臺州市生活污水處理廠設(shè)計水量中雨水混入比例研究

翁晟琳,李一平,盧緒川,戚 文

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

臺州市生活污水處理廠設(shè)計水量中雨水混入比例研究

翁晟琳,李一平,盧緒川,戚 文

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

基于臺州市椒江區(qū)2014年污水處理廠進水量和雨量監(jiān)測站的數(shù)據(jù),進行污水處理廠日進水量頻率分析和城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)中雨水混入比例分析,從而對污水處理廠設(shè)計水量進行修正。結(jié)果表明:小雨、中雨、大雨、連續(xù)暴雨時的污水量分別是晴天污水量的1.29、1.53、1.77、2.31倍;地下水與河水滲入量約占晴天日均污水量的24.1%,雨天雨水混入量約占雨天日均污水量的24.2%;隨著降雨量增大,雨水混入比例由10%升高至35%,最后趨于27%;濱海城市生活污水處理廠設(shè)計水量中雨水混入比例可定為25%～30%。

雨水混入比例;入滲流量;設(shè)計水量;污水處理廠規(guī)模

目前,我國的排水體制主要有4種:合流制、截留式合流制、分流制、混合制[1]。我國大多數(shù)城市,尤其是老城區(qū),采用雨污合流、混流制的排水系統(tǒng),且存在管網(wǎng)淤塞、錯接、破損、檢查井滲漏、排水體制混亂等問題,導(dǎo)致雨水、地下水等外水直接或間接地進入管網(wǎng),這些混入的外水稱為入滲流量。濱海城市地處臨江臨海,城市河網(wǎng)水系相互連通,一方面,由于降雨天數(shù)多,雨量充沛,且地下水位高,雨水難以排出,致使內(nèi)澇頻發(fā);另一方面,由于地質(zhì)松軟,排水管網(wǎng)管理和維護體制欠缺,管道易淤塞、破損、混接。因此,污水處理廠設(shè)計規(guī)模與實際進水量相差較大[2-3],明確管網(wǎng)中雨水混入比例是亟須解決的問題。

針對入滲流量對排水系統(tǒng)的影響,國內(nèi)外均有定性和定量的研究。為證明排水系統(tǒng)中雨水混入量的存在,薛梅等[4]采用晴天污水量法計算了日本某下水道中的不明水量,研究表明雨水流入量與降雨量有良好的相關(guān)性;金銀[5]的研究表明,對于合流制管網(wǎng),在不同降雨重現(xiàn)期的條件下,污水廠的總進水量均遠遠超過設(shè)計能力;董景春[6]指出由于管道老化,市政排污量中還包括不少的雨水(地表徑流);為研究雨水混入量的變化規(guī)律,Brombach等[7]研究發(fā)現(xiàn),入滲流量具有季節(jié)性,冬季與夏季差距可達10倍以上;水中H、O元素可作為穩(wěn)定同位素[8],如De等[9]指出可采用氧同位素測定排水系統(tǒng)入滲率的日變化規(guī)律;Lee[10]提出根據(jù)流量數(shù)據(jù)識別入滲流量來源并確定合適的調(diào)查方法;張齊云[11]對污水處理廠的排污口進行晴雨天水量、水質(zhì)的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)雨天流量是晴天流量的1.8～4.6倍,雨天TN、TP均是晴天濃度的3倍以上;盛政等[12]對污水管網(wǎng)進行總體模擬分析,得出6%的降雨量進入了污水管網(wǎng);吳兆申等[13]指出連續(xù)5 d暴雨,降水量達200 mm以上,污水處理廠進水量可比同期晴天增加60%。目前,國內(nèi)外的研究主要集中在晴雨天流量變化的定性研究和排水系統(tǒng)中外水入滲率的測定,結(jié)論一般具有普遍性與廣泛性,而關(guān)于濱海城市生活污水處理廠設(shè)計水量中雨水混入比例的研究較少。

污水處理廠的設(shè)計水量是其設(shè)計和運行的基礎(chǔ),直接關(guān)系其工藝的選擇[14],雨水混入和地下水入滲使其規(guī)模的確定更為復(fù)雜。在預(yù)測污水處理廠的污水量時,通常參照排水設(shè)計手冊、規(guī)范等所確定的各項指標[15],但排水設(shè)計手冊和規(guī)范中均未對此進行明確規(guī)定,實際問題中污水管網(wǎng)的雨水、地下水入流入滲率一般取10%。筆者針對濱海城市生活污水處理廠設(shè)計水量中的雨水混入比例開展研究,進行污水處理廠日進水量頻率分析以及污水管網(wǎng)中雨水混入量分析,從而得出適用于濱海城市生活污水處理廠的雨水混入比例的取值范圍,以期為濱海城市生活污水處理廠設(shè)計水量的合理確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取典型的濱海城市——臺州市椒江區(qū)進行研究。椒江區(qū)是臺州市行政中心駐地,地處浙江省東部沿海,東瀕東海,西臨黃巖區(qū),南連路橋區(qū),北接臨海市,是浙江東部的海上門戶。椒江區(qū)境內(nèi)河道縱橫交錯,除椒江系自然河流外,平原河流大多由人工開挖而成,呈縱橫經(jīng)緯格局。區(qū)內(nèi)共有356條河道,總長度665.3 km,河道水域面積為43.69 km2,河道容積25 300萬m3。

