合流制排水系統(tǒng)截流運行量質特征淺析

顧一鳴

(上海城投水務<集團>有限公司,上海 200002)

上海城市合流制排水系統(tǒng)采用的是截流式合流制排水系統(tǒng),通過設置截流設施將合流污水排送至污水廠。雨天時截流設施截取混合污水通過污水干管排入污水廠,超過截流能力的混合雨污水通過防汛泵站排入水體。為治理蘇州河地區(qū)合流污水,上海于1993年建成投運合流污水治理一期工程,隨后又相繼開展蘇州河綜合整治、污水治理三期工程(以下簡稱“污水三期”)等工程,新建并提標改造末端竹園污水處理廠,組成了上海市中心城竹園區(qū)域的排水系統(tǒng)。竹園片區(qū)內有50個合流制排水系統(tǒng),合流制防汛泵站62座,服務范圍為85.05 km2,徑流系數為0.6～0.8。其中,合流一期范圍內合流泵站共38座,污水三期范圍內合流泵站共24座。合流制泵站的截流控污為提升城區(qū)排水能力,改善城市水環(huán)境奠定基礎。本文選取某一年數據,結合區(qū)域的日供水量變化情況,對上海典型合流制排水系統(tǒng)現狀泵站截流量、截流水質變化開展運行分析和探討。

1 截流量特征分析

1.1 雨天截流量統(tǒng)計難點

合流制排水系統(tǒng)在日常截流運行中,旱天地區(qū)污水由重力截流井或截流泵輸送入污水干線,最終進入污水處理廠處理。雨天根據上游來水情況,截流設施啟動至最大設計截流倍數運行,控制合流泵站水位。當合流泵站水位達到防汛開泵水位后,啟動雨水泵放江。

在進行日截流量統(tǒng)計時,截流量主要包含原生污水量、地下水滲入量和雨水截流量[1]。在旱天時,假設地下水滲入量保持恒定,則日截流量的變化應主要與原生污水量變化一致,即與地區(qū)日用水量的變化一致。

當有降雨影響時,截流量也會隨降雨大小和持續(xù)時間變化。此時,如何能較準確地區(qū)分出雨水在截流總量中的占比存在一定困難。主要原因:一是無法準確地統(tǒng)計旱天截流量本底值,即旱天原生污水量與恒定的地下水滲入量合計值;二是無法準確地判斷雨后在管道中存續(xù)雨水對截流量的占比和影響天數。在現實情況中,還存在連續(xù)降雨過后,中間僅隔1～2 d又開始降雨,此時更難以統(tǒng)計雨天截流量。

1.2 統(tǒng)計研究方法

本文擬選取竹園片區(qū)內某污水輸送系統(tǒng)覆蓋的合流制排水系統(tǒng)開展分析研究。由于該合流制排水系統(tǒng)內部分泵站截流采用重力截流方式,且在污水支線末端未安裝有流量計,無法準確統(tǒng)計每條支線的旱天和雨天截流量變化情況。與此同時,每條污水支線服務范圍相對應的供水范圍數據無法統(tǒng)計,難以比較。

故本次擬采用截流量與供水量總量比較的方式。合流制排水系統(tǒng)截流總量計算方式,選取輸送干線末端的污水廠進廠流量計日累計流量,扣除污水輸送系統(tǒng)上分流制系統(tǒng)內的污水量和截流量,剩余水量為合流制排水系統(tǒng)的日截流總量。

地區(qū)供水量計算方式:選取合流制排水系統(tǒng)服務范圍某水廠,供水服務范圍涵蓋本次合流制排水系統(tǒng)截流量分析的全部區(qū)域。排水系統(tǒng)的原生污水量主要來源于地區(qū)居民與非居排水量,而水廠的日供水量變化可以反映地區(qū)用水量曲線變化特征。圖1顯示水廠供水量、原生污水量和泵站截流量之間的關系,水廠到用戶之間需要進行產銷差率的折算[2],原生污水量可按用戶用水量進行折算,上海地區(qū)該系數為0.9。

圖1 水廠供水量與合流制泵站截流量關系Fig.1 Relationship between Water Supply Capacity and Intercepting Flow of Combined Pumping Station

統(tǒng)計某一年內水廠的日供水量,與合流制排水系統(tǒng)日截流總量比較。選取純旱天(本文定義為雨后第4 d起至下一場降雨開始),按汛期和非汛期分別計算選取的樣本日內供水量與截流量比值均值,即“供水量/截流量”,得出的比值用于擬合雨天時的旱天截流量本底值,并假設純旱天地下水日入滲量保持不變。雨天或降雨后,若“供水量/截流量”比值大于選取的純旱天比值均值,則視該日不存在降雨截流影響,直接引用當日截流量。

