城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)研究
——以馬鞍山市為例

徐祖信，張競藝，徐晉，王思玉，陳宗群，林夷媛，王靜怡，屈揚(yáng)，尹海龍,3,4，李懷正,3,4，金偉,3,4*

1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.長江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4.上海污染控制與生態(tài)安全研究院

為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于長江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”的重要指示精神，落實(shí)《長江保護(hù)修復(fù)攻堅戰(zhàn)行動計劃》，生態(tài)環(huán)境部組織開展了長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)駐點(diǎn)跟蹤研究工作，深入一線進(jìn)行駐點(diǎn)研究和技術(shù)指導(dǎo)，服務(wù)地方政府水污染防治的科學(xué)決策與精準(zhǔn)施策。同濟(jì)大學(xué)牽頭組建馬鞍山市駐點(diǎn)工作組，在馬鞍山市政府和各相關(guān)部門支持協(xié)作下，重點(diǎn)針對馬鞍山市中心城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量改善面臨的突出問題，圍繞精準(zhǔn)控源截污和雨天排放污染控制等方面，開展城市河流水系水質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)研究，為慈湖河小流域水環(huán)境治理項(xiàng)目提供技術(shù)支撐，在多方共同努力下，成功消除了城市水體黑臭，河流水質(zhì)得到穩(wěn)定改善。2019年11月，韓正副總理視察馬鞍山市期間，對馬鞍山市水環(huán)境保護(hù)工作取得的成效給予高度肯定；2020年8月，習(xí)近平總書記視察馬鞍山市時，提出了打造安徽的“杭嘉湖”、長三角的“白菜心”新發(fā)展定位。

1 長江中下游城市水環(huán)境治理的瓶頸問題

現(xiàn)階段，城鎮(zhèn)環(huán)境與市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)趨于完善，但城市水環(huán)境仍面臨較多問題。研究表明，長江中下游城市污水管網(wǎng)覆蓋率、污水處理率高達(dá)90%以上[1]，但是城市河流仍然面臨雨天反復(fù)污染問題。主要體現(xiàn)在：1）排水管網(wǎng)錯接和破損，導(dǎo)致雨水和地下水嚴(yán)重擠占污水管網(wǎng)輸送容量，造成末端的污水處理廠進(jìn)水濃度不高[2]。有些雨水管道接入污水管網(wǎng)，導(dǎo)致污水處理廠雨天進(jìn)水量明顯增加，暴雨時甚至發(fā)生漫流并超標(biāo)排放。污水管道破損嚴(yán)重，導(dǎo)致地下水（占比高達(dá)28%～40%）[3]進(jìn)入污水管道。2）排水管網(wǎng)雨污混接，導(dǎo)致污水直排河道，管網(wǎng)截污效率低。相關(guān)研究表明，長江中下游城市排水管網(wǎng)雨污混接比例平均約為26%，最高可達(dá)70%[3]。雨水管道晴天流速較低，污染物沉淀，下雨時沉積物隨雨水排入河道，造成污染。3）為了確保城市防洪安全，當(dāng)降水產(chǎn)生的徑流量超過合流管網(wǎng)輸送容量時，合流管網(wǎng)發(fā)生污水溢流。合流管網(wǎng)晴天流速低，污染物沉積嚴(yán)重，尤其是遠(yuǎn)距離輸送的合流管道，近1/3的顆粒態(tài)污染物沿程沉積；而雨天沉積污染物受管道匯流雨水沖刷泛起，形成“零存整取”的污染效應(yīng)，對河道造成沖擊性污染。目前，多數(shù)城市河道雨天反復(fù)污染甚至黑臭，與合流管網(wǎng)雨天污水溢流相關(guān)[4]。因此，城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)錯接和破損、管網(wǎng)混接以及溢流污染是我國長江中下游城市水環(huán)境治理面臨的瓶頸問題，是我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程中產(chǎn)生的獨(dú)特問題，也是發(fā)展中國家城市水污染的共性問題。該瓶頸問題在歐美國家城市河流污染治理經(jīng)驗(yàn)中無先例可循，其有效解決直接關(guān)系到治理城市黑臭水體的成效以及水污染治理攻堅戰(zhàn)的成敗得失。為此，針對城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)，開展自主創(chuàng)新研發(fā)至關(guān)重要且意義深遠(yuǎn)[5]。

