合流制溢流調(diào)蓄與處理設施設計方案
——以武漢市廟湖水環(huán)境提升為例

杜立剛，楊 濤，石亞軍

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430023)

隨著城市發(fā)展和國家對生態(tài)文明建設的愈發(fā)重視，城市水環(huán)境治理更加迫切。目前，我國許多城市污水處理率大幅提高，但水環(huán)境質(zhì)量卻沒有顯著改善，合流制排口溢流污染成為水環(huán)境治理的重點[1]。我國雖已有合流制溢流治理的工程實踐，但多以調(diào)蓄為主，且溢流頻次、調(diào)蓄規(guī)模及針對合流制溢流污水處理等的設計方法缺失。以武漢市東湖子湖——廟湖水環(huán)境提升為例，介紹針對合流溢流調(diào)蓄與處理設施的方案設計，以期為類似工程提供設計思路與參考。

1 工程概況

廟湖為武漢市東湖子湖之一，位于東湖西南側(cè)，水域面積為1.71 km2，流域面積為11.31 km2，現(xiàn)狀水質(zhì)為V類，低于東湖全湖的平均水質(zhì)。目前，廟湖旱季污水截流已完成，雨季卓北閘和濱湖閘2個大型合流排口的溢流污染成為影響廟湖水質(zhì)的主要污染源之一。卓北閘排口位于廟湖西南側(cè)湖衩、卓刀泉北路東側(cè)，匯水面積約為2.2 km2，匯水范圍內(nèi)為已建成區(qū)。濱湖閘排口位于廟湖東南側(cè)湖衩、湖濱花園酒店東北側(cè)，匯水面積約為4.5 km2，匯水范圍內(nèi)也為已建成區(qū)。為盡快提升廟湖水質(zhì)，廟湖水環(huán)境提升工程擬采取“截流+調(diào)蓄+離線處理”的模式對兩大合流排口進行治理?？紤]到用地受限，同時為節(jié)省工程投資和減小環(huán)境影響，本工程采用“分散調(diào)蓄+集中處理”的方案，即在濱湖閘排口處設置調(diào)蓄處理站，在卓北閘排口處僅設置調(diào)蓄設施和提升泵。下雨時，截流的合流污水分別存儲于排口處的調(diào)蓄設施；雨后，卓北閘調(diào)蓄設施調(diào)蓄的合流污水再經(jīng)泵抽排至湖濱調(diào)蓄處理站集中處理。工程內(nèi)容包括新建調(diào)蓄設施、提升設施及處理設施，工程總體布置如圖1所示。

圖1 工程總體布置圖Fig.1 General Layout of the Project

2 溢流控制標準

我國現(xiàn)行標準規(guī)范中未有明確的溢流控制標準，工程設計中通常采用以截流倍數(shù)或溢流次數(shù)為效果導向的控制標準。相關(guān)規(guī)范規(guī)定[2]，截流倍數(shù)宜采用2～5。關(guān)于溢流次數(shù)，國內(nèi)暫無相關(guān)規(guī)范和標準?！段錆h溢流污染及面源污染治理系統(tǒng)建設規(guī)劃》研究表明，受納水體為達標水體時，年均溢流次數(shù)宜控制在10次以內(nèi)；受納水體為非達標水體時，年均溢流次數(shù)宜控制在4～6次。鑒于廟湖所在區(qū)位及其對東湖整體水環(huán)境的影響，并參考美國環(huán)保局關(guān)于CSO控制政策[3]，本方案采用較高的溢流控制標準，即年均溢流次數(shù)控制在4～6次(24 h內(nèi)場次降雨的溢流定義為1次溢流事件)。

通過對武漢市1982年—2015年共計4 012場降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出了不同場次降雨量對應的年均降雨日數(shù)，大于某一場次降雨量的年均降雨日數(shù)累加值即為該控制降雨量對應的年均溢流次數(shù)。溢流次數(shù)與控制降雨量的對應關(guān)系如表1所示。由表1可知，按年均溢流4～6次控制對應的控制降雨量約為50 mm。