1.3 分析區(qū)域概況

1.3.1 竹二污水輸送系統(tǒng)

竹二污水輸送系統(tǒng)由兩港截流系統(tǒng)與污水三期B塊系統(tǒng)組成,主要服務于中心城區(qū)虹口、楊浦部分地區(qū),總管長度為21.7 km。現狀系統(tǒng)范圍內服務面積為35.7 km2。干線旱天輸送能力為50萬m3/d,雨天設計高峰流量為20.8 m3/s,末端為竹園第二污水處理廠(圖2)。范圍內共有排水系統(tǒng)23個,其中合流制排水系統(tǒng)共20個,服務面積為29 km2,合流泵站共24座;分流制系統(tǒng)共3個,服務面積為6.7 km2,雨水泵站有3座,其中2座有截流設施。24座合流泵站中,重力截流泵站共14座,泵截流泵站共10座,設計截流倍數為1.5～5倍(表1)。該合流制排水系統(tǒng)截流總量計算方法為:竹園二廠進水總量(代表干線輸送總量)扣除2座分流制雨水泵站截流量后的合計值。

1.3.2 A水廠概況

選取服務范圍內A水廠,供水服務范圍涵蓋虹口區(qū)全部、楊浦區(qū)的虬江以南范圍,以及黃浦、靜安的小部分范圍,設計日供水能力為140萬m3,統(tǒng)計年內日供水量70萬～80萬m3,服務面積約為70 km2。竹二污水輸送系統(tǒng)的合流制泵站服務范圍均包含在此水廠的服務范圍內,區(qū)域內供水均來自于該水廠(圖3)。

圖2 竹二污水輸送系統(tǒng)工藝圖Fig.2 Process Diagram of Zhuer Wastewater Diversion System

表1 竹二污水輸送系統(tǒng)各支線現狀Tab.1 Branch Line of Zhuer Wastewater Diversion System

圖3 水廠供水范圍與排水系統(tǒng)服務范圍Fig.3 WTPs Supply Area and Drainage System Service Area

2 截流量擬合結果

2.1 旱天截流量擬合結果

2.1.1 合流制截流總量統(tǒng)計

統(tǒng)計年內,降雨量采用片區(qū)內站點平均雨量,當年累計雨量為1 588 mm,降雨日(日雨量≥1 mm)107 d。對合流制排水系統(tǒng)截流總量進行統(tǒng)計,采用干線末端流量扣除系統(tǒng)內分流制泵站截流量與分流制雨水泵站截流支線,得年均截流總量為52.8萬m3/d,占干線系統(tǒng)總量的96.5%,其中雨天最大日截流量占98.6%。

2.1.2 旱天截流曲線擬合

選取非汛期(1月—5月和10月—11月)純旱天為105 d,汛期(6月—9月)純旱天為31 d。通過旱天供水量與截流量比值分析,非汛期該比值均值為1.61,汛期均值為1.60。通過分析,降雨日及雨后3 d內有49 d大于該比值,主要出現在雨量偏小的運行日內,將其截流量歸入旱天截流量。

選取非汛期和汛期該兩個系數,分別按日供水量變化值擬合全年雨天的旱天截流量本底值,得到1月1日—12月31日的合流制泵站日截流量總體變化(圖4)。根據擬合后的旱天截流量計算,全年、汛期和非汛期的旱天截流量分別為44萬、46.5萬m3/d和42.7萬m3/d,汛期較非汛期上升8.8%;同時分析水廠供水量,供水量汛期較非汛期上升7.7%。擬合截流量與供水量同比均有上升但略有偏差。對全年雨天截流量(含雨后影響流量)進行統(tǒng)計,占全年截流總量的16.7%。

2.2 典型雨天截流量分析

2.2.1 連續(xù)中到大雨分析

選取非汛期連續(xù)7 d連續(xù)降雨過程,其前3 d無降雨,累計日雨量為77 mm,雨后9 d未降雨。最大雨強日在3月26日,各站點最大雨強在6.0～18.6 mm/h;其余小到中雨日內,各站點最大雨強在0.9～4.9 mm/h。降雨期間,日截流總量維持在48萬～82萬m3。3月25日起始降雨量為6.5 mm,降雨截流量占比13.6%,至3月28日最高升至51.2%。3月30日雖然只有0.1 mm降雨,但降雨截流量仍占比達42.4%。3月26日開始出現泵站放江,當日達到12.7萬m3,3月30日停止放江。在雨停后,由于前期連續(xù)降雨影響,4月1日—4月3日實際截流量仍較擬合后的旱天截流量偏大,存在明顯的雨后效應,占當日截流總量的5%～10%(圖5)。