2 研究區(qū)概況與主要水環(huán)境問題

2.1 研究區(qū)概況

馬鞍山市位于安徽省最東部，橫跨長江兩岸，屬長江中下游沖積平原的蕪湖—馬鞍山丘陵水網(wǎng)平原區(qū)?，F(xiàn)轄3縣（含山縣、和縣、當(dāng)涂縣）3區(qū)(花山區(qū)、雨山區(qū)和博望區(qū)），面積為 4 049 km2，全市人口為229.14萬人，城鎮(zhèn)化率為69.12%，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值為2 186.9億元。馬鞍山市河道縱橫，湖泊眾多，溝塘密布，水域總面積約360 km2。長江是馬鞍山市最大的過境水體，其他主要城市內(nèi)河包括慈湖河、雨山河、采石河、姑溪河、得勝河等，均匯入長江干流。

2.2 主要水環(huán)境問題分析

“十三五”期間，馬鞍山市地表水水質(zhì)總體呈改善趨勢，2020年，5個國控斷面年均水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%，但部分省控斷面（如慈湖河等）月均水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，尤其是雨天水質(zhì)污染問題較為突出。慈湖河是馬鞍山市境內(nèi)最長的入江河流，全長約26.1 km，流域面積為 124.8 km2，共有36條支流水系，主要由上游洋河和慈湖河水系構(gòu)成。慈湖河水系流經(jīng)城市主要建成區(qū)，經(jīng)過多年治理，已建成較為完善的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施和防洪排澇系統(tǒng)，沿線已建成14個排澇泵站、3座城鎮(zhèn)污水處理廠和1個城鎮(zhèn)污水處理廠尾水處理濕地。

通過駐點(diǎn)團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，慈湖河水系水環(huán)境治理面臨的主要問題如下：1）上游向山鎮(zhèn)區(qū)排水系統(tǒng)建設(shè)不完善，部分旱季污水雨天直排洋河，沿河生活污水未經(jīng)處理直接或間接排入洋河，影響下游慈湖河水質(zhì)。2）慈湖河是雨源型河流，生態(tài)基流嚴(yán)重匱乏，現(xiàn)狀水源主要是污水處理廠尾水經(jīng)過濕地深度處理后實(shí)施的干流補(bǔ)水；慈湖河支流已建泵閘，雨季防洪排澇導(dǎo)致支流雨天排放污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化明顯。3）慈湖河水系主要建成區(qū)涉及16個排水片區(qū)，據(jù)初步調(diào)查，中心城區(qū)90%以上的分流制管網(wǎng)存在不同程度的混接，雨天初期雨水污染嚴(yán)重。4）慈湖河區(qū)域內(nèi)地下水和雨水進(jìn)入污水管道問題突出，污水處理廠進(jìn)水濃度偏低，其中化學(xué)需氧量（COD）和氨氮平均進(jìn)水濃度僅為78 和5.6 mg/L。慈湖河下游省控斷面水質(zhì)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類～劣Ⅴ類，水質(zhì)穩(wěn)定改善任務(wù)迫切。

3 城市排水系統(tǒng)提質(zhì)增效技術(shù)研究

3.1 基于網(wǎng)格化監(jiān)測的排污口溯源方法

城市水環(huán)境治理的首要措施是識別和控制污染源，排污口調(diào)查與整治是提高污染物截流能力的基礎(chǔ)性工作，其中水下排污口肉眼無法直接可見，是調(diào)查工作的難點(diǎn)。近年來，我國各地在排污口排查方面投入較大，水下機(jī)器人、熱成像儀等被運(yùn)用于隱蔽排污口的探測排查，但操作復(fù)雜，夜間難以實(shí)施。由此，提出基于河流網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測的排污口溯源方法，其特點(diǎn)是水量水質(zhì)監(jiān)測不需要水下作業(yè)且可在1 d內(nèi)不同時段實(shí)施靈活性的動態(tài)監(jiān)測，并與反問題方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對污染物排放的定量解析，確定排污口調(diào)查的重點(diǎn)河段。網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測與排污口溯源示意如圖1所示，河段斷面濃度計算公式如下：

