初期雨水就地調(diào)蓄處理工程方案

周傳庭，郭葵香，趙國志

(1. 上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200125；2. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

1 工程背景

湖溪河是武漢市喻家湖入湖支流之一，南起珞瑜東路，北至喻家湖，全長為1.53 km，貫穿華中科技大學(xué)東校區(qū)，如圖1所示。湖溪河沿線主要為學(xué)校教育用地，湖溪河的上游為關(guān)東科技工業(yè)園，以工業(yè)和居住為主，基本為建成區(qū)，匯水面積總計(jì)約為7.5 km2，其中含馬鞍山森林公園綠地、山地面積約為1 km2[1]。

圖1 湖溪河地理位置示意圖Fig.1 Geographical Location of Huxi River

隨著城市的快速發(fā)展，由于城市污水收集與處理設(shè)施建設(shè)滯后，大量城市污水排入渠道，湖溪河的整體水質(zhì)急劇下降，現(xiàn)如今已猶如一條“墨水河”，蚊蠅滋生、惡臭撲鼻。

經(jīng)過調(diào)查分析，初期雨水徑流污染是湖溪河水質(zhì)惡化的一個(gè)重要影響因素之一，因此，有必要對湖溪河流域的初期雨水治理工程方案進(jìn)行研究。

2 初期雨水水質(zhì)調(diào)研

湖溪河周邊主要為文教區(qū)、居民區(qū)，參考國內(nèi)典型城市初期雨水水質(zhì)：CODCr約為40～104 mg/L；SS約為198～296 mg/L[2-5]。

根據(jù)管線測量資料和現(xiàn)場踏勘，對湖溪河沿線的排口進(jìn)行調(diào)查和分類。受混錯(cuò)接影響，現(xiàn)狀排口雨水污染較嚴(yán)重，2017年6月分別檢測晴天、小雨、中雨時(shí)排口水質(zhì)，污染物濃度：CODCr約為24～146 mg/L；SS約為55～113 mg/L；TP約為1.0～2.04 mg/L。

與前述典型城市初期雨水水質(zhì)對比，湖溪河當(dāng)前排口水質(zhì)中COD值與之較為接近，SS值低于典型值范圍。

3 初期雨水出路分析

本工程研究范圍屬于龍王嘴污水系統(tǒng)，湖溪河沿線污水系統(tǒng)走向?yàn)椤爸Ч芫W(wǎng)-華科泵站-污水主管-虹景泵站-污水主管-龍王嘴污水處理廠”。污水管路總長約為9.0 km，共需2次提升。華科泵站設(shè)計(jì)能力為8 000 m3/d，現(xiàn)狀旱季污水運(yùn)行水量約為2 000 m3/d，泵站及其配套管網(wǎng)無初期雨水提升余量。虹景泵站設(shè)計(jì)能力為60 000 m3/d，現(xiàn)狀旱季污水運(yùn)行水量約為40 000 m3/d，湖溪河沿線截污工程實(shí)施后，將基本滿負(fù)荷運(yùn)行。泵站及其配套管網(wǎng)無初期雨水提升余量。龍王嘴污水廠規(guī)劃總規(guī)模為30萬m3/d，實(shí)際旱季運(yùn)行水量已逾28萬m3/d，雨季已滿負(fù)荷運(yùn)行，無受納初期雨水的能力。

綜上，現(xiàn)有污水管網(wǎng)、處理系統(tǒng)均無富余能力應(yīng)對初期雨水處理，需考慮另建初期雨水處理設(shè)施。

4 設(shè)計(jì)規(guī)模論證

4.1 調(diào)蓄量確定

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.14.4 A條：用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時(shí)，雨水調(diào)蓄池的有效容積，可按式(1)計(jì)算。

V=0.001DFΨ?

(1)

其中：V——調(diào)蓄池有效容積，m3；

D——調(diào)蓄量，mm，按降雨量計(jì)，可取4～8 mm；

F——匯水面積，m2；

Ψ——徑流系數(shù)；

?——安全系數(shù)，可取1.1～1.5，本工程取1.15。

根據(jù)對武漢市降雨資料的分析結(jié)果，以2017年為典型年，全年降雨場次約88場，全年降雨量統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 2017年武漢市降雨量統(tǒng)計(jì)分析Tab.1 Statistical Analysis of Precipitation in Wuhan in 2017

全年降雨事件中，初期雨水降雨量(按1 h計(jì))大于6 mm的有9場雨，大于8 mm的有6場雨。

考慮到湖西河流域存在雨污混接情況，且本工程尚無法進(jìn)行最源頭的分流改造，調(diào)蓄量宜取較大值。因此，調(diào)蓄量按照規(guī)范推薦值上限確定，即8 mm。當(dāng)調(diào)蓄量為8 mm時(shí)，可對全年約50場的降雨進(jìn)行全收集，占年總降雨場次的56.80%，可對全年82場降雨的初期雨水進(jìn)行有效收集。

