特征因子法檢測污水管道外來水侵入量的初步研究

姚 程 黎功稷 馬 秀 劉 敏 曾 唯

(成都市西匯水環(huán)境有限公司，四川成都，611730)

1 引言

城市污水收集輸送系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)是提高城市防洪排澇能力的重要措施，也是水務(wù)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。我國排水管網(wǎng)長度從2011年的41.1萬公里增長到2020年的80.3萬公里，數(shù)量非常龐大。受施工質(zhì)量、污水侵蝕、管材老化及地面荷載等多種因素影響，我國污水管道普遍存在破裂、脫節(jié)、支管暗接等結(jié)構(gòu)性缺陷。這些結(jié)構(gòu)性缺陷會(huì)造成大量地下水、雨水、溝渠水和施工降水等清潔水進(jìn)入污水管道，這不僅會(huì)擠占有限的管網(wǎng)空間和污水處理能力，加劇雨天溢流的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)增加污水處理廠的進(jìn)水量，降低進(jìn)水污染物濃度，從而降低污水處理效率，并增加污水處理成本[1]。

2022年3月28日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委和水利部聯(lián)合發(fā)布《深入打好城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》，首次提出了清污分流的概念，核心是將清潔的外來水和真正的污水分開，二者分流各行其道。方案中也明確了到2025年，各城市進(jìn)水BOD濃度高于100mg/L的生活污水處理廠規(guī)模占比90%以上，這對于一些地下水位較高的南方城市來說極具挑戰(zhàn)性。因此，國內(nèi)各大城市對污水管網(wǎng)的檢測與修復(fù)成為一項(xiàng)亟需實(shí)施的工作。

常用的污水管道檢測技術(shù)有閉路電視檢測技術(shù)(CCTV)、潛望鏡技術(shù)(QV)、聲納檢測技術(shù)、多重傳感器檢測技術(shù)和管道掃描技術(shù)等[2]。目前國內(nèi)最常用的是CCTV和QV技術(shù)，但是這兩種技術(shù)耗時(shí)較大，成本較高[3]。一些專家學(xué)者已經(jīng)嘗試采用基于質(zhì)量守恒定律的特征因子法和水量平衡法進(jìn)行檢測。

特征因子法，即選取一些具有代表性的指標(biāo)作為特征因子，根據(jù)化學(xué)質(zhì)量守恒定律或者物理模型來判斷某一段污水管道中是否存在外來水侵入現(xiàn)象，并解析出外來水侵入量。所選取的特征因子既可以是COD、NH3-N或一些金屬離子等化學(xué)指標(biāo)，也可以是電導(dǎo)率等物理指標(biāo)或藻類等生物指標(biāo)[4]。如劉希希等[4]采用錳離子作為特征因子計(jì)算九江市某片區(qū)地下水的入滲量，達(dá)到了88.9%的判斷準(zhǔn)確率。劉旭輝等[5]采用測量污水電導(dǎo)率的方法計(jì)算出深圳市某片區(qū)地下水入滲比例。

水量平衡法，即直接測定上下游流量，根據(jù)水量平衡原理計(jì)算外來水侵入量。如呂耀志等[6]采用流量測定的方法得出單處滲漏點(diǎn)日入滲量可達(dá)500m3/d。但水量平衡法工作量大且精度不高，因此常作為污水管道檢測的輔助方法。

本文以我國西南地區(qū)某污水處理廠進(jìn)廠主干管檢測項(xiàng)目為例，以COD和NH3-N作為特征因子，判斷破損點(diǎn)并解析外來水侵入量，之后采用QV檢測進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示準(zhǔn)確率較高，有利于提高檢測效率，大幅減低檢測成本。

2 檢測方法

2.1 流量和水質(zhì)檢測

在污水主干管上每隔約200米設(shè)置一個(gè)檢測點(diǎn)，支管接入點(diǎn)前后設(shè)置檢測點(diǎn)。使用流量計(jì)檢測每個(gè)檢測點(diǎn)的瞬時(shí)流量，檢測三次取平均值。同時(shí)取水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，將水樣預(yù)處理后，使用重鉻酸鉀法測定COD濃度，使用納氏分光光度法測定NH3-N濃度。