圖1 網(wǎng)格化水量、水質(zhì)監(jiān)測與排污口溯源示意Fig.1 Schematic diagram of gird water quantity and quality monitoring and sewage outfalls tracing

式中：C2為第2個河段斷面污染物濃度，mg/L；C1為第1個河段斷面污染物濃度，mg/L；Ce2為第2個河段排污口污染物排放濃度，mg/L；Qe2為第2個河段排污口排放水量，m3/s；QT2為第2個河段支流入流水量，m3/s；Q12為第 1 個河段出流水量，m3/s；Q23為第2個河段出流水量，m3/s；V2為第2個河段的體積，m3。

若采用保守型水質(zhì)指標(biāo)（如氯離子），則不需要考慮污染物在河流中的降解量，可進(jìn)一步簡化污染物降解參數(shù)K2，相應(yīng)技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 基于網(wǎng)格化監(jiān)測的排污口溯源方法技術(shù)流程Fig.2 Technical process of sewage outfalls tracing method based on grid monitoring

以慈湖河干流為例，開展基于網(wǎng)格化水量水質(zhì)監(jiān)測的污染物溯源解析研究。于2021年9月24—25日（旱天期間），在慈湖河中上游流經(jīng)城區(qū)6.8 km長的河段（入秀山湖口—橋山路與慈湖河路交叉口）布設(shè)7個監(jiān)測點(diǎn)位（1#～7#），對流速、水位和水質(zhì)（氯化物濃度）進(jìn)行監(jiān)測。其中，流速、水位監(jiān)測在白天進(jìn)行，每個點(diǎn)位每天檢測3次，水質(zhì)指標(biāo)采樣頻次為 4 h/次，每個點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測 24 h。

基于各斷面流量和氯化物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖3），確定7個監(jiān)測點(diǎn)位每日的氯化物通量分別為4 275、6 710、18 317、30 544、36 440、36 820 和 41 861kg/d。計算以7個點(diǎn)位劃分的6個河段氯化物負(fù)荷增加量和流量增加量的比值，結(jié)果表明，6個河段的氯化物負(fù)荷增量分別為 49.1（1#～2#點(diǎn)位）、54.7（2#～3#點(diǎn)位）、85.8（3#～4#點(diǎn)位）、262.0（4#～5#點(diǎn)位）、83.9（5#～6#點(diǎn)位）、92.9 g/m3（6#～7#點(diǎn)位）。其中4#～5#點(diǎn)位之間河段的氯化物負(fù)荷增加遠(yuǎn)高于其他5個河段，這與高氯化物濃度的污水排放有關(guān)，因此可確定4#～5#點(diǎn)位之間為排污口溯源排查的重點(diǎn)河段，而其他河段的氯化物負(fù)荷增加主要與污水處理廠尾水補(bǔ)充有關(guān)。

圖3 慈湖河干流斷面水量和氯化物濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of water flow and chloride concentration in the mainstream section of Cihu River

3.2 雨水管網(wǎng)混接、破損診斷技術(shù)

確定雨水管網(wǎng)混接、破損的具體位置是排水系統(tǒng)提質(zhì)增效的重點(diǎn)。雨水管網(wǎng)水流情況復(fù)雜，受諸多不確定性因素影響，目前閉路電視物理檢測和定位的方法費(fèi)用昂貴、人力效率低下，且識別精度較差。因此，基于數(shù)值模型與管網(wǎng)非開挖檢測，建立雨水管網(wǎng)混接、破損反演定位技術(shù)，可以低成本、高效率地開展雨水管網(wǎng)混接、破損定位。如何用較簡單的反演算法與最少的管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)精準(zhǔn)定位到混接破損點(diǎn)是本技術(shù)的核心難點(diǎn)。