根據(jù)湖溪河的匯水面積，按照式(1)計(jì)算，確定調(diào)蓄池設(shè)計(jì)有效容積為33 700 m3。

4.2 初期雨水處理廠規(guī)模

初期雨水處理廠雨季處理調(diào)蓄池內(nèi)初期雨水，旱季處理喻家湖水并泵送至湖溪河及東九湖，用于補(bǔ)充河道生態(tài)需水。故初期雨水廠的處理規(guī)模與調(diào)蓄池放空時(shí)間及湖溪河生態(tài)補(bǔ)水量相關(guān)。

本工程采用《河湖生態(tài)需水計(jì)算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)附錄B的B.2.5內(nèi)陸河沿河植被生態(tài)需水量計(jì)算方法和《河道內(nèi)生態(tài)需水評估導(dǎo)則》R2CROSS法，經(jīng)計(jì)算湖溪河最小生態(tài)需水量為2.76萬～3.15萬m3/d。

本工程調(diào)蓄有效容積約為33 700 m3。按3.0萬m3/d確定處理規(guī)模時(shí)，調(diào)蓄池放空時(shí)間約為27 h，屬于調(diào)蓄池放空時(shí)間的合理水平(一般為24～48 h)。

因此，初雨處理廠處理規(guī)模確定為3.0萬m3/d。

5 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

5.1 初期雨水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

本項(xiàng)目同步開展了校園內(nèi)雨污分流改造、玉蘭路截污工程、湖溪河沿線截污工程，改造后將大大減少雨污混接情況，初期雨水水質(zhì)將得到改善。

預(yù)計(jì)初期雨水COD將得到明顯削減，初期雨水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)COD參考典型初期雨水水質(zhì)確定。

本工程排口水質(zhì)中SS較低，且初期雨水經(jīng)調(diào)蓄后處理，調(diào)蓄池對暫存雨水具有一定的沉淀功能，故初期雨水廠設(shè)計(jì)進(jìn)水SS低于調(diào)蓄池進(jìn)水SS。因此，初期雨水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)SS按略低于當(dāng)前排口水質(zhì)確定。

TP與SS具有一定關(guān)聯(lián)性，初期雨水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)TP值按略低于當(dāng)前排口水質(zhì)確定。

經(jīng)分析，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)主要污染物控制指標(biāo)如表2所示。

表2 初雨處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Design Influent Quality of Initial Rainwater Treatment System

5.2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

目前，國內(nèi)外對于初期雨水處理尚未制定具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)已開展的初期雨水處理工程較少，對于初雨排放標(biāo)準(zhǔn)的確定尚無可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。

本工程處理出水排放湖溪河，最終進(jìn)入喻家湖?？紤]到湖泊水環(huán)境較為脆弱，且對水體TP含量尤為敏感，處理出水水質(zhì)應(yīng)對TP作出限制。因此，TP指標(biāo)作為本工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)的控制要求之一。

考慮到SS與TP具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，且SS較高影響水體感官，并可能導(dǎo)致水體透明度不達(dá)標(biāo)。故SS指標(biāo)同時(shí)作為本工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)的控制要求。

綜上，本工程設(shè)計(jì)初期雨水處理出水以TP、SS作為控制指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)確定為TP≤0.5 mg/L，SS≤10 mg/L。SS的去除對COD具有積極作用，根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，可以按COD去除率50%作為出水參考值，供指導(dǎo)設(shè)施運(yùn)行。

初雨處理廠設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3 初雨處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.3 Design Effluent Quality of Initial Rainwater Treatment System

6 工程總體方案設(shè)計(jì)

6.1 工藝流程

初雨處理流程：進(jìn)水-水平格柵-調(diào)蓄池-平流沉砂池-加砂高速沉淀池-轉(zhuǎn)鼓過濾-紫外消毒-加壓排放，如圖2所示。

圖2 初期雨水處理廠工藝流程框圖Fig.2 Process Flow Diagram of Initial Rainwater Treatment Plant

6.2 總平面設(shè)計(jì)

調(diào)蓄池與初雨處理廠合并建設(shè)，并將調(diào)蓄池與處理區(qū)分開。調(diào)蓄池體部分為密閉空間，平時(shí)無人進(jìn)入；處理區(qū)為地下廠房，設(shè)置電梯、樓梯與地面管理用房聯(lián)通。