表1 溢流次數(shù)與控制降雨量對應表Tab.1 Corresponding Table of Overflow Times and Rainfall Control

3 調(diào)蓄規(guī)模與方案設計

3.1 規(guī)模模擬計算

本方案采用Infoworks ICM模型軟件，根據(jù)現(xiàn)狀管線測量資料及管網(wǎng)運行狀況，采用綜合徑流系數(shù)法構(gòu)建了廟湖卓北閘和濱湖閘排口匯水區(qū)水力計算模型。綜合徑流系數(shù)按源頭海綿城市改造后考慮，通過選取典型年降雨中場次降雨約為50 mm的降雨數(shù)據(jù)，進行模擬2個排口的出流量，如圖2和圖3所示。

圖2 卓北閘排口出流量Fig.2 Flow of Zhuobei Gate Outlet

圖3 濱湖閘排口出流量Fig.3 Flow of Hubin Gate Outlet

由圖2和圖3可知，卓北閘排口累計出流量約為39 600 m3，濱湖閘排口累計出流量約為50 100 m3?？紤]一定的安全系數(shù)，卓北閘調(diào)蓄設施調(diào)蓄規(guī)模取4.5萬m3，濱湖閘調(diào)蓄設施調(diào)蓄規(guī)模取5.5萬m3。

3.2 規(guī)模復核

根據(jù)上述確定的規(guī)模，采用典型年降雨數(shù)據(jù)進行溢流次數(shù)復核，結(jié)果如圖4和圖5所示。實線(上方)表示典型年降水曲線，虛線(下方)表示典型年溢流曲線。

圖4 卓北閘排口典型年溢流次數(shù)分析Fig.4 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Zhuobei Gate Outlet

圖5 濱湖閘排口典型年溢流次數(shù)分析Fig.5 Typical Year Overflow Frequency Analysis of Hubin Gate Outlet

由圖4和圖5可知，在考慮上游規(guī)劃海綿措施的條件下，卓北閘調(diào)蓄設施規(guī)模取4.5萬m3，濱湖閘調(diào)蓄設施調(diào)蓄規(guī)模取5.5萬m3，均能控制年均溢流6次以內(nèi)，即上述確定的調(diào)蓄規(guī)模滿足溢流控制標準要求。

3.3 調(diào)蓄設施方案設計

卓北閘周邊綠化用地不足以滿足調(diào)蓄設施用地需求，鑒于兩湖隧道工程中地面段需對現(xiàn)狀卓刀泉北路東側(cè)進行拓寬，為了減少兩工程實施期間對周邊環(huán)境的影響、縮小占地面積及降低實施難度，確定利用卓刀泉北路拓寬段地下空間建設調(diào)蓄箱涵。結(jié)合卓刀泉北路平面及豎向設計、現(xiàn)狀及規(guī)劃管線的平面位置和豎向情況，確定調(diào)蓄箱涵采用雙孔B×H=5 m×6 m的斷面形式，長約900 m，真空沖洗系統(tǒng)進行沖洗，坡度為0.001～0.002，有效水深為5.5 m。

根據(jù)濱湖閘周邊用地現(xiàn)狀和用地規(guī)劃，擬將濱湖調(diào)蓄處理站設置在現(xiàn)狀濱湖泵站西北側(cè)、廟湖西南岸的現(xiàn)狀綠化內(nèi)，占地約20 000 m2。為減小工程用地，且與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，調(diào)蓄處理站擬采取全地下式雙層結(jié)構(gòu)，埋深約為19 m，地下二層主要為調(diào)蓄單元，采用真空沖洗系統(tǒng)進行沖洗，地下一層主要為處理單元，地面為景觀公園。