圖4 合流制地區(qū)旱天截流量擬合曲線Fig.4 Fitting Curve of Intercepting Flow in Dry Days in Combined Drainage Area

圖5 典型連續(xù)中到大雨日截流Fig.5 Intercepting Flow in Typical Moderate to Heavy Rain Days

2.2.2 短歷時暴雨日分析

選取汛期中某短歷時降雨,前4 d無明顯降雨,8月10日片區(qū)雨量為中到大雨。當日片區(qū)平均雨量32.1 mm,各站點最大雨強在8.1～28.3 mm/h,降雨持續(xù)時間為1～2 h,8月10日后5 d未降雨。8月10日截流量64萬m3,其中降雨截流量占比25.3%,泵站放江量為20.7萬m3。雨停后8月11日無泵站放江,當日實際截流量較擬合后的旱天截流量偏大,存在雨后效應,約占當日截流總量的7.8%。8月12日無明顯雨后效應(圖6)。

圖6 典型短歷時暴雨日截流Fig.6 Intercepting Flow in Short Duration Rainstorm Days

3 截流水質特征分析

3.1 水質月度變化特征

3.1.1 水質指標統(tǒng)計

由于本合流制排水系統(tǒng)來水量占竹二污水輸送系統(tǒng)總量的95%以上,固選取竹二污水輸送系統(tǒng)下游竹園第二污水處理廠進水水質作為采樣分析點,分析合流制排水系統(tǒng)水質總體情況。選取化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、懸浮物(SS)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)6項水質指標。對當年的6項水質指標列表統(tǒng)計(表2),計算各指標月均值、年度中位數,并按非汛期(1月—5月和10月—11月)和汛期(6月—9月)對均值和中位數分別統(tǒng)計。

從年度統(tǒng)計結果看,CODCr、BOD5、SS這3項指標無論是年度值、非汛期階段和汛期階段,均值都略大于中位數,說明部分時段存在偏高值的波動。由表2可知,氨氮、TN、TP在上述同比階段內相對波動較小。

3.1.2 水質指標趨勢變化

研究水質指標月度變化的趨勢性,通過對6項水質指標繪制月度箱形圖,分析變化規(guī)律(圖7)。從各水質指標的中位數變化趨勢分析,月變化趨向性較為一致,上半年中4月—5月數值均偏大,6月—8月中位數呈現波動下降趨勢,9月最低。10月后又逐步恢復上升趨勢至12月。孫艷等[3]對上海市污水處理廠水質指標月中間值統(tǒng)計,主要污染物指標濃度也是9月最低。

同步分析合流制排水系統(tǒng)泵站月截流總量和月放江量數據(圖8),1月因連續(xù)降雨,截流總量和放江總量達到了1 629萬m3,除3月出現泵站降雨放江外,至5月未出現明顯放江。從汛期開始6月—9月受降雨影響,出現了明顯了截流總量和放江量的增幅。7月最大,截流和放江總量達到了2 544萬m3,后又逐步下降。

表2 合流制排水系統(tǒng)截流水質指標Tab.2 Quality Indices of Intercepting Water in Combined Drainage System

圖7 各項水質指標逐月變化Fig.7 Monthly Changes of Water Quality Indices

圖8 月泵站放江量與截流量變化Fig.8 Monthly Changes of Discharging and Intercepting Flow in Pumping Stations

結合水質指標月度變化不難看出,降雨引起的泵站截流量和放江量的增加,對水質變化具有負相關性趨勢。尤其是9月,經過連續(xù)3個月的大流量運行,水質指標明顯下降。10月開始隨著降雨量的減少,泵站截流總量和放江量亦減少,水質指標總體逐步回升。從運行角度分析,在泵站雨天截流和放江過程中,合流泵站一般會降到最低運行水位,上游收集管網水位同步降低,流速增加,會呈現明顯沖刷效果。汛期隨降雨頻次增加,合流泵站水位會反復降至最低,效果更加明顯。李思遠[4]對合流制管網污水溢流污染特征相關研究表明,CODCr和SS在大強度降雨事件中受到明顯影響,前期沖刷作用明顯而后期稀釋作用明顯,長干旱期會導致污染物的大量累積,與本文分析結論相符。此外,上海市政養(yǎng)護部門每年也會在汛期前完成一次管網清淤養(yǎng)護,對6月的水質指標下降有一定貢獻。