2.2 外來水侵入量計(jì)算方法

基于水質(zhì)特征因子的化學(xué)質(zhì)量平衡公式可用于全系統(tǒng)水平地解析外來水入滲量。對于污水管網(wǎng)系統(tǒng)滿足下列關(guān)系式：

Qj+Qs+Qw=Qg

(1)

QjCj+QsCs+QwCw=QgCg

(2)

式中：Qj和Cj分別代表污水管網(wǎng)進(jìn)水流量和特征因子濃度；Qs和Cs分別代表污水管網(wǎng)在該片區(qū)所收集入管的污水流量和特征因子濃度；Qw和Cw分別代表污水管網(wǎng)外來水(包括地下水、溝渠水、雨水等)的流量和特征因子濃度；Qg和Cg分別代表污水管網(wǎng)出水流量和特征因子濃度。上述公式適用于整個(gè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)，也適用于某一子區(qū)域或某一管段。

將式(1)和式(2)整理得：

(3)

若選擇計(jì)算的污水管段為封閉系統(tǒng)，無支管接入或未收集周邊污水，外來水均屬于清潔水。則可將Qs和Cw視為0，則式(3)可簡化為 ：

(4)

2.3 QV檢測

對采用特征因子法檢測分析出的破損點(diǎn)，采用QV檢測進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同檢測點(diǎn)流量與特征因子濃度檢測結(jié)果

項(xiàng)目所在地區(qū)地下水位較高，雨水充沛，因此外來水極易入侵。本文共選取9個(gè)檢測點(diǎn)，分別記為WS1—WS9，檢測結(jié)果見表1。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠進(jìn)廠主干管，流量從287.04L/h升高至396.66L/h，從水量平衡的角度分析，該管段具有外來水入侵現(xiàn)象。

表1 不同檢測點(diǎn)流量與特征因子濃度檢測結(jié)果

3.2 不同指標(biāo)對應(yīng)外來水侵入情況

由于部分計(jì)算得出的外來水侵入量出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際情況不符。因此將計(jì)算結(jié)果中的負(fù)值修正為0。計(jì)算結(jié)果為負(fù)的原因可能是因?yàn)闇y定的是瞬時(shí)值，取樣時(shí)具有一定偶然性。

由表2結(jié)果可以看出，水量對應(yīng)侵入量和NH3-N對應(yīng)侵入量較為接近，而COD對應(yīng)侵入量則要偏大。因?yàn)樗繉?yīng)侵入量最為可靠，所以基于NH3-N計(jì)算出的侵入量更接近真實(shí)值。分析WS1—WS9管段，無論采用哪種方法，均可判斷出該管段存在明顯外來水侵入現(xiàn)象，侵入量主要集中在WS3—WS4管段之間，基于水量、COD和NH3-N計(jì)算得出的外來水侵入量分別為94.32mg/L、166mg/L和93mg/L，侵入量較大，完全超出入滲標(biāo)準(zhǔn)，判斷在該管段中可能存在較大破損點(diǎn)。

表2 不同指標(biāo)對應(yīng)外來水侵入情況

通過QV檢測驗(yàn)證了以上判斷，檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 WS3—WS4管段QV檢測圖像

4 結(jié)論

當(dāng)前我國污水管網(wǎng)外來水侵入問題嚴(yán)重，但基于現(xiàn)場測量的實(shí)驗(yàn)較少。本文針對某一污水主干管，分別以COD和NH3-N為特征因子解析外來水侵入量，并與基于水量平衡法得出的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明NH3-N作為特征因子對應(yīng)的侵入量更準(zhǔn)確。同時(shí)判斷出該管段存在破損點(diǎn)，并以QV檢測方法進(jìn)行驗(yàn)證。

基于特征因子法識別出污水管網(wǎng)中外來水入侵嚴(yán)重的區(qū)域，可有效提高污水管道檢測效率，大幅節(jié)約污水管道檢測的人力和資金成本，可嘗試在實(shí)際應(yīng)用中加以推廣。