4 處理設施規(guī)模與工藝

4.1 處理規(guī)模

卓北閘調(diào)蓄箱涵調(diào)蓄量為4.5萬m3，濱湖調(diào)蓄處理站調(diào)蓄量為5.5萬m3，總調(diào)蓄量為10萬m3。綜合考慮武漢市降雨特性和現(xiàn)狀排水設施輸水能力，調(diào)蓄設施內(nèi)的初雨及溢流污水應在2～3 d處理完，以便為下一場降雨騰退調(diào)蓄空間。根據(jù)現(xiàn)狀排水設施調(diào)查結(jié)果，八一路污水泵站及配套管網(wǎng)已滿負荷運行，無富余能力；濱湖污水泵站及配套管網(wǎng)、下游龍王嘴污水處理廠尚有1萬～2萬m3/d的能力富余。因此，本方案優(yōu)先利用濱湖污水泵站1.5萬m3/d的富余，再新建規(guī)模為2萬m3/d的就地處理設施。

4.2 設計進、出水水質(zhì)

現(xiàn)階段缺少該兩大排口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，參考國內(nèi)已建設的調(diào)蓄池進水水質(zhì)，同時，考慮地域差異、城市發(fā)展水平以及降雨事件的不同，結(jié)合本工程所在區(qū)域的特點，確定了本工程設計進水水質(zhì)。

目前，我國對初雨及溢流污水處理沒有明確的尾水排放標準，若采用較高的出水標準，存在工程投資高、占地大、旱季處理設施利用率不高等問題。因此，選擇占地面積小、節(jié)省投資的處理工藝，最大程度去除污染物總量，是本工程處理初雨及溢流污水的目標。相關(guān)文獻[4-6]對污染物之間相關(guān)性的研究表明，COD、TN、TP與SS具有較好的相關(guān)性，因此，本方案對SS從嚴控制。

綜合考慮以上因素，結(jié)合本工程位于東湖風景區(qū)、受納水體為東湖等特點，參考國內(nèi)類似案例設計參數(shù)，設計進、出水水質(zhì)如表2所示。

表2 設計進出水水質(zhì)及處理程度Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality and Degree of Treatment

4.3 處理工藝方案選擇

4.3.1 預處理工藝

合流制溢流污水水質(zhì)波動大，漂浮物多，SS較高，預處理單元以去除漂浮物及無機砂等為主，本方案預處理工藝采用“粗格柵+隔油沉砂池+調(diào)蓄池+細格柵”。

4.3.2 生物處理工藝

常規(guī)初雨處理控制指標主要為COD和SS，因此，處理工藝一般為一級強化處理。本工程處理對象為合流制溢流污水，控制指標除了COD和SS外，同時還要求NH3-N和TP達到相應出水標準，而NH3-N的去除需通過生物處理實現(xiàn)。生物處理單元的選擇是整體工藝流程的核心，生物處理階段主要處理對象為COD和NH3-N等。合流污水水質(zhì)變化明顯，沖擊負荷大，與傳統(tǒng)懸浮相活性污泥法相比，生物膜法更為合適。綜合考慮進出水水質(zhì)、用地、處理負荷、投資成本等方面，參考類似工程項目，本方案生物處理工藝推薦采用高效沉淀池沉淀池+生物接觸氧化池。

合流制溢流污水處理設施為間歇運行，間歇時間過長不利于生物處理單元中微生物的培養(yǎng)。本方案晴天時利用少量旱流污水，以滿足微生物生長需求，進而保證雨季時生物處理單元能滿負荷運行。

4.3.3 深度處理工藝

為確保TP及SS穩(wěn)定達標，生物處理單元后需增加深度處理單元。結(jié)合工程用地，本方案深度處理單元采用“斜管沉淀池+機械濾池”工藝，通過混凝沉淀及過濾等物理化學過程去除難溶解及難生物降解的SS、TP及少量的COD。此外，本方案對排口進行生態(tài)化改造，進一步凈化出水水質(zhì)。

4.3.4 污泥處理工藝

根據(jù)當?shù)丨h(huán)保要求，污泥脫水至80%后方可外運。鑒于調(diào)蓄處理站為全地下式，用地緊張，本方案采用板框壓濾脫水工藝，具有處理效果好、設備穩(wěn)定可靠、運行維護方便、占地小、土建工程量少等特點。