臺州市椒江區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖濕潤,四季分明。多年平均降水深為1 563 mm,降水量為155.1億m3,年降水天數(shù)為140～180 d。降雨時空分布不均,空間分布上西南部大于北部、東部,山丘區(qū)大于盆地、平原,海島最小;時間分布上,不僅年際有差別,而且年內(nèi)分配與季風(fēng)進退時間及臺風(fēng)活動密切相關(guān)。每年4—6月的梅雨期及7—10月的臺風(fēng)期的降水量往往達全年降水量的75%～85%。

椒江的排污管線以江為界分為椒南、椒北兩大系統(tǒng),相對獨立,各成體系。城區(qū)的主要管線為化工污水管、北線污水管、南線污水管、開發(fā)大道污水管和濱海污水管5大線路系統(tǒng)。排污體制主要為雨污合流制,問題集中在管網(wǎng)破損與排水體制混亂。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,用水量提高,與此同時,污水處理廠進水量存在晴雨天變化大、晝夜變化大等問題,雨天污水處理廠水量嚴重超過設(shè)計處理負荷,進水出水存在超標現(xiàn)象。因此,合理確定污水處理廠設(shè)計水量中的雨水混入比例尤為重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源及計算方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所使用的污水量數(shù)據(jù)來自椒江污水處理廠提供的運行參數(shù)月報表(2014年1—12月)。降雨量數(shù)據(jù)來自臺州市椒江區(qū)柵浦閘、葭沚閘、楊司、海門、巖頭閘、殿后陶、經(jīng)四路、建設(shè)閘、井馬水庫、洪家和濱海工業(yè)園11個雨量站(圖1)提供的日降雨量數(shù)據(jù)(2014年1—12月)。

圖1 椒江區(qū)雨量站位置

1.2.2 進水量保證率計算方法

保證率是指在某一時段內(nèi),某一要素值高于或低于某一界限的頻率的總和,用于說明該種狀況出現(xiàn)的可靠程度[16]。如污水處理廠進水量a的保證率為n%,即表示日進水量在100天中可有n天保證不超過a。保證率通過頻率累計的統(tǒng)計計算得出。將污水處理廠日進水量降序排列,由大到小進行頻率累計并記錄,以進水量組限下限值為橫坐標,對應(yīng)保證率為縱坐標作散點圖,并擬合為平滑曲線,即可得到保證率變化曲線,以及各保證率所對應(yīng)的進水量,進水量值越細分,所得結(jié)果越精確。

1.2.3 雨水混入率的定量分析方法

借鑒評估地下水滲入排污管道的方法,采用水量平衡法中的三角法[17],對污水管網(wǎng)中的雨水混入率進行定量分析。將一年的日均污水量按升序排列,進行均一化處理:將時間除以一年總天數(shù),日均污水量除以一年中的最大日污水量。以晴雨天占一年總天數(shù)的比例為橫坐標,日污水量占最大日污水量的比例為縱坐標,建立坐標系,將數(shù)據(jù)繪于圖表中,可得到一條曲線,見圖2。圖2中下方矩形區(qū)域代表年原生污水量;中間區(qū)域代表年雨水混入量和年地下水、河水滲入量之和;點A表示一年中晴天所占的比例,從該點畫垂線交曲線于一點B,并以直線連結(jié)該交點B與右下角點C,則該直線下方區(qū)域即表示年地下水、河水滲入量,上方區(qū)域表示年雨水混入量,包括年雨水流入量與年雨水滲入量。

圖2 三角形法原理

2 分析與討論

2.1 污水處理廠日污水量頻率分析

2014年椒江污水處理廠日污水量與日均降雨量變化曲線見圖3,日污水量在8萬～20萬t/d范圍內(nèi)上下波動,振幅較大,圖3中可見明顯的峰值;日均降雨量大多處于30 mm以下,對于超過 60 mm 的峰值,可看出與日進水量峰值具有顯著的一致性。據(jù)此數(shù)據(jù)進行保證率計算,可得保證率變化曲線(圖4)。

