沿海地區(qū)污水處理廠雨水混入率對設(shè)計規(guī)模的影響

王 凱，李一平，賴秋英，秦文凱，蒲亞帥

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

沿海地區(qū)城市發(fā)展速度較快，城市老城區(qū)多采用雨污合流，雨污管混接、錯接、漏接造成大量雨水進入污水管網(wǎng)，不僅容易造成管網(wǎng)收集、管網(wǎng)輸送、泵站提升的困難和污水處理廠處理水量和水質(zhì)負荷增加，更會造成污水處理廠污水溢流污染環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟損失。南方沿海地區(qū)全年雨量充沛，污水處理廠的穩(wěn)定運行更易受降雨影響，明確沿海地區(qū)排水管網(wǎng)的雨水混入與污水處理廠水質(zhì)水量響應(yīng)關(guān)系尤為關(guān)鍵。針對污水水質(zhì)、水量對污水處理廠運行的影響，國內(nèi)外都進行了相關(guān)研究，卞明明等[1]指出雨季大量含高濃度懸浮物污水進入污水處理廠，會導(dǎo)致進水水質(zhì)顯著變差；文彪[2]分析得出雨天污水處理廠設(shè)計進水量遠低于最大進水量，且晴天進水水質(zhì)濃度顯著高于雨天進水水質(zhì)濃度；楊文進等[3]研究得出地下水滲入排水管道的水量與地下水位具有顯著線性關(guān)系；盛政等[4]對西南某市測量點分析得出降雨量與降雨入滲量呈顯著正相關(guān)，降雨入滲導(dǎo)致管道設(shè)計水量低于實際水量；紅海西岸蘇丹喀土穆污水處理廠因雨水混入導(dǎo)致實際進水BOD濃度只達到設(shè)計濃度的一半[5]；濱海地區(qū)深圳市福田區(qū)管道塌陷、雨污管錯接導(dǎo)致地下水滲入量占總污水量的1/4[6]。目前，國內(nèi)外研究更注重雨水地下水混入污水管網(wǎng)的定性研究和地下水混入管道的定量測定，但對污水排水管網(wǎng)雨水混入導(dǎo)致污水處理廠負荷沖擊的影響缺少研究。

本研究以沿海地區(qū)臺州某污水處理廠為例，對污水處理廠進廠污水水量和水質(zhì)進行分析，從而得出沿海地區(qū)污水處理廠實際運行能力參考值，減少雨水混入管網(wǎng)對污水處理廠造成沖擊負荷，以期為保證排水水質(zhì)達標排放提供科學(xué)有效的支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

臺州市椒江區(qū)地處浙江省東部沿海，介于東經(jīng)121°20′24″～121°32′02″，北緯28°34′25″～28°46′53″之間，位于溫黃平原，平原面積占全區(qū)面積的62.34%。2017年臺州全市平均降水量1 376.1 mm,降水量時空分布不均勻，6—9月降水量占全年降水量的53%；6月降水量為全年最大，占全年降水量的25%，各站降水量基本都在250 mm以上；2月降水量為全年最小，占全年降水量的2%。降水量空間分布總體不均勻，高值區(qū)出現(xiàn)在臺州中西部，年降水量達1 200～1 500 mm，低值區(qū)出現(xiàn)在臺州南片，年降水量為1 000～1 100 mm。

臺州市椒江區(qū)分為椒南和椒北兩個區(qū)塊，椒南片區(qū)位于溫黃平原沿海東南部，是臺州的經(jīng)濟和政治中心。本研究選取位于椒南區(qū)塊的某污水處理廠(圖1)，其建設(shè)共分為兩期工程，設(shè)計處理能力為15萬t/d，一期工程設(shè)計處理能力為5萬t/d，采用AO處理工藝，進水以城市生活污水為主，處理后的出水水質(zhì)達到生活雜用水標準；二期工程設(shè)計處理能力為10萬t/d，采用“改良型AB法”處理工藝，處理后的出水水質(zhì)達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準，排放至臺州灣。

