diào)蓄池配泵流量為15 m3/s，共設(shè)6臺軸流泵，其中4臺大泵的單泵流量為3.0 m3/s，兩臺小泵的單泵流量為1.5 m3/s。調(diào)蓄池進水時6臺軸流泵根據(jù)水位變化逐臺開啟，出水時開啟2臺小泵，在進水水量低谷期向泰和污水廠補水。

2.1.3 調(diào)蓄池水泵進水流態(tài)模擬

對于采用水泵提升進出水的調(diào)蓄池來說，水泵的穩(wěn)定安全運行對于調(diào)蓄池的運行控制至關(guān)重要。在設(shè)計時要結(jié)合調(diào)蓄池池型特點，合理布置水泵進水流道，盡可能使進水平穩(wěn)均勻入流。泰和調(diào)蓄池在設(shè)計時，為了確保軸流泵進水流道設(shè)計合理，采用CFD對調(diào)蓄池進水流道內(nèi)的水流進行數(shù)值計算，模擬其流動特性。調(diào)蓄池軸流泵進水流道的三維模擬結(jié)構(gòu)如圖3所示。

泰和調(diào)蓄池軸流泵的進水流道數(shù)值模擬后其整體流動特性如圖4所示。從圖中可以看到，進水經(jīng)洞口落入封閉的集水池內(nèi)，而后均勻向前流向流道末端水泵的吸水池，整個進水流道內(nèi)流動平穩(wěn)，沒有明顯的漩渦流動。由于流道是封閉的，因此也沒有水面的流動。

圖3 調(diào)蓄池進水流道三維結(jié)構(gòu)圖

圖4 整體流動特性模擬圖

軸流泵吸水口附近的旋流角和速度不均勻度見表1，其中軸流泵編號根據(jù)圖4從左到右依次為泵 1、2、3、4、5、6。可以看到：軸流泵入口的速度不均勻度最大在2%左右，滿足《泵入口設(shè)計》（ANSI HI9.8—2012）規(guī)定的“速度不均勻度小于10%”的要求；旋流角皆不大于1°，滿足《泵入口設(shè)計》（ANSIHI9.8—2012）規(guī)定的“旋流角小于 5°”的要求。這表明，軸流泵葉輪入口速度均勻，沒有漩渦流動，軸流泵可穩(wěn)定安全運行。

表1 軸流泵入口流動參數(shù)

2.2 調(diào)蓄池沖洗系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)蓄池在使用后底部不可避免有沉積雜物，雨污混接系統(tǒng)調(diào)蓄池由于蓄存的是混合污水，水中雜質(zhì)和污染物含量更高，因此設(shè)計調(diào)蓄池時，必須考慮對底部沉積物的清除。通常采用的調(diào)蓄池沖洗措施有：人工清潔、水力發(fā)射器沖洗、潛水攪拌器攪拌、水力沖洗翻斗沖洗、門式自沖洗及鏟車機械清除等。各沖洗措施的對比見表2。

表2 調(diào)蓄池沖洗措施對比表

在調(diào)蓄池設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合調(diào)蓄池池型和布置特點，綜合考慮投資、安全等因素，選擇合適的沖洗方式。需要注意的是，潛水攪拌器僅能在高水位時起到攪動防沉積的作用，在低水位時攪拌器葉片露出水面則必須停止攪拌，對沉積的泥砂則無能為力。水力翻斗必須提供一定量的外部水源進行沖洗，不夠經(jīng)濟。泰和調(diào)蓄池為矩形池型，適合布置矩形沖洗廊道。綜合考慮各方面因素，泰和調(diào)蓄池采用門式自沖洗系統(tǒng)。

調(diào)蓄池兩個池體內(nèi)共設(shè)置30條沖洗廊道，單條廊道寬4.9 m，長68 m，配備30套門式自沖洗系統(tǒng)，門寬L=2 800 mm，廊道末端設(shè)集水槽收集沖洗廢水，并通過集水槽末端的潛污泵將沖洗廢水提升后排至出水渠，進入泰和污水廠，經(jīng)全流程處理后達標排放。

3 調(diào)蓄池運行控制

雨污混接系統(tǒng)的調(diào)蓄池，由于兼具污水廠檢修時污水暫時儲存和接納系統(tǒng)合流污水溢流的作用，其運行控制也相應(yīng)分為旱季和雨季兩個模式。

旱季時，系統(tǒng)內(nèi)水量較低，系統(tǒng)進水以污水為主，應(yīng)優(yōu)先進入污水廠進行處理，滿足污水廠的設(shè)計規(guī)模。在污水廠進行檢修或事故時，污水經(jīng)重力或泵提的方式進入調(diào)蓄池暫時儲存，待污水廠正常運行后再將調(diào)蓄池內(nèi)蓄存污水排入污水廠，經(jīng)污水廠全流程處理后達標排放。泰和調(diào)蓄池有效容積為15萬m3，泰和污水廠近期處理規(guī)模為40萬m3/d，遠期規(guī)劃總處理規(guī)模為55萬m3/d，泰和調(diào)蓄池可儲存泰和污水廠6.5~9.0 h的進水量。

雨季時，由于混接雨水的接入，系統(tǒng)水量增大。在保證污水廠處理能力的基礎(chǔ)上，調(diào)蓄池根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)水位水量變化及時接納超出污水廠處理能力的混接雨水，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。泰和調(diào)蓄池在水平格柵后設(shè)置液動式閘門，通過設(shè)定溢流水位和開啟水位控制閘門的啟閉，實現(xiàn)運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，進而控制調(diào)蓄池的入流量。在調(diào)蓄池的進出水渠、池體、水泵集水池等處設(shè)置了多個液位監(jiān)測裝置，通過液位信號反饋完成對水泵和閘門的自動化控制。

4 結(jié)語

泰和調(diào)蓄池目前已進入土建施工階段，作為石洞口片區(qū)的系統(tǒng)調(diào)蓄池，泰和調(diào)蓄池將在提高石洞口片區(qū)兩個污水廠運行安全性方面，以及減少石洞口片區(qū)合流污水溢流方面發(fā)揮重要的作用。待其建成后，還需在實際運行中不斷總結(jié)，為同類型系統(tǒng)調(diào)蓄池的設(shè)計和運行提供經(jīng)驗和借鑒。