圖3 日污水量與日均降雨量變化曲線

圖4 保證率變化曲線

以保證率為0時所對應(yīng)污水處理廠進水量作為晴天污水量,保證率為10%時所對應(yīng)污水處理廠進水量作為小雨時污水量,保證率為50%時所對應(yīng)污水處理廠進水量作為中雨時污水量,保證率為90%時所對應(yīng)污水處理廠進水量作為大雨時污水量,保證率為100%時所對應(yīng)污水處理廠進水量作為連續(xù)暴雨時污水量。晴天時污水量為8.2萬t/d,小雨時污水量為10.5萬t/d,是晴天的1.29倍;中雨時污水量為12.5萬t/d,是晴天的1.53倍;大雨時污水量為14.5萬t/d,是晴天的1.77倍;連續(xù)暴雨時污水量為18.8萬t/d,是晴天的2.31倍。降雨強度增大,污水處理廠受到的沖擊負荷也隨之增加。

由此可知,椒江區(qū)管網(wǎng)中雨天雨水混入率較高,晴天與暴雨時的污水量有很大差距,造成污水量較大幅度地上下波動,與日污水量變化一致。這會導(dǎo)致水量水質(zhì)的不穩(wěn)定性,對污水處理廠與污水管網(wǎng)造成較大的沖擊負荷。由于濱海城市降雨天數(shù)多且雨量充沛,雨天大量雨水進入污水管網(wǎng),造成污水處理廠超負荷運行,導(dǎo)致進、出水水質(zhì)超標,嚴重影響排水系統(tǒng)的正常運行,并造成環(huán)境污染。因此,分析污水量中的雨水混入比例是必要的,有利于合理確定污水處理廠的規(guī)模。

2.2 污水管網(wǎng)中雨水混入比例分析

污水管網(wǎng)中的總水量可分為原生污水量、地下水與河水滲入量以及雨水混入量。基于2014年椒江污水處理廠日污水量數(shù)據(jù),采用三角法[18]對污水管網(wǎng)中的雨水混入比例進行定量分析,結(jié)果表明:2014年椒江污水處理廠晴天日均污水量為10.75萬t/d,其中地下水與河水滲入量為2.59萬t/d,約占晴天日均污水量24.1%;雨天日均污水量為14.18萬t/d,是晴天日均污水量的1.32倍,其中雨水混入量為3.43萬t/d,約占雨天日均污水量24.2%;地下水與河水滲入量約占雨天日均污水量的18.3%;雨水混入量、地下水與河水滲入量較高,管網(wǎng)破損漏水嚴重。

東部濱海城市降雨充沛,一年降雨天數(shù)的比例超過50%,由于雨水混入比例較高,這意味著污水處理廠一年的進水量中有一半以上時間深受降雨影響,而給水日變化系數(shù)相對較小,不足以表現(xiàn)降雨量影響,需進行降雨量影響的量化或指標化。針對不同降雨量時的污水量進行統(tǒng)計分析,分別求出對應(yīng)的雨水混入比例,同時參考不同降雨量所對應(yīng)頻率(圖5),對降雨量進行組距式分組,橫坐標表示降雨量分組的上下限,即組限,主縱坐標表示雨水混入比例,次縱坐標表示降雨頻率。

圖5 雨水混入比例隨降雨量變化

根據(jù)降雨頻率,可以看出暴雨頻率相對較低,一般雨量集中在5～20 mm區(qū)間,而1～3 mm區(qū)間降雨頻率雖然較高,但雨水混入比例較低。因此,在研究雨水混入比例的取值范圍時,可主要參考5～20 mm區(qū)間段。降雨量較小時,在1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm區(qū)間內(nèi),雨水混入比例分別為12.3%、16.5%、20.4%;降雨量較大時,在10～20 mm、20～30 mm區(qū)間內(nèi),雨水混入比例分別為26.8%、35.5%。隨降雨量增大,雨水混入比例由10%左右逐漸升高至35%左右。降雨量增大至一定數(shù)值后,雨水混入比例趨于27%,這是由于降雨量較小時,不能形成徑流,當降雨量較大時,形成徑流,通過直流或管道滲漏進入污水管網(wǎng)中,增加了總水量。根據(jù)調(diào)查可知,污水量增加到一定數(shù)值后,污水處理廠考慮自身處理負荷,將適時關(guān)閉一些污水泵站,而隨著降雨量的進一步增加,污水泵站已不能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,污水將通過超越管線排入河中,這解釋了雨水混入比例有所下降并趨于穩(wěn)定的原因。