圖1 臺州某污水處理廠服務(wù)范圍

椒南片區(qū)現(xiàn)狀老舊城區(qū)為雨污合流制，根據(jù)《椒江區(qū)污水工程專項規(guī)劃(2017—2030)》，截流倍數(shù)為3，新建區(qū)塊均為雨污分流制。由于歷史的原因和越來越高的發(fā)展要求，椒南片區(qū)污水管網(wǎng)亟待改進的問題包括：部分管網(wǎng)高程不匹配，開發(fā)區(qū)和老城區(qū)污水管道存在高水位運行；雨季時農(nóng)村污水管網(wǎng)下游管網(wǎng)內(nèi)水位較高，排水不暢，造成污水返溢；老城區(qū)水污管道運行年限超30年，管網(wǎng)漏水率達10%；老城區(qū)雨污合流現(xiàn)象嚴重；雨污分流區(qū)域陽臺廢水排入雨水管網(wǎng)，造成雨水排出口被堵后雨水進入污水系統(tǒng)；污水管道結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷現(xiàn)象普遍，地下水通過管節(jié)和破裂處滲入管內(nèi)，同時污水容易通過缺陷處外溢，影響管道正常排水功能。

1.2 計算方法

選取2017年8月至2018年8月作為研究時段，進廠污水水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)來自污水處理廠在線監(jiān)測系統(tǒng)，降水量來自椒江區(qū)氣象局。采用三角形法[7]對雨水混入污水系統(tǒng)進行定量分析。初期雨水體積、負荷削減率和污水處理廠處理率的計算公式分別為

V=Ahφ

(1)

(2)

(3)

式中:V為初期雨水體積；A為匯水面積，椒南片區(qū)共計匯水面積98.55 km2；φ為折減系數(shù)，根據(jù) GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》，φ取0.6；h為設(shè)計水深，取4～8 mm；PLRR為負荷削減率；RPL為城市污水處理廠的污染物削減量；PE為城市污水系統(tǒng)服務(wù)的總當量人口；DPL為人均日污染物排放量[8]；η為污水處理廠處理率；Q1為污水處理廠處理污水量；Q2為污水產(chǎn)生量。

根據(jù)《椒江區(qū)椒北污水管網(wǎng)系統(tǒng)工程規(guī)劃(2010—2020)》中椒江水體功能，處理出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A排放標準，污水處理廠設(shè)計進水COD、NH3-N、TP和TN的質(zhì)量濃度分別為350 mg/L、30 mg/L、4 mg/L和40 mg/L。依據(jù)CJ 343—2010《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標準》《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》、GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》等進行參數(shù)選取，按照濃度當量進行污水處理廠污染負荷削減率計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對污水處理廠處理量的影響

選取的某污水處理廠2017年8月至2018年8月日污水量與降水量變化曲線見圖2。由圖2可見，日污水量變化浮動較大，范圍在6～23萬m3/d之間,最高日污水量約為設(shè)計處理規(guī)模的1.58倍，最低日污水量約為設(shè)計處理規(guī)模的40%，日污水量達設(shè)計處理規(guī)模(15萬m3/d)的天數(shù)占全年總天數(shù)比例為63%。日降水量小于25 mm的天數(shù)占一年總天數(shù)比例為90%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當日污水量高于污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模時，污水處理廠日污水量與降水量相關(guān)性較弱，并沒有明顯一致性；日污水量低于污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模時，污水處理廠日污水量與降水量存在較為明顯的相關(guān)性。不同月份污水處理率和降水量見圖3，可以發(fā)現(xiàn)，污水處理率始終維持在60%～70%，不同月份污水處理率并未隨降水量不同而出現(xiàn)較大變化，這說明污水處理廠長期處于滿負荷的運行狀態(tài)，僅在短期的非滿負荷運行條件下，降雨才會對污水處理廠進水量產(chǎn)生影響。降雨對污水處理廠的影響更多體現(xiàn)在雨水的混入比例上，翁晟琳等[9]對雨水混入臺州生活污水處理廠比例的研究中也說明了這一點。