地面僅設(shè)置1座單層管理用房。為確保景區(qū)整體景觀性，管理用房設(shè)屋頂綠化并在其背面及兩側(cè)堆土，建成半地下式建筑。其余露出地面的為人員緊急逃生出入口、進(jìn)風(fēng)排風(fēng)通道、設(shè)備吊裝孔。

調(diào)蓄池及初雨處理廠總平面功能分區(qū)如圖3所示。

圖3 處理廠總平面功能分區(qū)圖Fig.3 General Layout and Functional Zoning of the Treatment Plant

6.3 高程設(shè)計(jì)

廠區(qū)用地現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為23～27 m，整體東高西低，南高北低。用地西側(cè)湖溪河設(shè)計(jì)岸頂為23.00 m，北側(cè)喻家山南路現(xiàn)狀路面標(biāo)高約為22.00～22.40 m。綜合考慮土方平衡、防汛排澇、周邊現(xiàn)狀、工程銜接、城市規(guī)劃路網(wǎng)以及城市規(guī)劃豎向高程等諸多因素，廠區(qū)設(shè)計(jì)地面標(biāo)高恢復(fù)為23.00 m。

經(jīng)計(jì)算，湖溪河初雨截流管終點(diǎn)標(biāo)高為16.42 m，管徑為DN3000。按初期雨水管道自流進(jìn)入調(diào)蓄池高峰時(shí)段帶壓運(yùn)行考慮，確定調(diào)蓄池底板標(biāo)高確定為12.00 m，最高水位為20.00 m，頂板頂面標(biāo)高為21.00 m；初雨處理廠底板標(biāo)高確定為13.00 m，頂板頂面標(biāo)高為21.00 m，內(nèi)部處理設(shè)備水位標(biāo)高以設(shè)備間滿足自流為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

6.4 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

(1)調(diào)蓄池進(jìn)水格柵井

位于調(diào)蓄池及初雨處理廠西側(cè)，內(nèi)設(shè)調(diào)蓄池進(jìn)水格柵、進(jìn)水控制閥等。

(2)調(diào)蓄池

位于廠區(qū)北部地下，平面尺寸為76.2 m×60 m，有效水深約為7 m。調(diào)蓄池沖洗采用水力拍門。調(diào)蓄池頂板以上覆土2 m。

(3)初雨處理廠

位于廠區(qū)南部地下，平面尺寸為76.2 m×30.90 m，凈高約為8 m。處理廠頂板以上覆土2 m，局部區(qū)域達(dá)5～6 m。內(nèi)部主要構(gòu)筑物包括平流沉砂池、加砂高速沉淀池、轉(zhuǎn)鼓過濾器、出水泵房、儀表間、配電間、排水池等。

(4)除臭系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)蓄池及處理廠的運(yùn)行特點(diǎn)，采用離子氧除臭，設(shè)于調(diào)蓄池上方覆土范圍，為地下構(gòu)筑物。

(5)管理用房

位于廠區(qū)東南角，位于初雨處理廠上方地面。平面尺寸為22.5 m×15 m，內(nèi)設(shè)控制室、值班室、樓梯間等。

6.5 主要工藝設(shè)備參數(shù)

主要工藝設(shè)備參數(shù)如表4所示。

表4 主要工藝設(shè)備參數(shù)表Tab.4 Parameters of Main Process Equipment

7 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

湖溪河綜合整治工程總投資為77 025.00萬元，工程費(fèi)用總計(jì)58 395.37萬元，其中調(diào)蓄池及初期雨水處理廠工程工程費(fèi)用21 713.71萬元。

調(diào)蓄池及初期雨水處理廠工程運(yùn)行期間主要投入包括人力、電力、藥劑、設(shè)備耗材及維修費(fèi)等。按年運(yùn)行300 d，運(yùn)行規(guī)模按3.0萬m3/d計(jì)，工程運(yùn)行成本約506.1萬元/年，如表5所示。

表5 工程運(yùn)行成本費(fèi)用表Tab.5 Operation Cost

8 方案特點(diǎn)

(1)初期雨水采用就地處理，不僅可以避免因初期雨水的混入對現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)的影響，也可以實(shí)現(xiàn)對河道的生態(tài)補(bǔ)水功能。

(2)調(diào)蓄處理設(shè)施采用全地下式設(shè)計(jì)，上部恢復(fù)景觀綠化，與周邊用地相協(xié)調(diào)[6]。

(3)初期雨水處理工藝采用物理化學(xué)方法，能夠適應(yīng)進(jìn)水無機(jī)污染物含量高、需間斷運(yùn)行的特征要求

9 結(jié)論

隨著城市污水收集率的提高，雨天徑流污染已成為影響城市水體水質(zhì)的主要因素之一，對初期雨水進(jìn)行收集處理將是改善我國水環(huán)境的重要工作內(nèi)容之一。