2.3 濱海城市污水處理廠規(guī)模的合理確定

污水處理廠的設(shè)計水量一般由供水量經(jīng)日變化系數(shù)[19]、污水排放系數(shù)、入滲比、截流倍數(shù)[20]修正后確定。雨水混入和地下水入滲使得污水廠規(guī)模的確定更為復(fù)雜,但排水設(shè)計手冊和規(guī)范中均未對此進行明確規(guī)定,實際問題中污水管網(wǎng)的雨水、地下水入流入滲率一般取10%。

我國東部沿海城市由于降雨充沛,地下水位高,導(dǎo)致地質(zhì)松軟,管道易破損,排水管網(wǎng)管理和維護體制不足等因素,具有特殊性。合肥市合流制地區(qū)雨天出流是旱季流量的2.3倍[21],桂林市雨天污水平均進水量是晴天的1.5倍[22],相比內(nèi)陸地區(qū),深圳某污水處理廠按照雨天流量是旱季流量的3倍計算[23],可見濱海城市雨量較多,晴雨天污水量變化較大。李田等[24]認為應(yīng)采用占污水總量的比例作為滲入量指標,并建議上海市區(qū)的新建排水系統(tǒng)的滲入量指標定在10%～20%,陳舊管道需進一步研究;周宏斌等[25]對城市供排水系統(tǒng)進行水量平衡分析,得出昆明城區(qū)雨水混入量占污水總量的23%;對日本26個排水區(qū)域中,平均滲入量是污水總量的25.9%[26];英國平均旱季流量中入滲率為15%～50%[27];德國污水廠普查數(shù)據(jù)顯示平均入滲率約30%[28],34個污水處理廠中污水、雨水和滲水量分別占30%、35%、35%[29],10%污水廠的旱季流量入滲率超過50%[30]。總體來說,發(fā)達國家雨水混入量比例較高,我國濱海城市比內(nèi)陸城市略高,且老城區(qū)比新城區(qū)略高。

對于椒江污水處理廠,經(jīng)過計算、分析雨天雨水混入比例為24.2%,隨降雨量增大,雨水混入比例由10%左右逐漸升高至35%左右,降雨量增大至一定數(shù)值后,雨水混入比例趨于27%,均遠大于10%。因此在設(shè)計濱海城市生活污水處理廠的規(guī)模時,雨水混入比例可定為25%～30%,與地下水滲入率分開考慮,老舊管網(wǎng)的地下水滲入率也應(yīng)適當提高。此外,完善城市排水系統(tǒng),實行雨污分流、雨水資源化利用、污水管網(wǎng)檢修是長期、細致和十分必要的工作[31-33]。

3 結(jié) 論

臺州市椒江區(qū)污水處理廠設(shè)計水量中雨水混入比例是地下水與河水滲入量約占晴天日均污水量24.1%,占雨天日均污水量的18.3%,雨天雨水混入量約占雨天日均污水量24.2%。確定濱海城市生活污水廠規(guī)模時,雨水混入量的比例可定為 25%～30%,老城區(qū)可取較大值,而新城區(qū)取較小值,同時也需注意維護和完善排水系統(tǒng)。

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Study of rainwater mixing rate of design water quantity at domestic sewage treatment plants in Taizhou City

WENG Shenglin, LI Yiping, LU Xuchuan, QI Wen

(CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on the data of inflow of a sewage plant and data from rainfall monitoring stations in the Jiaojiang District, in Taizhou City in 2014, we analyzed the daily inflow frequency at the sewage plant and the rainwater mixing rate in urban sewage pipe networks, so as to modify the design water quantity of the sewage plant. The results are as follows: the sewage quantities in the cases of light, moderate, heavy, and continuously heavy rainfall were respectively 1.29, 1.53, 1.77, and 2.31 times those on sunny days. The quantity of groundwater mixed in sewage accounted for 24.1% of the daily sewage quantity on sunny days, and the quantity of rainwater mixed in sewage accounted for 24.2% of the daily sewage quantity on rainy days. With the increase of rainfall, the rainwater mixing rate increased from 10% to 35%, and finally tended to be 27%. The rainwater mixing rate of the design water quantity for sewage plants in coastal cities can be determined as a value ranging from 25% to 30%.

rainwater mixing rate; infiltration flow; design water quantity; sewage plant scale

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.012

國家自然科學(xué)基金(51579071,51379061);霍英東教育基金(141073);江蘇省自然科學(xué)基金(BK20131370)

翁晟琳(1994—),女,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境數(shù)學(xué)模型。E-mail:382209348@qq.com

李一平,教授,博士生導(dǎo)師,博士。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn

X703.1

A

1004-6933(2017)04-0075-05

2016-09-29 編輯：王 芳)