從個別指標來看,CODCr、BOD5、SS隨流量變化的趨勢性指標較明顯,而氨氮、TN、TP在1月—5月變化趨勢不明顯,到9月才明顯下降。

3.2 水質指標相關性特征

3.2.1 BOD5/CODCr分析

污水BOD5/CODCr反映了污水可生物處理的潛力,在一定程度上可預測污水的可生物降解性。因此,常用BOD5/CODCr作為評價污水可生化性的水質指標。一般認為,當BOD5/CODCr<0.1時不適于生物處理,當該值位于0.20.6的全年占比為27.8%?？傮w可生化性較好,比值>0.6的時段主要出現在汛期或雨天。

3.2.2 SS/BOD5分析

SS/BOD5偏高是實現TN提標的阻礙。該值增加會引起反硝化速率降低,導致在缺氧段碳源利用不充分,碳源在好氧段的消耗比例增加,TN去除效果變差,正常值在1.1～1.2[6]。統(tǒng)計后,SS/BOD5<1.1的全年占比77.8%,比值在1.1～1.2的全年占比10.4%;比值>1.2的全年占比18.9%,主要出現在非汛期,占非汛期天數的25%,占汛期天數的7.4%。

3.2.3 BOD5/TP分析

污水處理系統(tǒng)有效生物除磷一般要求BOD5/TP>20,比值越大越能保證聚磷菌有足夠的基質需求,比值越大越能滿足要求[3]。統(tǒng)計后,BOD5/TP年中位數為39.8,比值>20的全年占比98.6%,滿足除磷要求。

3.2.4 BOD5/TN分析

污水的BOD5/TN是影響脫氮效果的重要因素之一,可用于判斷污水中碳源含量。一般認為,當污水的BOD5/TN>4時[7],可認為碳源充足;該值>5時,TN去除效果較好。統(tǒng)計后,BOD5/TN年中位數為4.0,其中比值>4的全年占比52.2%;在比值<4的天數中,雨天和旱天也約各占1/2。1月—3月該指標月中位數均小于4,與TN濃度均值偏高有關。

4 結論

(1)在計算合流制泵站截流量時,采用末端總流量扣除分流制污水支線和分流制雨水泵站截流量的方法,能較全面地表達地區(qū)合流制水量總體情況,完善了合流制泵站重力截流設施水量無法統(tǒng)計問題。同時,結合地區(qū)水廠日供水量,與選取的純旱天截流總量進行比值分析,利用該比值對雨天及雨后旱天截流量本底值進行擬合,為分析雨天的降雨及雨后截流量變化提供支撐。未來,有條件的地區(qū)宜根據排水范圍分割相應的供水區(qū)域,加裝供水邊界流量計和排水支線節(jié)點流量計,能進一步優(yōu)化曲線擬合成果。

(2)根據雨天截流量分析可知,不同的雨型、過程雨量、最大雨強等因素,都會對日降雨截流量和雨后影響天數帶來不同的結果,本文結論中,雨后對合流制排水系統(tǒng)影響在1～3 d。雨天截流量特征主要有兩個方面:一是日最大雨強和降雨持續(xù)時間,決定了日降雨截流總量大小,在相同雨量下,雨強越小,降雨持續(xù)時間越長,截流總量越大;二是連續(xù)多日的過程累計雨量越大,對排水系統(tǒng)雨停后的流量影響時間也越長。同時,如何區(qū)分計入旱天截流量或雨天截流量目前沒有統(tǒng)一標準。筆者建議,若能按本文方式擬合旱天截流總量,則旱天排水管網內存在的雨后影響水量也應一并計入雨天。此問題有待進一步探討。

(3)從合流制排水系統(tǒng)水質指標分析,月度水質總體變化趨勢和當月降雨量、截流量及放江的關聯度較大。汛期,合流制泵站的連續(xù)的低水位、大流量運行,管道沖刷對系統(tǒng)水質濃度降低關系較大,9月水質濃度下降最為明顯。而非汛期,隨著降雨量減少,沖刷效應減弱,水質濃度總體回升明顯。此規(guī)律的梳理對下游污水處理廠能預判并調整處理工藝、生產計劃等具有指導意義。對4項水質指標的相關性分析,總體處于正?？煽胤秶?能滿足污水處理需求。

(4)為改善合流制排水系統(tǒng)泵站放江水質,除了下墊面海綿設施、強化截流和擴容調蓄等措施外,在養(yǎng)護上目前主要還是依靠對收集管網的定期清淤。建議在合流制排水系統(tǒng)運行上進一步探索沖淤運行模式,即旱天可在特定時間分批調度不同支線啟動大流量運行,加快管道流速。在上下游一體化聯動,保證末端污水廠處理負荷的前提下,最大限度對收集管網進行自流沖洗改善管內沉積物附著,有助于進一步提升雨天放江水質。