4.3.5 調(diào)蓄處理工藝流程

通過對進、出水水質(zhì)及運行特點進行分析，確定調(diào)蓄處理工藝流程，如圖6所示。

圖6 調(diào)蓄處理工藝流程圖Fig.6 Process Flow Diagram of Storage and Treatment

4.4 主要構(gòu)筑物設計

4.4.1 粗格柵間、隔油沉砂池、調(diào)蓄池及提升泵

為節(jié)省工程用地，粗格柵、隔油沉砂池、調(diào)蓄池與提升泵合建。粗格柵和隔油沉砂池按濱湖閘排口峰值流量為8.8 m3/s進行設計。粗格柵6條渠，渠寬為2.0 m，采用鋼絲繩格柵除污機，柵條間距為20 mm，設計過柵流速為0.7 m/s。隔油沉砂池6格，池寬為4 m，水平流速為0.15 m/s，停留時間為3.3 min，采用鏈條式刮油刮泥機。調(diào)蓄池設計規(guī)模為5.5萬m3，平面尺寸B×L=60 m×105 m，有效水深為9 m，采用真空水力沖洗系統(tǒng)進行沖洗。提升泵規(guī)模為2萬m3/d，設4臺潛污泵(3用1備)，單泵Q=278 m3/h，H=17 m。

4.4.2 細格柵

渠道數(shù)3條，單渠流量278 m3/h，選用內(nèi)進流孔板式格柵除污機，板孔直徑為6 mm。

4.4.3 高效沉淀池

成套設備2套，單套規(guī)模為1萬m3/d，單套尺寸為10.9 m×13.2 m×6.5 m，混合時間t=3.7 min，絮凝時間t=9.0 min，表面負荷為10.4 m3/(m2·h)，污泥回流比為5%。

4.4.4 生物接觸氧化池

設置2座，每座分4組，每組處理規(guī)模為2 500 m3/d，單池尺寸為40 m×6 m×5 m，有效停留時間為11.5 h，設計容積負荷為3.5 kg COD/(m3·d)，氣水比為12∶1。

4.4.5 斜管沉淀池

設置2座，單座處理規(guī)模為1萬m3/d，單池尺寸為24 m×6 m×5 m，表面水力負荷為2 m3/(m2·h)，池內(nèi)停留時間為47 min。

4.4.6 機械濾池

成套設備2套，單套規(guī)模為1萬m3/d，單套尺寸為3.2 m×1.8 m×2.3 m，功率為4 kW。

4.4.7 污泥濃縮脫水機房

污泥濃縮脫水機房主要是對高效沉淀池、斜管沉淀池排泥進行濃縮、脫水，減少污泥外運量，脫水污泥含水率≤80%。配套板框壓濾脫水機2套，單套Q=30 m3/h，功率為30 kW。

5 效益分析

(1)本工程的建設，順應了國家生態(tài)建設的號召，貫徹落實了市政府關(guān)于水環(huán)境治理的要求，為改善區(qū)域水環(huán)境狀況做出貢獻，為經(jīng)濟效益和社會效益奠定基礎。

(2)調(diào)蓄處理設施的應用提高了東湖水系面源污染消減率，減小了雨季溢流次數(shù)，年均消減約70%的溢流水量。

(3)本方案中調(diào)蓄處理站采取全地下式的建設形式，地面為景觀公園，使調(diào)蓄處理站與周邊環(huán)境融為一體，大大減少了對周邊環(huán)境的影響。

(4)建成投入運營后，初步估算處理成本約為1.4元/m3。

6 結(jié)語

(1)本工程采用“分散調(diào)蓄+集中處理”的方案，年均溢流次數(shù)控制在4～6次，采用Infoworks ICM模型軟件模擬計算和復核調(diào)蓄規(guī)模，采用“預處理+高效沉淀池+生物接觸氧化池+斜管沉淀池+機械濾池+人工生態(tài)系統(tǒng)”的組合處理工藝，確保出水穩(wěn)定達標。該設計方案可為類似工程的設計提供參考和借鑒。

(2)合流制排口治理為近期工程，不能徹底解決地區(qū)的污染問題，仍需盡快實施地區(qū)雨污分流制改造和城市徑流污染控制工程。