基于水質(zhì)特征因子構(gòu)建蒙特卡洛-化學(xué)質(zhì)量平衡模型，確定管網(wǎng)污水混接、地下水入滲量，診斷雨水管網(wǎng)總體混接、破損情況。在此基礎(chǔ)上，通過耦合管網(wǎng)水動力模型和優(yōu)化算法，構(gòu)建雨水管網(wǎng)混接破損反演優(yōu)化模型，對節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)問題點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。以慈湖河X排區(qū)為示范區(qū)域，開展雨水管網(wǎng)混接破損精準(zhǔn)定位研究。X排區(qū)是分流制排水體制，市政主干管雨水管道總長6.61 km，雨水管網(wǎng)覆蓋面積約1.49 km2。在X排區(qū)雨水管網(wǎng)中布設(shè)18個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水位、水質(zhì)（氨氮、總硬度）監(jiān)測，監(jiān)測時間為2020年8月4日08:00—17:00，前期晴天數(shù)為5 d，監(jiān)測頻次為3 h/次。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)情況，將X排區(qū)雨水管網(wǎng)劃分為6個子片區(qū)〔圖4(a)〕，分別采用氨氮、總硬度表征生活污水、地下水，建立水質(zhì)特征因子基準(zhǔn)濃度庫。根據(jù)管網(wǎng)的入流、出流搭建化學(xué)質(zhì)量平衡模型，采用蒙特卡洛算法計算雨水管網(wǎng)總體的日平均混接流量及日平均地下水入滲流量〔圖4(b)〕，以判斷雨水管網(wǎng)總體混接、破損情況。雨水管網(wǎng)的不同區(qū)域混接、入滲分布不均勻，其中子片區(qū)2、3是混接、破損的重點(diǎn)區(qū)域，其管網(wǎng)長度占排區(qū)總長度的16%，但混接污水量占全排區(qū)污水量的80.7%，地下水入滲量占全排區(qū)入滲量的59.0%。

圖4 雨水管網(wǎng)子片區(qū)劃分及其不同來源水量解析結(jié)果Fig.4 Sub area division of rainwater pipe network and analytical results of water volume from different sources

為進(jìn)一步確定生活污水混接和地下水入滲的具體點(diǎn)位，研究建立耦合管網(wǎng)水動力模型和優(yōu)化算法的雨水管網(wǎng)混接破損定位模型?；赬排區(qū)內(nèi)雨水管道、檢查井、截污泵站的基本參數(shù)，采用SWMM模型軟件構(gòu)建了X排區(qū)雨水管網(wǎng)水動力模型，旱天雨水管網(wǎng)模型的外部入流由污水混接量、地下水入滲量2種類型組成。同時，采用二次開發(fā)模塊PySWMM對于雨水管網(wǎng)水動力模型進(jìn)行控制，在管網(wǎng)總體混接、入滲流量的約束條件下，利用MGA算法對管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)外部入流量進(jìn)行自動分配，并以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模擬水位與監(jiān)測水位的均方根誤差為目標(biāo)函數(shù)，衡量節(jié)點(diǎn)外部入流量分配方案的優(yōu)劣，直至獲得最小目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)混接、破損定位。MGA算法中設(shè)置種群大小為50，迭代代數(shù)為200，交叉率為0.005，整個自優(yōu)化過程迭代計算10 000次。

計算得到管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)混接、入滲流量數(shù)值呈現(xiàn)一定的聚集性規(guī)律，并且形成了特定點(diǎn)位流量聚集區(qū)。依據(jù)流量值的聚集程度，評估混接、入滲風(fēng)險并繪制地圖如圖5所示。由圖5(a)可知，模型定位出A1、A2為混接高風(fēng)險區(qū)域，區(qū)域混接總量為397.38 m3/d，約占全管網(wǎng)混接總量的77.8%，節(jié)點(diǎn)的混接水量為6.49～34.13 m3/d，紅、藍(lán)色標(biāo)記節(jié)點(diǎn)為重點(diǎn)混接節(jié)點(diǎn)，需要優(yōu)先進(jìn)行混接改造。由圖5(b)可知，B1、C1、D1片區(qū)為定位的地下水入滲高風(fēng)險區(qū)，區(qū)域地下水入滲總量為587.75 m3/d，約占總管網(wǎng)入滲水量的87.2%，片區(qū)各管段入滲水量為2.06～40.06 m3/d，黃色和深藍(lán)色標(biāo)記管段為重點(diǎn)入滲管段，需要優(yōu)先進(jìn)行管道修復(fù)。