圖2 2017年8月至2018年8月日污水量與降水量變化曲線

圖3 不同月份污水處理率和降水量

2.2 雨水混入的定量計算

根據(jù)國家氣象局頒布的降水規(guī)模等級劃分標準，24 h內(nèi)降水總量在0.1～10.0 mm為小雨、10.0～25.0 mm為中雨、25.0～50.0 mm為大雨、大于 50 mm 為暴雨。因臺州椒江區(qū)降雨強度達暴雨頻率較低，不具有代表性，故以小、中、大雨為主進行分析。根據(jù)臺州某污水處理廠提供的2017年8月至2018年8月在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，晴天、小雨、中雨和大雨時污水處理廠實際污水量均超過設(shè)計處理量 15萬t/d，污水處理廠的污水量并沒有明顯變化，污水處理廠運行負荷處于高水平。利用三角形法(圖4)對雨水混入量進行分析，將污水處理廠2017年8月至2018年8月的日污水量按時間進行升序排列，得到一條曲線，將橫坐標以一年總天數(shù)365天做均一化處理、縱坐標為日污水量占最大日污水量的比例，則矩形區(qū)域代表原生污水量，藍色區(qū)域代表地下水滲入量，橘色區(qū)域代表河水滲入量，青色區(qū)域代表雨水混入量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此污水處理廠日均雨水混入量約3.42萬t，占污水處理廠日均污水量22.3%。薛梅等[10]通過水量平衡法研究日本關(guān)東平原地區(qū)得出雨天混入管道雨水量占污水總水量比例高達59%，而日本管網(wǎng)漏水率為9%；上海市多數(shù)地區(qū)地下水、雨水滲入比例值是設(shè)計時滲入比例值的2～3倍[11]；Flood等[12]指出降雨與地下水滲入管網(wǎng)有明顯關(guān)系，美國沿海北卡羅來納海灘污水處理廠滲入率達15%?？梢娧睾５貐^(qū)污水處理廠普遍存在雨水混入污水管網(wǎng)的現(xiàn)象，雨水實際混入管網(wǎng)比例遠大于一般考慮的混入比例10%，主要原因是沿海城市雨量豐沛，地下水位相對較高，城市老城區(qū)多采用雨污合流，市政基礎(chǔ)建設(shè)較為復(fù)雜，使用年限較長，容易發(fā)生管網(wǎng)入滲現(xiàn)象。

圖4 三角形法原理

中國南方濱海城市一年中降雨天數(shù)占總天數(shù)比例近60%，圖5為雨水混入比例與不同降雨規(guī)模出現(xiàn)頻率關(guān)系。由圖5可見，小雨的降雨頻率最高，但雨水混入污水比例較低；中雨和大雨的降雨頻率較高，雨水混入污水比例也較大；暴雨的雨水混入污水比例較高，但降雨頻率較低。故以降水量為10.0～50.0 mm的區(qū)間為主導(dǎo)分析污水中混入雨水的比例。通過計算得小雨時雨水混入污水比例為12.8%，中雨時雨水混入污水比例升高為19.6%，大雨時雨水混入污水比例進一步升高至37.7%，但當達到暴雨時雨水混入污水比例降至26.2%?？梢?，在一定降水量范圍內(nèi)，降水量越大，雨水混入管網(wǎng)比例越大，雨水混入對污水管網(wǎng)產(chǎn)生的影響越大，管網(wǎng)的排水能力越差，而降水量大于50 mm時，雨水混入污水比例反而變小。造成這種現(xiàn)象的原因是污水量到達一定限值后，為了避免長時間高負荷運行對污水處理廠造成危害，污水處理廠部分泵站會被關(guān)閉，泵站不再發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，多余的水量通過超越管直接排至河道。沿海地區(qū)污水處理廠流量設(shè)計經(jīng)驗公式[13]為

Qs=1.4QhKZ

(4)

式中:Qs為污水處理廠設(shè)計規(guī)模；Qh為混合總污水量；KZ為污水量總變化系數(shù)；1.4是根據(jù)臺州某污水處理廠雨水混入率計算結(jié)果得到的修正系數(shù)。

圖5 雨水混入比例與各區(qū)間降雨頻率關(guān)系

2.3 降雨對污水處理廠進水水質(zhì)的影響

從長期運行數(shù)據(jù)看，污水處理廠實際進水水質(zhì)指標具有一定規(guī)律，晴天時進廠污水各指標質(zhì)量濃度較低，原因是地下水混入管網(wǎng)比例較大，造成污水水質(zhì)指標質(zhì)量濃度偏低；降雨時，污染物總量明顯增加，進廠污水COD、NH3-N、TP、TN的質(zhì)量濃度波動較大，其最高質(zhì)量濃度分別可達1 000 mg/L、80 mg/L、54 mg/L和218 mg/L,分別是污水處理廠相應(yīng)指標設(shè)計能力的2.86倍、2.67倍、13.5倍和5.45倍。進水的水質(zhì)波動較大可能是因為污水系統(tǒng)的運行管理模式導(dǎo)致的，泵站的啟閉、間斷性運行對進水水質(zhì)、水量造成影響，這給處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來較大不確定性。取2017年8月至2018年8月中63場小雨、41場中雨、37場大雨進行分析，場次降雨時間間隔為不小于2 h，部分降雨的特征值見表1。

表1 部分降雨的特征值

表2為進水水質(zhì)指標的質(zhì)量濃度與降雨規(guī)模的關(guān)系。從表2可以看出，小雨時，降雨徑流量小，進水COD、TP的質(zhì)量濃度較晴天均較大幅度提高，進水TN、NH3-N的質(zhì)量濃度較晴天幾乎不變，這是初期雨水污染物質(zhì)量濃度高導(dǎo)致的。臺州椒江初期雨水量為33.61萬～67.22萬m3，初期雨水溶解了空氣中大量工廠廢氣、汽車尾氣、酸性氣體等氣體，降落地面后會沖刷屋面、道路等，導(dǎo)致大量的懸浮固體、可降解有機物、營養(yǎng)物質(zhì)、有毒有害物質(zhì)等污染物存在其中[14]。根據(jù)測量，臺州椒江區(qū)地表徑流以固體懸浮物為主,由細小顆粒物、膠體物質(zhì)、PAHs及有機大分子組成。中雨時，降雨徑流量變大，進水中COD、NH3-N、TN、TP的質(zhì)量濃度均降低,原因是中雨時大量雨水混入污水管道，稀釋作用讓進水水質(zhì)指標的質(zhì)量濃度降低；但大量的面源污染混入污水管道使TN和NH3-N的質(zhì)量濃度下降幅度較小。大雨時，降雨徑流量大，隨著時間的推移，大量雨水混入污水管道，雨量的稀釋占主要作用，污水水質(zhì)各項指標的質(zhì)量濃度均大幅度降低。施萍等[15]研究表明位于典型平原河網(wǎng)地區(qū)的靖江市污水處理廠由于市轄各鎮(zhèn)地區(qū)排水體制以雨污合流為主，污水處理系統(tǒng)不能完全發(fā)揮效益，導(dǎo)致靖江老城區(qū)河道水環(huán)境質(zhì)量普遍較差；Giokas等[16]對希臘沿海地區(qū)伊萬尼納廢水處理廠研究發(fā)現(xiàn)雨天日流量變化較大，進、出水COD負荷明顯增加，進水TN負荷增加約25%；林源[17]的研究表明沿海地區(qū)深圳濱河污水處理廠一年中進水水質(zhì)BOD5濃度低于設(shè)計值的天數(shù)達半數(shù)以上?？梢娧睾５貐^(qū)污水處理廠進水水質(zhì)易受雨水影響，平原河網(wǎng)地區(qū)、濱海地區(qū)城市化程度相對較高，城市不透水面積較大，部分城區(qū)雨污混流制，雨天大量雨水易混入污水管網(wǎng)系統(tǒng)，污水管道中污染物的濃度隨降水量的不同而波動，造成對污水處理廠污染物負荷沖擊。