圖5 混接風(fēng)險和入滲風(fēng)險地圖Fig.5 Map of mixing risk and infiltration risk

3.3 基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計方法

調(diào)蓄池是初期雨水污染控制的有效手段之一，調(diào)蓄池容積設(shè)計方法主要考慮截留的雨水量。但對于存在污水混接的雨水系統(tǒng)，污染物在管道中旱天累積雨天沖刷，溢流污染嚴(yán)重；而且，排水管網(wǎng)末端排放濃度過程線受降雨特征、前期晴天數(shù)、管道沉積物、混接污水等多因素協(xié)同影響，雨天溢流污染濃度動態(tài)變化復(fù)雜，因此僅考慮水量的調(diào)蓄容積設(shè)計方法不能有效截留高濃度溢流污水。目前我國部分建有調(diào)蓄池的排水系統(tǒng)，雨天仍有高濃度溢流污染排放，河道水質(zhì)雨天頻現(xiàn)黑臭，不利于河道水環(huán)境質(zhì)量改善。另外，城市集聚區(qū)人口多、污染來源復(fù)雜，排水系統(tǒng)初期雨水污染更為嚴(yán)重，且土地資源緊張，調(diào)蓄池設(shè)計更應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。如何基于河道水環(huán)境目標(biāo)，提高調(diào)蓄池溢流污染截流效率，結(jié)合污染物濃度優(yōu)化調(diào)蓄池設(shè)計方法是有效控制溢流污染的難點(diǎn)。

采用SWMM模型構(gòu)建“雨水匯流—管道輸運(yùn)—沉積沖刷”溢流污染模型，建立基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計方法，對傳統(tǒng)調(diào)蓄方法進(jìn)行優(yōu)化，提升調(diào)蓄池的調(diào)蓄效率與效益。首先，建立排水系統(tǒng)的污染負(fù)荷平衡關(guān)系〔式（2）〕，根據(jù)降雨徑流及溢流污染監(jiān)測數(shù)據(jù)計算雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度，計算公式如下：

式中：W1為混接污水的負(fù)荷，kg；W2為雨水徑流流入排水管道的負(fù)荷，kg；W3為地下水入滲的負(fù)荷，kg；W4為管道沉積物的負(fù)荷，kg；W5為排水系統(tǒng)末端雨污混合水污染的負(fù)荷，kg；W6為排水系統(tǒng)截流泵截流的負(fù)荷，kg；W7為調(diào)蓄設(shè)施儲存的負(fù)荷，kg；EMC為雨天溢流污染中沉積物事件平均濃度，mg/L；Q為雨天溢流水量，m3。

其次，基于SWMM模型構(gòu)建“雨水匯流—管道輸運(yùn)—沉積沖刷”溢流污染模型，通過區(qū)域晴天和雨天排水系統(tǒng)末端溢流濃度、降雨徑流濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，率定驗(yàn)證模型參數(shù)，提升溢流污染模擬精度。最后，通過設(shè)計典型降雨，模擬不同前期晴天數(shù)下末端排口水質(zhì)和水量動態(tài)過程線。根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)界定最大排放濃度，確定水質(zhì)水量過程線中污染物濃度高于目標(biāo)截流濃度的時間段（T1～T2），根據(jù)流量過程線在T1～T2積分得到該曲線與時間軸圍成的面積，即截流水量，從而確定雨水調(diào)蓄池的容積（圖6）。與傳統(tǒng)調(diào)蓄設(shè)計方法相比，基于多因素影響的“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計方法能夠在同等調(diào)蓄體積下截留高濃度初期雨水，提升調(diào)蓄池污染物去除效率，減少初期雨水對河道的污染。

圖6 實(shí)時調(diào)蓄方法示意Fig.6 Comparison between traditional regulation and real-time regulation