表2 進水水質(zhì)指標質(zhì)量濃度與降雨規(guī)模的關(guān)系

Table 2 Relationship between quality concentration of inflow water quality index and rainfall scale mg/L

降雨規(guī)模ρ(COD)ρ(TP)ρ(NH3-N)ρ(TN)晴天177.722.8931.5538.95小雨233.054.1131.8338.42中雨174.183.9320.9232.14大雨118.402.3016.5517.18

計算不同降雨規(guī)模下的污染負荷削減率，結(jié)果見圖6。由圖6可見，臺州某污水處理廠平均污染負荷削減率遠低于全國平均負荷削減率63%[8]，且隨著降雨規(guī)模的增大，污染負荷削減率逐漸降低。原因是臺州城市污水管網(wǎng)運行狀況不佳，大量雨水混入污水系統(tǒng)，造成污水處理廠污水水量超負荷運行，且隨著降雨規(guī)模的增大，進廠水質(zhì)低負荷沖擊進一步加劇。此外，通過相關(guān)性分析,污染負荷削減率與進水水質(zhì)具有一定的相關(guān)性，在置信區(qū)間為95%的情況下，污染負荷削減率與進水COD、NH3-N、TP、TN的質(zhì)量濃度相關(guān)性系數(shù)分別0.679、0.488、0.621、0.899，即進水水質(zhì)的質(zhì)量濃度可作為評價污水處理廠處理效率的一項重要參數(shù)，且較高的污水進水水質(zhì)指標質(zhì)量濃度有利于提高污水處理廠效率。

圖6 污染負荷削減率與降雨規(guī)模的關(guān)系

2.4 沿海地區(qū)污水處理廠實際設(shè)計參數(shù)的合理選擇

城市污水處理廠實際設(shè)計參數(shù)主要分為進廠污水水量和水質(zhì)兩部分[18]。污水水量和水質(zhì)一般與污水處理廠所服務(wù)范圍內(nèi)的人口數(shù)量、人均用水定額、污染物排放系數(shù)、工業(yè)廢水等有關(guān)，同時雨水、地下水滲入對污水處理廠設(shè)計參數(shù)的合理確定也有重要的影響。中國南方若干城市污水處理廠并不能充分發(fā)揮作用、效益較低的主要原因就是未充分考慮實際天氣和地形情況。雨水混入污水系統(tǒng)對處理廠污水量影響方面，國內(nèi)外已有一定研究，張日霞等[19]的研究表明西安市管網(wǎng)漏水率達20%以上，某污水處理廠進水污水量實際總變化系數(shù)K是初始設(shè)計值的1.4倍；Bertrand-Krajeski等[20]的研究表明一次強降雨中進入污水處理廠的流量約為晴天流量的3.08倍，TSS、BOD和NH3-N的進水質(zhì)量負荷分別是晴天負荷的10倍、7倍和1.2倍，排放到河流TSS質(zhì)量負荷是晴天的7倍；中國沿海地區(qū)上海市白龍港和竹園污水處理廠因設(shè)計時未充分考慮雨季合流制系統(tǒng)雨水混入的影響，導(dǎo)致污水處理廠溢流直排COD總量約達年排放總量的1/3[21]；美國北卡羅來納州東部沿海平原地區(qū)污水處理廠受降雨影響顯著，進入管網(wǎng)的量超總流量的10%，且降雨與入管網(wǎng)雨水量之間的正相關(guān)性和雨水徑流對水質(zhì)的影響相似[22]；瑞典西南沿海城市Helsingborg市，雨水和地下水滲入量達污水處理廠平均年流量的42%[23]。在雨水混入污水系統(tǒng)影響污水處理廠水質(zhì)方面，古凌艷等[24]通過對沿海地區(qū)廣東省某污水處理廠研究發(fā)現(xiàn)，天氣對該廠進水水質(zhì)有較大影響，旱季(10月至次年4月)進水水質(zhì)超過設(shè)計標準，但在雨季(5—9月)卻遠低于設(shè)計標準；Berthouex等[25]通過對15個運行良好的污水處理廠研究發(fā)現(xiàn)，其中BOD和TSS濃度異常的污水處理廠中分別有11%和19%是由高進水流量負荷導(dǎo)致的；大雨時，法國弗朗德平原地區(qū)里爾污水處理廠進水水質(zhì)受雨水影響較大,進水BOD、COD和TP最高質(zhì)量濃度分別可達污水處理廠設(shè)計標準13.45倍、13.52倍和2.83倍[26]；位于淮北平原亳州市污水處理廠因雨水混入導(dǎo)致進水COD、BOD、NH3-N和TN的質(zhì)量濃度較低，分別只達設(shè)計水質(zhì)指標的16.6%、23.8%、19.7%和37.5%[27]?？偟膩碚f，水量方面，國內(nèi)外污水處理廠普遍因雨水混入導(dǎo)致實際進廠污水量超過設(shè)計水量的20%，且平原和沿海地區(qū)的雨水混入比例高于非平原和內(nèi)陸地區(qū)。水質(zhì)方面，國內(nèi)外污水處理廠普遍因外水混入導(dǎo)致進水水質(zhì)濃度遠小于設(shè)計值，進水水質(zhì)濃度小于設(shè)計值的天數(shù)達半數(shù)以上，出水水質(zhì)達標率較低。對本研究區(qū)域來說，污水處理廠水量設(shè)計規(guī)模應(yīng)考慮20%～35%的雨水混入量，水質(zhì)設(shè)計參數(shù)應(yīng)考慮進水水質(zhì)的波動。小雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質(zhì)量濃度是晴天相應(yīng)指標的1.4倍、1.15倍、1.7倍、1.1倍；中雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質(zhì)量濃度是晴天相應(yīng)指標的57%、62%、49%、41%；大雨時，進水中COD、NH3-N、TP、TN平均質(zhì)量濃度是晴天相應(yīng)指標的84%、87%、103%、64%。臺州椒江區(qū)外水混入比例較大，可進一步開展管網(wǎng)排查工作，強化老舊管網(wǎng)合流制管網(wǎng)改造，具備條件的地區(qū)可加快實施雨污分流改造，原有雨污合流管網(wǎng)在清淤、疏通后可作為雨水管，并新建污水管道；暫不具備改造條件的地區(qū)，應(yīng)通過建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施、增大截流倍數(shù)等措施，預(yù)防雨污合流引起的溢流污染。

3 結(jié) 論

a. 雨水混入污水排水管網(wǎng)使沿海臺州某污水處理廠實際進水水質(zhì)總體上小于設(shè)計值。小雨時和大雨時，進水水質(zhì)波動對污水處理廠影響最大，污水處理廠設(shè)計參數(shù)和處理工藝選擇時宜著重考慮小雨和大雨時進水水質(zhì)的變化范圍；臺州地表徑流污染物以固體懸浮物為主，控制初期降雨徑流、去除地表徑流固體懸浮物是臺州治理降雨徑流污染、降低污水處理廠負荷的有效手段。

b. 臺州某污水處理廠處理水質(zhì)效率較低，污染負荷消減率遠低于全國負荷削減率平均值，且污染負荷削減率隨著降雨強度的增大而減小。不同降雨強度下污水處理廠COD、NH3-N、TP、TN負荷削減率分別為33%～39%、48%～63%、47%～56%、32%～51%；污水處理廠滿負荷運行，污水量處理率較低，大致維持在60%～70%。

c. 臺州某污水處理廠實際進水量遠大于設(shè)計值。小雨、中雨、大雨和暴雨時，雨水混入污水比例分別為12.8%、19.6%、37.7%和26.2%?？紤]雨水混入對沿海地區(qū)污水處理廠規(guī)模影響，建議沿海地區(qū)污水處理廠水量設(shè)計規(guī)模宜考慮乘以一個1.4的修正系數(shù)。