基于上述研究方法，以馬鞍山慈湖河片區(qū)XHC排區(qū)為研究區(qū)域，開展雨水調(diào)蓄池的優(yōu)化設(shè)計研究 。馬鞍山慈湖河XHC排區(qū)為分流制排水體制，匯水面積為2.30 km2。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，雨天泵站排放COD、氨氮濃度最高達(dá)77和14.2 mg/L，明顯高于地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。通過模擬不同前期晴天數(shù)下末端雨水排口排放水質(zhì)和水量過程線，確定不同截流濃度閾值下實(shí)時調(diào)蓄控制對應(yīng)的調(diào)蓄池體積（圖7）。隨著前期晴天數(shù)的增加，初期沖刷效應(yīng)越強(qiáng)，峰值污染物濃度隨之增大，前期晴天數(shù)為3、6和 9 d時對應(yīng)的COD峰值約為84、104和118 mg/L。當(dāng)截流COD閾值為40 mg/L，前期晴天數(shù)為3、6和 9 d時所對應(yīng)的調(diào)蓄池體積分別為 8 918、9 992 和 10 438 m3，削減的污染負(fù)荷分別為 601.8、790.6和915.0 kg。當(dāng)截流COD固定時，隨前期晴天數(shù)增加，調(diào)蓄池體積增大。此外，參考GB 3838—2002的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A和一級B標(biāo)準(zhǔn)，選擇COD分別為40、50和60 mg/L作為截流閾值，當(dāng)前期晴天數(shù)為3 d時，所對應(yīng)的調(diào)蓄池體積分別為 8 918、7 587 和 6 246 m3。隨著截流 COD 閾值降低，調(diào)蓄池體積顯著增加，更低的截流閾值對應(yīng)更大的調(diào)蓄容積。與傳統(tǒng)調(diào)蓄方法相比，相同調(diào)蓄體積下，“濃度-體積”優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)計方法溢流污染截留負(fù)荷得到明顯提升。

圖7 不同工況下的調(diào)蓄池體積Fig.7 Detention tank volumes under different operating conditions

3.4 排水系統(tǒng)溢流污染高效控制技術(shù)

合流制排水系統(tǒng)溢流污染是河道雨天污染的重要原因?；炷?絮凝作為一種高效的處理方法[6-7]，在雨天溢流末端處理中能夠有效削減污染負(fù)荷[8-11]，但仍存在耗時長、占地面積大等問題[12-14]。因此，提出混凝-絮凝原位處理技術(shù)，利用排水管道的管段完成混凝-絮凝過程，實(shí)現(xiàn)溢流污水的高效快速處理。

管道原位混凝-絮凝的基本原理是通過檢查井向管道中投加混凝劑、絮凝劑，進(jìn)行混凝-絮凝反應(yīng)，利用管道內(nèi)的空間和水體流動產(chǎn)生的水力條件以及沖刷沉積物產(chǎn)生的湍動、明滿流交替時產(chǎn)生的湍動等實(shí)現(xiàn)混凝劑、絮凝劑與雨污水的充分反應(yīng)，再通過沉降實(shí)現(xiàn)固液分離，完成混凝-絮凝及沉淀過程?；炷?絮凝處理后大量污染物隨污泥沉降至沉淀池底部，上清液則通過水泵泵入河道，從而降低溢流污水中的污染物濃度。降雨過后再將沉淀池污泥收集轉(zhuǎn)運(yùn)至污水處理廠進(jìn)行無害化處理處置。

通過燒杯試驗(yàn)確定混凝-絮凝常用參數(shù)。篩選確定混凝劑選用聚合硫酸鋁（PAS），絮凝劑選用陰離子聚丙烯酰胺（APAM），通過控制變量法確定PAS和APAM的用量、比例及投加方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，PAS和APAM先后間隔投加，PAS:APAM取100:1，PAS 取 40～300 mg/L，APAM 取 0.4～3 mg/L 時，可以得到濁度、總化學(xué)需氧量（TCOD）等污染物的最佳去除效果。TCOD的去除以顆粒態(tài)化學(xué)需氧量（PCOD）為主，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）去除率較低。上述優(yōu)化條件下，濁度、TCOD、SCOD、PCOD的最高去除率分別為98.5%、93.7%、24.3%和99.7%。研究表明，混凝-絮凝處理雨天溢流污水的機(jī)制主要包括電中和、吸附架橋、卷掃網(wǎng)捕作用，且加藥后體系Zeta電位為-10 mV左右可以達(dá)到污染物最佳去除效果。

利用環(huán)形水槽模擬管道原位混凝-絮凝過程，固定 PAS 用量為 80 mg/L，APAM 用量為 0.8 mg/L，研究不同參數(shù)對管道原位混凝-絮凝效果的影響。結(jié)果表明，固定流速為 1.13 m/s時，傳輸距離 400 m左右可以實(shí)現(xiàn)濁度、TCOD、TP等污染的高效去除，沉淀3 min即可達(dá)到最好的沉降效果（圖8），遠(yuǎn)低于類似研究所需25 min以上的沉淀時間[11,13-18]，主要原因是管道沉積物中的大量顆粒物可以起到負(fù)載物的作用，加快絮體沉降。

圖8 不同混合反應(yīng)時間、沉淀時間下濁度、TCOD、TP的去除率Fig.8 Removal of turbidity, TCOD and TP under different mixing reaction time and settling time

對比不同流速下污染物的去除效果，結(jié)果表明，過低流速（0.51 m/s）下各污染物去除率普遍較低，原因是過低流速下，管道中紊流強(qiáng)度小，藥劑與污水無法實(shí)現(xiàn)充分混合反應(yīng)。中高流速（0.81～1.80 m/s）下污染物去除率保持高值，一是因?yàn)橹懈吡魉傧挛闪鲝?qiáng)度大，藥劑與污水混合反應(yīng)充分；二是因?yàn)樵诠潭▊鬏斁嚯x時，管道流速與混合反應(yīng)時間成反比，二者能夠效果互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)中高流速范圍內(nèi)污染物的高效去除。

針對不同污染物濃度的研究發(fā)現(xiàn)，濁度、TP、PCOD在低濃度下去除率略低，原因是研究中固定的藥劑用量偏大，低污染物濃度的污水體系發(fā)生電荷反轉(zhuǎn)，不易形成絮體沉降被去除[18-21]；而中高濃度，即濁度為 186.3～701 NTU，PCOD 為 284～884 mg/L，TP濃度為3.42～5.88 mg/L時，污染物去除率均大于95%。

基于上述燒杯試驗(yàn)和環(huán)形水槽模擬試驗(yàn)，論證了管道原位混凝-絮凝具有處理雨天溢流污水的可行性。該技術(shù)對于溢流污染末端控制、水環(huán)境改善具有重要的應(yīng)用價值和積極意義，駐點(diǎn)團(tuán)隊(duì)目前正在中心城區(qū)排水系統(tǒng)謀劃中對該技術(shù)進(jìn)行實(shí)證研究和示范應(yīng)用。

4 結(jié)語

長江中下游城市普遍存在排水系統(tǒng)提質(zhì)增效問題，成為制約城市水環(huán)境長效改善的關(guān)鍵瓶頸。本研究以長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)馬鞍山駐點(diǎn)城市為案例，在慈湖河水系精準(zhǔn)控源截污和雨天排放污染控制等方面，開展了4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究：1）建立基于網(wǎng)格化監(jiān)測的排污口溯源方法，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率確定排污口排查的重點(diǎn)河段；2）基于蒙特卡洛-化學(xué)質(zhì)量平衡模型，耦合管網(wǎng)水動力模型和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)混接和破損點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，識別慈湖河主要排區(qū)雨水管道混接量和地下水入滲量，繪制混接風(fēng)險和入滲風(fēng)險地圖；3）綜合考慮降雨特征、前期晴天數(shù)、管道沉積物、混接污水等多因素影響，構(gòu)建“雨水匯流—管道運(yùn)輸—沉積沖刷”溢流污染模型，建立水質(zhì)和水量動態(tài)過程線，優(yōu)化調(diào)蓄池設(shè)計，提高污染物的截留負(fù)荷；4）提出并探究了管道原位絮凝的溢流污染高效控制技術(shù)的可行性和主要控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)濁度、COD、TP的高效去除。駐點(diǎn)研究工作為進(jìn)一步提升長江中下游城市水環(huán)境綜合治理成效提供了科技支撐。